¿Cómo explica la teoría del campo cuántico por qué los electrones rodean (orbitan) el núcleo de un átomo?

¡Buena pregunta!

La teoría de campo cuántico también puede tratar estados atómicos unidos de electrones alrededor de los núcleos, pero el tratamiento es, en el mejor de los casos, aproximado.

Una aproximación es la aproximación de escalera a la ecuación de Bethe-Salpeter, pero resulta que esta ecuación no es soluble en el caso de la electrodinámica cuántica.

El único caso soluble de la ecuación de Bethe-Salpeter es el de un intercambio escalar sin masa entre partículas escalares masivas, y tiene soluciones no físicas.

Básicamente, debe resumir infinitas clases de diagramas de Feynman para describir un estado vinculado de forma relativista.

Entonces, lo que se hace es hacer una reducción no relativista de la ecuación, aprovechando la gran masa del núcleo. Los estados unidos emergen como polos en la función de cuatro puntos del núcleo de electrones, o polos en la matriz S.

Este problema de los estados ligados en la teoría del campo relativista es complejo.

Se puede tratar, pero es un desastre, un poco vergonzoso para las teorías de campo cuántico relativistas.

No lo encontrará manejado en la mayoría de los libros de texto.

En la práctica, para los átomos, la gente generalmente trabaja al revés: se parte de una teoría del átomo de una o muchas partículas no relativista o relativista (para electrones) y luego tal vez haga algunas pequeñas correcciones electrodinámicas cuánticas. El núcleo se trata como si estuviera en reposo.

Y este enfoque puede justificarse teóricamente, como sugerí.

Hay problemas que deben abordarse cuando desea tratar con positronio.

El problema de dos cuerpos relativista completamente general resulta ser altamente no trivial.

Me temo que estabas leyendo el libro equivocado. Una teoría de campo cuántico que describe partículas no es una verdadera QFT. En QFT, como lo aprendí de Julian Schwinger, el mundo está hecho de campos, no de partículas. Así es como describo sus “orbitales de electrones” en mi libro (quantum-field-theory.net). Después de dar razones por las cuales los electrones no pueden ser partículas en órbita, escribí:

“En 1920, a De Broglie se le ocurrió la idea que le traería el Premio Nobel. Si los electrones, como los fotones, exhiben un comportamiento similar a una onda y una onda, pensó, traería una unidad satisfactoria a la naturaleza … De Broglie continuó mostrando que una imagen de onda del electrón explicaría los misteriosos estados de energía discretos de Bohr. Pero si el electrón es una onda, debe haber algo para agitar. Entonces, damas y caballeros (fanfarria, por favor), me gustaría presentarles …

“LOS CAMPOS DE MATERIA. De hecho, me gustaría presentar dos campos de materia: uno para el electrón y otros leptones, y otro para el protón y otros bariones. Los dos difieren principalmente en sus masas y en sus interacciones con otros campos. Al igual que los campos de fuerza, los campos de materia son propiedades del espacio que están presentes en todas partes, y su comportamiento se rige por ecuaciones diferenciales parciales que describen cómo la intensidad del campo en cada punto depende de la intensidad del campo en puntos adyacentes. El electrón es un cuanto del campo leptónico al igual que el fotón es un cuanto del campo EM. Atrás quedaron bordes afilados, bolas redondas y partículas puntuales. En QFT, el electrón, el protón y otras “partículas” son fragmentos de campo que se extienden en el espacio pero que, sin embargo, actúan como unidades.

Colorealas de amarillo y rojo . En el esquema de color que estoy usando para ayudarlo a visualizar los campos de la naturaleza, elijo amarillo y rojo para la materia: amarillo para el campo de leptones (electrones, neutrinos, etc.) y rojo para el campo de bariones (protones, neutrones, etc.) Como siempre, es importante recordar que estos colores no son reales; son solo una forma de imaginar propiedades del espacio que no se presentan directamente a nuestros sentidos.

“El átomo revisitado . La figura 6-2 muestra una imagen simplificada del campo de electrones en un átomo de hidrógeno. En lugar de partículas en órbita (Fig. 4-1), el electrón ahora se ve como una “amarillez” del espacio que rodea el núcleo, disminuyendo en intensidad a mayores distancias, pero nunca llegando a cero. (El núcleo, aquí mostrado como un punto rojo, también está hecho de campos cuyas intensidades se desvanecen muy rápidamente.

Figura 6-2. Una imagen simplificada de un átomo de hidrógeno, que muestra el núcleo (rojo) rodeado por un campo de electrones (amarillo).

Yo diría que eche un vistazo a

Combinando la perturbación de muchos cuerpos y la electrodinámica cuántica Ingvar Lindgren, Sten Salomonson y Daniel Hedendahl

http://downloads.hindawi.com/jou

y el libro asociado:

Teoría relativista de muchos cuerpos: un nuevo enfoque teórico de campo

Por Ingvar Lindgren

Lindgren elaboró ​​una teoría del campo no relativisitico de muchas teorías corporales para la teoría de la estructura electrónica de los átomos y las moléculas que fue el punto de partida de los cálculos ab initio de capa abierta.

Teoría atómica de muchos cuerpos | I. Lindgren | Saltador

Me imagino que su nuevo tratamiento relativista sería muy bueno.

Advertencia: Esta no es una lectura ligera.

Para su información, implementé / reimplementé la versión atómica de muchos cuerpos en la escuela de posgrado. Terminó siendo decenas de miles de líneas de código Fortran. Tuve que construir esencialmente un compilador funcional para diagramas de feynman para hacerlo, junto con algunas otras cosas horribles.

En cierto nivel, realmente no usas QFT para describir un átomo. Lo que haces es: comienzas con QFT, luego dices “la relatividad especial no es relevante” y tomas el límite de baja velocidad y baja energía (incluida la conservación del número de partículas, que es lo que te permite hacer la pregunta) para derivar QM no relativista. A partir de ahí, utiliza algunas matemáticas bastante estándar que puede encontrar en cualquier libro de texto de QM. Luego, puede regresar y determinar qué diferencias entre QFT y QM son las menos pequeñas, y buscar correcciones cada vez más precisas (lo cual está bien; dado que tratamos QFT perturbadoramente en cualquier caso, obtener una respuesta exacta no fue realmente un objetivo que podríamos reclamar de todos modos).

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