¿El electrón realmente se mueve alrededor del núcleo en caminos específicos?

Ellos no.

Desde aproximadamente la década de 1920, dejamos de pensar en los electrones como pequeñas “bolas de billar”, zumbando alrededor del núcleo, como planetas alrededor del sol. La idea principal detrás del hecho era la naturaleza dual de la materia: la materia mostraba tanto el carácter ondulatorio como el de partículas.

Este fue un final para la mecánica clásica y los viejos modelos de la estructura atómica. Junto con el principio de incertidumbre, estaba claro que no tiene sentido hablar sobre la posición y el momento definidos para un electrón, ya que no existe. El mundo cuántico dejó de ser determinista.

Reemplazamos el modelo de Bohr con la función de onda hidrogénica, derivada de la ecuación de Schrödinger. En esta solución, el electrón existe como un campo de probabilidad distribuido, no tiene “presencia” y, de hecho, no tiene dependencia del tiempo. Este campo de probabilidad distribuido tiene algunas propiedades que están asociadas con cosas que se mueven (tiene impulso angular y giro, por ejemplo ) pero es bastante diferente de una definición clásica: es una cantidad intrínseca y es de naturaleza puramente cuántica.

El punto básico es que los electrones no son pequeñas bolas sólidas, y a menudo no tiene sentido hablar de ellos como si lo fueran. No tienen una posición o trayectoria fija, por lo tanto, no tiene sentido hablar de tales cantidades. Más bien, podemos calcular la probabilidad de que un electrón esté en un estado particular.

La imagen muestra la densidad de probabilidad de electrones alrededor del núcleo.

La imagen que a menudo se ve de los electrones como pequeños objetos que rodean un núcleo en “órbitas” bien definidas no es precisa.

Imagen cortesía de: Science for Kids

Como se entiende ahora, los electrones no están realmente en ningún lugar en ningún momento. En cambio, existen en forma de ‘nube’. La nube puede comprimirse brevemente en un espacio muy pequeño, cuando la explora de la manera correcta, pero antes de eso realmente actúa como una nube extendida. El electrón en un átomo de hidrógeno, por ejemplo, ocupa un volumen que rodea al protón. Si el protón es del tamaño de un guisante, entonces la nube de electrones estará ‘en algún lugar’ en un radio de tres metros.

Lo que estás viendo arriba es la primera observación directa del orbital electrónico de un átomo. Para capturar la imagen, los investigadores utilizaron un nuevo microscopio cuántico , un dispositivo nuevo e increíble que literalmente permite a los científicos contemplar el reino cuántico.

Una estructura orbital es el espacio en un átomo que está ocupado por un electrón. Pero al describir estas propiedades súper microscópicas de la materia, los científicos han tenido que confiar en las funciones de onda, una forma matemática de describir los estados cuánticos difusos de las partículas, es decir, cómo se comportan tanto en el espacio como en el tiempo. Por lo general, los físicos cuánticos usan fórmulas como la ecuación de Schrödinger para describir estos estados, a menudo con números complejos y gráficos elegantes.

Hasta este punto, los científicos nunca han podido observar realmente la función de onda.