Impresionante pregunta! (¡Felicite a su estudiante por pensarlo!) Naturalmente, uno pensaría que debido a que los protones están cargados positivamente y los electrones están cargados negativamente, los dos deberían atraerse y unirse. La razón por la que eso no sucede ni siquiera puede comenzar a explicarse utilizando la física clásica. Este fue uno de los misterios clave que fueron aclarados de inmediato por la invención de la mecánica cuántica alrededor de 1925.
La imagen que a menudo se ve de los electrones como pequeños objetos que rodean un núcleo en “órbitas” bien definidas es realmente bastante errónea. Como lo entendemos ahora, los electrones no están realmente en ningún lugar en ningún momento. En cambio, existen como una especie de nube. La nube puede comprimirse brevemente en un espacio muy pequeño si la explora de la manera correcta, pero antes de eso realmente actúa como una nube extendida. Por ejemplo, al electrón en un átomo de hidrógeno le gusta ocupar un volumen esférico que rodea al protón. Si piensas en el protón como el tamaño de un grano de sal, entonces la nube de electrones tendría un radio de unos tres metros. Si explora, probablemente encontrará el electrón en algún lugar de esa región.
Lo extraño de esa nube es que su propagación en el espacio está relacionada con la propagación de posibles momentos (o velocidades) del electrón. Así que aquí está el punto clave, que no pretendemos explicar aquí. Cuanto más se aplasta en la nube, más se debe extender el rango de momentos. Eso se llama el principio de incertidumbre de Heisenberg. Podría dejar de moverse si se extendiera más, pero eso significaría no estar tan cerca del núcleo y tener una mayor energía potencial. Grandes momentos significan grandes energías cinéticas. Por lo tanto, la nube puede reducir su energía potencial apretando más cerca del núcleo, pero cuando choca demasiado, su energía cinética aumenta más de lo que disminuye su energía potencial. Por lo tanto, se instala en un medio feliz, con la energía más baja posible, y eso le da a la nube y por lo tanto al átomo su tamaño.
- ¿Tendremos alguna vez una alternativa a la electricidad?
- ¿Los átomos siempre obtienen 8 electrones de valencia en un enlace covalente? ¿Pueden tener más? ¿Por qué el azufre tiene 12 electrones de capa externa en ácido sulfúrico?
- ¿Cuál es la velocidad de un electrón?
- ¿Cuáles son los componentes básicos de un electrón?
- ¿Por qué la dirección del flujo de electrones es opuesta a la dirección del flujo de corriente eléctrica?
Eso básicamente responde a su pregunta, aunque admitimos que la respuesta suena extraña. Realmente hay descripciones matemáticas muy definidas para acompañar esas palabras.
Quizás le interesen algunas propiedades más de esos electrones en los átomos.
Si se aplica la cantidad justa de energía, es posible derribar un electrón hasta un orbital de mayor energía (una forma diferente de nube, no tan cerca del núcleo), o incluso completamente fuera del átomo. Si los electrones son eliminados de los átomos, pueden crear electricidad. (Esto es lo que ves cuando miras un generador VanDeGraff o un rayo).
Si solo se les da algo de energía, pero no lo suficiente como para soltarlos, se moverán de un orbital a otro (por ejemplo, del orbital S al orbital P). Pero si no hay otro electrón en el orbital de baja energía, caerán nuevamente. Cuando lo hacen, liberan energía en forma de fotón (luz). Esto es parte del concepto en el que se basan los láseres.
