¿Qué tan lejos puede llegar un electrón del núcleo del átomo, sin dejar de pertenecer a él?

Hablando en términos prácticos, hay orbitales Rydberg, a diferencia de los orbitales s, p y d que (quizás hayas aprendido) aprendiste en la química de la escuela secundaria.

En principio, este tipo de orbitales pueden extenderse lejos de un átomo, llegando al continuo (infinito). Sin embargo, de manera realista, en cualquier molécula, se cree que estos estados se mezclan con orbitales más cercanos (es decir, los orbitales pi 2p tradicionales).

Entonces, el electrón está, en promedio, en una gran órbita, pero no infinitamente lejos .

De hecho, Mulliken (el Premio Nobel que formuló la teoría de los orbitales moleculares) no tuvo en cuenta esta simple idea de que existen grandes orbitales.

Estos orbitales son muy pronunciados en moléculas pequeñas como el etileno, y es necesario tenerlos en cuenta si desea hacer cálculos de mecánica cuántica en estas moléculas. De hecho, a partir de estos cálculos, podemos estimar la extensión espacial de los orbitales:

La extensión espacial del estado V del etileno y su relación con la correlación dinámica en la reorganización de Cope

(La Tabla 1 en el documento muestra extensiones espaciales típicas de ~ 10–50 Angstroms)

Nota: el electrón puede alejarse más si, por ejemplo, hacemos brillar un láser brillante sobre él. Pero hay una buena posibilidad de que el electrón se desprenda a energías más altas.

Ahora esto está en condiciones normales, y no en un experimento de física difícil y ultrafría.

Podemos observar (indirectamente) estos grandes orbitales en Etileno simplemente colocando un poco en una caja grande, apretando la caja y observando cómo esto cambia el color de la luz que puede absorber. De hecho, así es exactamente cómo podemos medir la cantidad de impurezas de gas en el proceso de fabricación de semiconductores. Y tengo un amigo de la escuela secundaria que trabajaba en una empresa que hizo exactamente esto.

Al ver que alguien ya dio la respuesta química a esta pregunta (la respuesta de Teresa Gemellaro a ¿Qué tan lejos puede llegar un electrón del núcleo del átomo, mientras aún pertenece a él?), Pensé que sería divertido dar una respuesta de mecánica cuántica.

No sé cuánta física sabes, pero básicamente la mecánica cuántica dice que las cosas realmente pequeñas (como las partículas) se comportan de manera diferente de lo que esperamos en el día a día. No se puede determinar con precisión la ubicación de algo tan pequeño como un electrón porque no es realmente una “cosa”. Existe, claro, pero de una manera muy vaga y en forma de nube. Trataré de explicarlo por analogía.

Supongamos que hay una pulga que salta a lugares aleatorios a intervalos regulares, pero se mantiene cerca de algún punto central con alta probabilidad. Si no observas de cerca la pulga, ¿dónde dirías que fue? Es difícil de decir; solo puedes declarar que está cerca de una ubicación precisa. Pero si echamos un vistazo a la pulga, veríamos que solo está en un lugar.

¿Y si esta pulga fuera mágica y pudiera saltar con tanta frecuencia que tus ojos ni siquiera pueden seguirle el ritmo? No importa todavía sabemos vagamente dónde está la pulga; Está en algún lugar cerca de allí. Sin embargo, si tuviéramos una cámara mágica, podríamos tomar una foto de la pulga, y solo estaría en una ubicación.

Esto es más o menos cómo se comportan los electrones bajo la mecánica cuántica, excepto que se mueve infinitamente más rápido que nuestra pulga mágica. De hecho, es tan rápido que incluso podríamos decir que el electrón no es realmente una partícula, sino algo que existe en una nube de probabilidad. Aún así, si “tomamos una foto” (y los científicos tienen formas muy inteligentes de hacer esto) del electrón, encontraríamos que, de hecho, estaba en una ubicación muy precisa.

Ahora bien, ¿qué significa que el electrón esté unido a un átomo? Estoy simplificando demasiado las cosas aquí, pero básicamente significa que el punto central del electrón está en el núcleo del átomo. ¿Cómo se ve su posición? Se extiende alrededor del átomo. Si tomáramos una foto, hay una posibilidad extremadamente alta de que veamos que el electrón está cerca del núcleo. Pero hay una probabilidad distinta de cero pero extremadamente pequeña de que el electrón esté al otro lado del universo. Pero 99.999999999 …% de las veces, el electrón está “lo suficientemente cerca” como para decir que está efectivamente unido al núcleo.

Por lo tanto, para eliminar el electrón del átomo, tendríamos que hacerlo de modo que el electrón cambie de alguna manera estas probabilidades, de modo que sea más probable que esté lejos del núcleo del átomo que cerca de él. Para hacer esto, necesitamos darle al electrón algo de energía. En términos generales, esta es la energía de escape necesaria para eliminar el electrón de su átomo.

Es posible que el electrón se aleje infinitamente y aún “pertenezca” al átomo si tiene una energía lo suficientemente baja.

Te daré una analogía. Imagínese si hubiera un planeta que estuviera realmente lejos de una estrella en un universo totalmente vacío. Si el planeta tuviera una velocidad de cero en relación con la estrella (baja energía), caería hacia la estrella debido a la gravedad, sin importar cuán lejos estuviera. Si el planeta se moviera lo suficientemente rápido (alta energía), en realidad podría escapar de la estrella y seguir alejándose de ella para siempre. El átomo es similar, aunque no exactamente el mismo, que esta analogía.

Entonces, si el electrón está “unido” al átomo, o si el electrón está “libre” no depende de la distancia del electrón desde el núcleo, sino que depende de la energía del electrón.

Intento facilitarle la comprensión, los electrones están configurados en ciertos niveles, se llaman estados, pero cada estado solo puede tener dos electrones, giran en diferentes direcciones y cada estado tiene su propia energía y ángulo orbital. momento, la energía se da clásicamente como E = -Cze ^ 2 / 2R, pero en física cuántica la energía es E = -13.6 Z ^ 2 / n ^ 2 eV. donde, Z es el número atómico, n es el número cuántico principal, n = 1,2,3, ——-, infinito. R es el radio de la órbita del electrón, e es la carga del electrón. Ahora, si miramos ambas fórmulas de energía, podemos ver, en la clásica, si R —-> infinito, entonces E = 0, y desde la cuántica si n— -> infinito —-> E—> 0
Entonces, estos dos casos indican que, en la medida en que su energía no sea cero, todavía pertenece al núcleo del átomo, está girando en su propia órbita alrededor del núcleo.

Una nota más, además de las otras respuestas sobre la producción de estos enormes átomos:

Los átomos con electrones muy lejanos (que pertenecen a un número cuántico principal muy alto) se llaman átomos de Rydberg. Puede imaginar un pulso láser corto golpeando el átomo que normalmente ionizaría el átomo (eliminaría el electrón), pero si el pulso es lo suficientemente corto, entonces el electrón no está lo suficientemente lejos del núcleo para cuando termina el pulso, y por lo tanto aún “Siente” el átomo y permanece atado.

Las otras respuestas son geniales. Solo agregaré un ejemplo de la física de los cristales semiconductores: a veces un átomo de impureza (como el fósforo en silicio) con un protón adicional en el núcleo solo se aferrará débilmente a su único electrón adicional. Ese electrón orbitará tan lejos que es esencialmente como un electrón de conducción “en la red”, con todas las simetrías y propiedades de los electrones de conducción, como una “masa efectiva” dramáticamente reducida, y aun así está unido a lo positivo iones de fósforo, y aún así parte de su átomo original Genial, ¿eh?

En un alambre de cobre, los electrones libres están unidos dentro.

Al calentar un alambre de tungsteno en el vacío, los electrones salen del átomo.