Los físicos de finales de 1800 se hicieron la misma pregunta. Sabían sobre protones y electrones, y asumieron que los electrones orbitaban el núcleo como planetas o satélites. Pero también sabían que, a diferencia de los planetas, las órbitas de electrones no parecían decaer con el tiempo. El físico Nils Bohr construyó un modelo teórico del átomo de hidrógeno (un protón, un electrón) que podría predecir su espectro de absorción / emisión al restringir el electrón a las órbitas con energías que eran múltiplos enteros de una constante. Esta cuantificación de la energía de los electrones fue algo así como un truco ad-hoc para hacer coincidir los datos.
Más tarde, los físicos se dieron cuenta de que podía generar estos niveles cuantificados mediante el uso de un conjunto de funciones llamadas “armónicos esféricos”. De la misma manera que los armónicos de una cuerda en una dimensión ocurren cuando la longitud de onda de la vibración es un divisor uniforme de la longitud de la cuerda, Los armónicos esféricos son patrones análogos para una onda en tres dimensiones.
Los armónicos esféricos están etiquetados por un número (1, 2, 3 …) y una letra (s, p, d, f …). El orbital de energía más baja es el orbital 1, que se parece mucho a una órbita planetaria, es esféricamente simétrica. Pero, si cortas un corte en el centro, notarás que es borroso, no una línea afilada: el electrón pasa algún tiempo cerca del núcleo, algo de tiempo en las franjas y la mayor parte de su tiempo alrededor de un radio medio.
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El orbital 2 se ve similar al 1 desde el exterior, solo que más grande. Pero, si tomas una rebanada, verás que tiene un NODO, un caparazón esférico vacío a medio camino donde el electrón nunca pasa ningún tiempo. Si alguna vez ha atado una cuerda en un extremo y ha sacudido el otro, ha visto nodos en 1D: si agita la cuerda lo suficientemente rápido, vibrará en ambos lados, pero se quedará quieto en el medio. Más rápido aún, y tendrá dos nodos, cada 1/3 del camino por la cuerda, con tres vibraciones: una en cada extremo y otra en el medio. ¿Puedes adivinar cuántos nodos tiene el orbital 3s?
Los orbitales p realmente te hacen darte cuenta de que los electrones no son planetas. Hay tres orbitales 1p, y cada uno parece dos globos de fiesta atados en el medio, con un nodo en el centro. Los tres orbitales p equivalentes están orientados a lo largo de los ejes x, y y z, respectivamente.
Los cinco orbitales d tienen una forma aún más extraña, con cuatro formas de globo en el plano unidas que forman cuatro de los orbitales correspondientes, y el quinto parece un orbital que lleva un tubo interno en la cintura.
El nombre “armónico esférico” debería darle la pista de que estas formas no son órbitas de partículas. De hecho, son puntos resonantes de ondas de electrones en el espacio 3D. Este fue uno de los primeros signos de que los electrones eran partículas * que actúan como ondas *, uno de los principios básicos de la mecánica cuántica.
