¿Por qué los electrones giran alrededor del átomo perpetuamente sin ninguna pérdida de potencia?

La imagen clásica de un electrón que orbita alrededor del núcleo presentó un enigma a los físicos a principios del siglo XIX. ¿Cómo puede un electrón orbitar, acelerándose constantemente, sin caer en el Núcleo?
Este fue uno de los primeros indicadores de que la mecánica clásica a nivel atómico no es válida.
En 1913, Niels Bohr, en un golpe de genio, sugirió simplemente prohibir que los electrones puedan orbitar en radios continuos desde el núcleo. Con esta idea, las líneas espectrales del átomo de hidrógeno se explicaron perfectamente.
Eso es lo que hacen los fisicistas. Idean reglas sobre cómo se comporta la naturaleza. Si se confirma la regla, entonces la teoría es viable.
En cuanto a su pregunta. Debes abandonar la imagen clásica de un electrón en órbita e ingresar al reino cuántico. En esa imagen, el electrón tiene una probabilidad de impulso y posición gobernada por el principio de incertidumbre de Heisenbergs. Las órbitas en esa imagen son solo posiciones probabilísticas. El cambio en las órbitas, que representa un estado de Energía, ocurre por interacción con los fotones, ya sea emitiendo o absorbiendo.

Todas las otras respuestas (en este momento) tratan con el electrón como una partícula, excepto Singh. Me gustaría dar más detalles sobre su respuesta, utilizando la teoría de campo cuántico como modelo. En mi libro (ver Comprender la física a través de la teoría cuántica de campos), di cuatro razones por las cuales los electrones no pueden ser partículas en órbita. Entonces escribí:
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Fue en 1920 cuando 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 … Esta visión es una de las mejores en física, rivalizando con las de Newton, Maxwell y Einstein (en mi opinión ) Ahora, como saben, una onda es una oscilación en algo. Si el electrón debe ser una onda, debe haber algo para agitar. Entonces, damas y caballeros (fanfarria, por favor), me gustaría presentarles …
EL CAMPO DE LA 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. Por lo tanto, el electrón es para el campo de leptones lo que el fotón es para el campo EM: es un cuanto: una pieza o un fragmento del campo. Atrás quedaron bordes afilados, bolas redondas y partículas puntuales. En QFT, el electrón, el protón y otras “partículas” son piezas de campo que se extienden en el espacio pero que, sin embargo, actúan como unidades. Cuando uso la palabra partícula , realmente quiero decir cuántica de campo .

Según la teoría cuántica, los electrones son ondas. Entonces, ¿por qué las ondas deben irradiar energía mientras giran a través del núcleo? El electromagnetismo clásico nos dice que cuando las partículas cargadas se aceleran, irradian ondas electromagnéticas. las olas sufren interferencia. según la interferencia constructiva 2 * pi * r = n * lambda esta condición dirá que las ondas

pero la teoría real es la electrodinámica cuántica. La interacción del electrón con el campo electromagnético está regida por las reglas de Feynman. Tiene un conjunto completo de posibilidades. y dependiendo de los estados ligados, la interacción del electrón con el campo electromagnético puede garantizar que ninguna radiación o radiación o emisión de fotones tengan muy pocas probabilidades.

El electrón en una órbita estacionaria no emite ni absorbe radiación. La órbita estacionaria es independiente del tiempo y su forma se obtiene calculando la función de onda utilizando la ecuación de onda de Schroedinger independiente del tiempo. Un nivel de eigen dado puede estar degenerado, lo que significa que más de un estado cuántico puede tener la misma energía, acomodando así múltiples electrones. Un nivel de eigen no degenerado dado solo puede acomodar hasta 2 electrones cada uno con espines opuestos.

El electrón en un estado propio dado no es más que una nube de probabilidad. La probabilidad de encontrar un electrón viene dada por el cuadrado de la magnitud de la función de onda que describe ese estado propio que en turm se calcula como se describió anteriormente. Un electrón se convierte en una partícula u onda dependiendo solo del tipo de medición realizada. Entonces, por ejemplo, si uno deja que un electrón caiga en una pantalla electroluminiscente, se convierte en una partícula que da lugar a un punto brillante donde golpea la pantalla.

Solo el tiempo en que un electrón absorbe o emite energía en un átomo si hace una transición entre 2 niveles de eigen no degenerados. La cantidad de radiación absorbida o emitida por el electrón es igual a la diferencia de energía entre los niveles de eigen. Si 2 niveles de eigen no son degenerados pero están muy cerca el uno del otro, entonces un electrón puede realizar continuamente transiciones entre los 2 niveles absorbiendo o emitiendo radiación a medida que realiza las transiciones. En tal situación, puede reabsorber el fotón que emitió y luego volver a emitir muchas veces.

La primera ley de la mecánica newtoniana dice ”
La velocidad de un cuerpo permanece constante a menos que una fuerza externa actúe sobre el cuerpo.
Por lo tanto, no es necesario gastar energía para seguir moviéndose, a menos que fuerzas externas actúen sobre el cuerpo.
Los electrones alrededor de un núcleo no son un problema clásico, pero la conservación de la energía también se mantiene en los estados cuánticos. El electrón alrededor del núcleo está en un nivel de energía cuantificado y puede cambiarlo solo si interviene una interacción externa. Es la cuantización lo que garantiza esto, ya que en el problema clásico de una carga que circula alrededor de una carga opuesta, habría radiación continua que habría hecho que el electrón cayera en el núcleo. Los estados de energía cuantificada para los electrones son necesarios para que los átomos existan y fueron propuestos por primera vez por Bohr.
Posteriormente, la mecánica cuántica se convirtió en una teoría completa y necesita años de estudio para asimilarla.

Una vista alternativa; Ambos, el electrón en órbita y el núcleo de un átomo, son partículas de materia 3D. Tienen muy alta atracción mutua. Un cuerpo más pequeño que orbita alrededor de un cuerpo más grande es el único método por el cual pueden mantener su unidad sin chocar realmente. En estado estable, la atracción gravitacional entre ellos es la única fuerza externa sobre ellos. ver: capítulo 13 en ‘MATERIA (reexaminada)’.
Como la atracción gravitacional se aplica constantemente, no se requiere ninguna otra fuente de esfuerzo externo para el movimiento orbital de los electrones. No ganan ni pierden poder. En movimiento circular uniforme, un cuerpo no tiene aceleración. ver: Movimiento en trayectoria circular