Si los electrones son atraídos por los protones, ¿por qué giran alrededor del núcleo?

Primero, los electrones que se sienten atraídos por los protones no entran en conflicto con la idea de que los electrones circulan alrededor del núcleo. La tierra es atraída por el sol; no afecta el hecho de que la tierra “da vueltas” alrededor del sol.

En segundo lugar, los electrones no “circulan” alrededor del núcleo en el sentido tradicional. Siguiendo a De Broglie, puede pensar en los electrones (observe el plural) como una onda que se mueve alrededor del núcleo. A partir de algunos trucos con la serie de Fourier (o, sin embargo, se extienden a una forma esférica), uno sabe que cualquier onda en movimiento puede descomponerse en la suma de ondas estacionarias.

Dado que la energía se cuantifica, cada una de estas ondas estacionarias solo puede tener un cierto número de valores diferentes. Llamamos a las ondas estacionarias individuales más pequeñas “electrones”.

De todos modos, dado que la energía se cuantifica, un electrón tiene solo un número limitado de niveles de energía en los que puede estar, y cualquier energía positiva implica que no estará en el núcleo.

¿Por qué la energía no puede ser cero? En mecánica cuántica, existe esta cosa llamada “energía de punto cero” o el “estado fundamental”. Esta energía no es realmente cero, es solo la energía mínima posible en la que puede estar un sistema.

La existencia de esta energía de punto cero proviene del principio de incertidumbre de Heisenberg. Desde el principio de incertidumbre, sabemos que podemos intercambiar nuestro conocimiento sobre el impulso de una partícula con información sobre su posición.

Si no sabemos acerca de la posición de una partícula, entonces la partícula tiene algún tipo de energía potencial, porque no está (estadísticamente hablando) situada en el lugar donde se minimiza la energía potencial.

Si no sabemos sobre el impulso de una partícula, entonces la partícula tendrá energía cinética. No sabemos la velocidad de la partícula (que estadísticamente no es cero).

Tenga en cuenta que “estadísticamente distinto de cero” es esencialmente lo mismo que en realidad no es cero. Al igual que no podemos decir el momento exacto y la posición de la partícula, tampoco lo pueden hacer otras partículas.

Hay algo en el sitio web del Perimeter Institute que tiene conferencias que explican la energía de punto cero y todas esas cosas con mucho más detalle.

No estoy seguro de haber respondido la pregunta, pero espero que esto funcione.

Según el Principio de incertidumbre de Heisenberg, sabemos que algo como un electrón no puede ser altamente localizado, como es el caso de un átomo, y también tiene un impulso definido al mismo tiempo. La naturaleza de la materia en escalas tan finas como los átomos evita que las cosas permanezcan muy juntas de manera continua a menos que las fuerzas de unión sean muy grandes. Los Quarks pueden estar unidos dentro de los neutrones y protones por bosones conocidos como gluones con grandes cantidades de fuerza, pero si un electrón se acerca a un protón, su energía cinética aumenta hasta el punto de que no puede permanecer unido al protón sin la emisión de algo para llevar la energía extra. Hay una desintegración nuclear inusual conocida como K-capture en la que esto sucede Captura de electrones

Cuando el electrón es “capturado”, se emite un neutrino, y el protón de captura cambia a un neutrón. Dado que los neutrones tienen más masa que un protón y un electrón combinados, esto generalmente no funcionará, y el electrón simplemente se dispersará desde el núcleo.

Los electrones realmente no rodean los núcleos. Sus posiciones ni siquiera pueden en principio ser lo suficientemente conocidas como para describir órbitas definidas. Por eso se ha usado la palabra “orbital”.

Probemos un experimento mental …

Imagine un universo en el que solo tiene un protón y un electrón separados por un micrómetro.

Tienen velocidad cero uno con respecto al otro, y en t = 0 segundos, comienzan a “percibir” la atracción de los demás.

En la mecánica clásica, las dos partículas se acelerarían una hacia la otra, hasta que se fusionaran, aumentando la velocidad hasta el momento del impacto y el cambio neto en el centro de masa del sistema en su conjunto sería cero.

Afortunadamente para el universo, las cosas no son tan claras a nivel de electrones.

El defecto en esta visualización es que deberíamos poder predecir el momento y la posición de las dos partículas que componen este sistema con la precisión que deseemos, al igual que un padre sobreprotector tenso.

En realidad, cuanto más se acerque el electrón al protón, menor será su incertidumbre de posición (dicho de otra manera, el electrón está más localizado con respecto al protón y, por lo tanto, podemos reducir progresivamente la región en la que la probabilidad de encontrar Es alto). Pero la incertidumbre en la medición de su impulso aumentaría, porque el producto del impulso y la posición siempre estará por encima de un valor crítico (h / 2Pi). Lo que esto significa es que a medida que el electrón alcanza la vecindad del protón, su momento debe cuantificarse y no puede convertirse en cero. Por lo tanto, el electrón se establecería en una “órbita” estable alrededor del protón, en cuyo punto comenzaríamos a llamar a este sistema un átomo de hidrógeno.

Si crees que entiendes la física cuántica, no entiendes la física cuántica. -Richard Feynman

Sí, de hecho, los electrones son atraídos por los protones. En una teoría de la electrodinámica clásica, los átomos simplemente no pueden existir. Los electrones girarían alrededor de un núcleo, irradiarían energía y caerían hacia adentro hasta que golpearan el protón. Los átomos deben ser construcciones sin nuclues pero con espacio de relleno de energía positiva en el lugar correcto para mantener los electrones adentro.

Se sabe por experimento que todo lo anterior no es cierto. Los átomos existen, existe un núcleo y los electrones están dentro del átomo pero fuera del núcleo.

Lo que debe hacer como físico es aceptar estos resultados y concluir que la electrodinámica clásica debe ser la teoría incorrecta de la descripción de los átomos. Cualquiera sea la ubicación de los electrones, protones, campos magnéticos o eléctricos, si solo usa la electrodinámica clásica, esto dará como resultado algo que no es un átomo.

La mecánica cuántica resuelve esto. Hay nuevas leyes y principios que modelan los átomos (y mucho más): ecuaciones de onda, reglas de selección, principios de exclusión, etc. Los electrones no caen en el núcleo porque en la mecánica cuántica los electrones no pueden tener una posición y momento definidos. Si exprimiera los electrones en un volumen más pequeño, la energía cinética aumentaría forzando a los electrones a salir de esa región. Los electrones llenan los átomos en “órbitas” descritas con la ecuación de onda.

Si sigues las reglas de la mecánica cuántica, obtienes resultados muy precisos y predicciones sobre las propiedades de los átomos. La pregunta “por qué” es más una pregunta metafísica, por qué la naturaleza sigue reglas tan extrañas. Para esto no hay una respuesta. La física conoce las reglas, pero no las reglas que gobiernan las reglas.

Primero lo primero, perdamos la noción de electrones volando alrededor del núcleo en pequeños círculos. Los electrones existen como una especie de nube de probabilidad estable en las proximidades del núcleo. Las nubes posibles tienen diferentes formas y tamaños, y esas nubes con diferentes formas requieren diferentes cantidades de energía para que un electrón ocupe. Esos son los únicos estados que la mecánica cuántica les permite ocupar, por lo que tienden a tratar de ocupar el estado de energía más bajo que pueden, pero una vez que han alcanzado ese estado de energía más baja, no tienen a dónde ir más abajo.

Excepto…

En algunos casos, hay un estado de menor energía que implica que un protón capture un electrón y se convierta en un neutrón. Pero la razón por la que es un caso especial, y no el comportamiento normal, es que un neutrón tiene más masa que un protón más un electrón. Esa energía de masa adicional significa que el estado de captura de electrones es en realidad un estado de energía más alto que el orbital más bajo. Por lo tanto, la captura de electrones solo ocurre cuando el núcleo está configurado de tal manera que la conversión de un protón en un neutrón reduce la energía de unión del núcleo lo suficiente como para compensar la energía de masa adicional requerida para hacer un neutrón.

Puede leer más sobre la captura de electrones aquí: https://en.m.wikipedia.org/wiki/ …

¡Espero que esto ayude!

Aquí hay una manera clara de entender esto. Un protón pone tensión en el espacio, un electrón puede ser forzado a una posición en la que realmente llene el punto de tensión y alivie la tensión. La masa de un electrón agregado a la masa de un protón es menor que la masa de un neutrón. Un neutrón, al ser simplemente un protón con un electrón, en realidad tiene una masa mayor que la suma de sus partes. Esto se debe a que un electrón necesita un poco de energía para combinarse con un protón y esta energía se convierte en masa según la fórmula más famosa de Einstein e = mc ^ 2.

Porque dar vueltas alrededor de algo es una forma de caer en él, como lo demostró Newton. Entonces, los electrones circulan alrededor del núcleo precisamente porque son atraídos hacia él, por la fuerza electromagnética, como los planetas giran alrededor del sol porque son atraídos por la fuerza de la gravedad.

Imagine que está balanceando el cubo de arena de un niño lleno de arena alrededor de su cabeza; estás tirando de una cuerda ligera unida al asa del cubo.

Tiras de la cuerda hacia adentro mientras la balanceas mientras trata de alejarse de ti. De hecho, lo hará si sueltas lo suficiente. Entonces, un tirón hacia adentro (en la cuerda) hace que el objeto continúe en una trayectoria circular; no viajar radialmente hacia adentro o hacia afuera. Lo mismo ocurre con la gravedad del sol con nuestros planetas y la ley de Coulomb para electrones sobre un átomo.

El logro de Bohr fue demostrar que las órbitas están cuantizadas. Un electrón bien podría estrellarse en el núcleo, pero el resultado sería inestable y sería expulsado. En lugares cerrados, hay muchas otras cosas con las que lidiar además de la atracción eléctrica.

Hay que entender que muchos de estos misterios son el reino de la ‘mecánica cuántica’ del arte, que ya pasó de largo.

Si un electrón se une con el protón / núcleo, significa que tenía energía cero, lo que no es posible. La energía de un electrón está representada por el número cuántico principal n, pero n es un número natural que no es igual a cero. Esto también es prueba de que los electrones no pueden tener cero eneRhu.