¿Cuál es el modelo de estructura atómica actualmente aceptado? ¿Existe un modelo más reciente que el Bohr o el Bohr-Sommerfeld que hayan observado los físicos?

No es la teoría de Bohr, ni es la teoría de Bohr-Sommerfeld. Se les da crédito por preparar el escenario, pero ambas teorías asumieron partículas puntuales. Las teorías creadas por Heisenberg y Schrödinger todavía se consideran correctas, aunque no pueden derivar la estructura “fina” porque no tienen en cuenta la relatividad. Las ecuaciones derivadas por Dirac hacen eso, y eso se acepta actualmente como correcto. Aunque, nuevamente, hay refinamientos que provienen de considerar el hecho de que los campos electromagnéticos están cuantizados; por eso, den crédito a Schwinger y Feynman.

La respuesta fundamental a su pregunta: Bohr y Bohr-Sommerfeld fueron aproximaciones útiles, pero vaya a la ecuación de Schrödinger para la teoría fundamentalmente correcta.

Sí, hay otros modelos que el construido por Bohr. Estos son más precisos y más correctos.

En la escuela secundaria, probablemente todos aprendemos sobre moléculas y átomos. En su libro de texto, casi seguramente vio imágenes como estas:

Lo que ves aquí es una representación simple de un átomo, con múltiples protones, neutrones y electrones. Los electrones orbitan alrededor del átomo, y los protones y los neutrones se unen.

Este modelo es el modelo de Bohr. Esto es más aceptado (según los estándares cotidianos).

Este modelo es una explicación simple, para aquellos que realmente no se preocupan por la física, pero están totalmente equivocados .

El modelo utilizado y aceptado por los científicos en estos días está hecho por Schrödinger. Schrödinger utilizó ecuaciones matemáticas para describir la probabilidad de encontrar un electrón en una determinada posición. Este modelo atómico se conoce como el modelo mecánico cuántico del átomo. Los electrones no estaban representados como pequeñas bolas que orbitan alrededor del núcleo, sino como una nube de electrones.

A diferencia del modelo de Bohr, el modelo de mecánica cuántica no define la ruta exacta de un electrón, sino que predice las probabilidades de la ubicación del electrón. Donde la nube es más densa, la probabilidad de encontrar el electrón es mayor. Aquí hay una foto para ayudar a entender.

Por supuesto, el modelo de Bohr es más fácil de enseñar a los estudiantes de secundaria. Pero el modelo de Schrödinger es más matemático y más preciso que el de Bohr.

Gracias por leer, todas las ediciones y sugerencias son bienvenidas.

La estructura del átomo es ahora un problema completamente resuelto , tanto que se puede aplicar el mismo modelo para describir el comportamiento de las moléculas, en lugar de solo átomos individuales, por completo, así como el comportamiento de los materiales sólidos.

El principal refinamiento desde Bohr-Sommerfeld es simplemente la aplicación de la mecánica cuántica adecuada al modelo de Bohr-Sommerfeld. Lo que sigue a continuación es un resumen del modelo de Bohr-Sommerfeld, sus debilidades y una descripción de las principales mejoras utilizando la mecánica cuántica completa.

Resumen del modelo atómico de Bohr-Sommerfeld

Tienes un átomo El modelo de Bohr dice que:

• los electrones alrededor de este átomo siguen caminos específicos (llamados órbitas) de modo que el momento angular se conserva e igual a algún múltiplo entero de la longitud de onda del electrón [math] \ lambda [/ math]. En otras palabras, si [math] m, v, r [/ math] son ​​la masa, la velocidad y la [distancia entre el átomo y el radio] (?) (Distancia entre el núcleo y el electrón?), La condición de Bohr para una ruta es [math] m \ cdot v \ cdot r = n \ lambda [/ math]
• solo se permiten órbitas circulares.

Sommerfeld mejoró esto al:

• requiriendo que todos los momentos (momentos) del sistema integrados sobre sus coordenadas respectivas sean iguales a algún múltiplo entero de la constante [matemática] h [/ matemática] de Planck.
• Por ejemplo, si [math] p_ {x} [/ math] es el único impulso en la dirección [math] x [/ math], la condición de cuantificación de Sommerfeld es [math] \ oint p_ {x} dx = nh [ / math], donde [math] \ oint [/ math] es una notación para un tipo especial de integral definida. Ejemplos de aplicación están aquí.
• Todos los caminos que satisfacen esta condición están permitidos, no solo los circulares.

Debilidades

• Estos modelos solo funcionaban para átomos de hidrógeno y de tipo hidrógeno (átomos ionizados con la misma carga neta que el núcleo de hidrógeno).
• Incluso para estos casos especiales, no podría explicar algunos aspectos de su comportamiento. La estructura hiperfina (o pequeños cambios de energía observados en la energía real de una órbita), por ejemplo, era imposible de explicar con el modelo de Bohr-Sommerfeld.
• Finalmente, la teoría fue muy arbitraria. ¿Por qué se debe cuantificar la integral del momento sobre una coordenada? Se ajusta a los hechos, pero ese no es un lugar sólido para pararse al tratar de responder preguntas más profundas sobre el átomo.

La resolución

Entra en la mecánica cuántica.

En mecánica cuántica, descartas por completo la idea de las órbitas . Los electrones ya no son partículas u ondas que tienen una posición o velocidad específica, sino que se describen por la raíz cuadrada de una distribución de probabilidad de posición llamada funciones de onda (sí, sé lo arbitrario que suena, pero confía en mí, hay una buena razón para esta). Por lo tanto, son incapaces de viajar alrededor del átomo en una ruta real, ya que no tienen una posición real.

En cambio, los electrones pueden ocupar estados de energía, lo que determina completamente el tipo de distribución de probabilidad que tienen. Estas energías están completamente determinadas por el potencial total y las energías cinéticas del sistema: matemáticamente, puede obtenerlo resolviendo la ecuación de Schrödinger, que es una ecuación diferencial complicada. Si está interesado en las matemáticas, puede leer un ejemplo simple aquí.

Para obtener el modelo del átomo, usted:

• Resuelva la ecuación de Schrodinger en coordenadas esféricas con [math] V [/ math] siendo el potencial eléctrico entre el átomo y el electrón. También puede incluir interacciones más complicadas como la fuerza magnética entre el protón y el electrón si lo desea.
• Eso es.

La belleza de esto es que estas soluciones a la ecuación de Schrodinger le dicen (principalmente) todo lo que necesita saber sobre cómo se comportan los electrones en el átomo.

Debido a que los electrones no tienen una posición definida, puede preguntarse cómo se verían los electrones cuando están en un estado de energía definido. A continuación puede ver imágenes de estos estados: las regiones coloreadas son donde la probabilidad de encontrar el electrón (para expertos: la integral del módulo de función de onda al cuadrado) es mayor del 90%. En deferencia a la mecánica clásica y nuestras viejas formas de pensar sobre los electrones, llamamos a estos estados de energía orbitales .

Los famosos 1s, 2s, 3s, 3p … orbitales de un átomo de hidrógeno.

En las imágenes de arriba, notará una serie de números que etiquetan cada orbital. Estos se llaman números cuánticos y definen la naturaleza exacta de cada estado de energía. Veamos uno por uno:

1. El primer número cuántico más importante es n , el número cuántico principal acertadamente nombrado. Este número cuántico determina la energía del estado; sin embargo, como verá rápidamente, hay mucho más en un estado que solo su energía.
2. El segundo número cuántico es [math] \ ell [/ math], el número cuántico azimutal. Solo puede tomar valores entre 0 y n . En otras palabras, si n = 2, los únicos valores aceptables de [math] \ ell [/ math] que corresponden a un estado real son [math] \ ell = 0,1 [/ math].

1. ¿Cuál es el significado de este número? Bueno, en gran medida, gobierna el momento angular orbital del electrón y, a su vez, determina la forma del orbital (en otras palabras, las regiones que ves en las imágenes de arriba).

1. Este número especifica qué suborbital ocupa un electrón. Lo has leído bien: los electrones pueden ocupar orbitales dentro de los orbitales. En la práctica real, por supuesto, esto solo significa que la forma se altera aún más.

1. Para ser aún más precisos, el giro no es un número producido por la teoría orbital, es algo intrínseco a cada partícula. Para electrones, solo puede tomar los valores [math] \ pm \ frac {1} {2} [/ math]; para objetos más exóticos, como fotones o colecciones de partículas, puede tomar un rango de valores mucho mayor.
2. ¿Por qué eso importa? Lo veremos en un minuto.

Resoluciones de viejas paradojas

Todos los viejos problemas del modelo de Bohr-Sommerfeld desaparecieron:

• Este modelo funciona para todos los átomos, independientemente de lo que sean. Esto se debe a que el modelo original de Bohr no tuvo en cuenta la repulsión electrón-electrón, mientras que el modelo moderno sí (¡solo agrega un potencial de repulsión a la ecuación de Schrodinger!)
• Explicó muy bien la estructura hiperfina.

El secreto radica en el descubrimiento del espín cuántico, del que ni siquiera Schrodinger era consciente, y requiere un tratamiento completo que involucre la ecuación de Dirac, mucho más fundamental. El espín cuántico significa esencialmente que los electrones y los núcleos tienen un componente magnético , cuya interacción conduce a pequeñas diferencias de energía entre algunos electrones en un orbital y otros.

El cambio resultante está muy bien explicado teóricamente.

Finalmente, la mecánica cuántica se encuentra entre las teorías más lógicas y directas de la física, tanto que los físicos llaman a los cálculos de mecánica cuántica ‘recetas’. Es muy fácil saber cuándo estás en un juego de pies sólido en mecánica cuántica.

En muchos sentidos, fue el éxito de QM con la teoría atómica lo que finalmente condujo a su abrumadora popularidad. Antes de eso, simplemente estábamos tropezando en la oscuridad.

Haciéndolo todo intuitivo

La ecuación de Schrodinger y los cuatro números cuánticos resultantes están muy bien, pero estaríamos en un estado bastante lamentable si tuviéramos que buscar las soluciones a las ecuaciones de Schrodinger para cada pregunta. Además, resulta que muchas preguntas interesantes en química necesitan algo más que una descripción de la estructura atómica: necesitan una descripción de cómo se comportan los electrones en esta estructura.

Con ese fin, por lo tanto, la química moderna admite tres extensiones fundamentales:

1. El principio de Pauli: no hay dos partículas de materia en el universo que puedan tener exactamente los mismos números cuánticos. En otras palabras, no puedes tener dos electrones en el mismo orbital y suborbital con el mismo giro; deben tener giros diferentes para poder vivir en el mismo orbital.

1. Como solo hay dos valores posibles para el número cuántico de espín, como máximo dos electrones pueden ocupar un suborbital. Una vez que eso sucede, el suborbital se considera lleno.

1. En otras palabras, si comienza con un átomo sin electrones y luego comienza a agregar electrones uno por uno, los electrones no son libres de elegir en qué orbital quieren vivir, tienen que seguir ciertas reglas.
2. El diagrama anterior enumera el orden de cada orbital en energía creciente. Así que usémoslo: primero ponemos un electrón. El estado de energía más bajo disponible es el orbital 1s, por lo que va allí. Ponemos otro electrón, esta vez con un giro diferente del primero, y descubrimos que también entra en el orbital 1s sin problemas.
3. Ahora ponemos un tercer electrón, pero ahora estamos en problemas: el principio de Pauli nos impide poner más de dos electrones en un estado, por lo que tenemos que ponerlo en el siguiente estado más alto, que resulta ser 2s.
4. En eso va. El orden es (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, …): solo sigue la primera flecha hasta que golpees la cabeza, luego salta a la cola de la siguiente flecha.

3. Finalmente, existe la regla de Hund de máxima multiplicidad: si un electrón puede permanecer solo en su suborbital, hará todo lo posible durante el mayor tiempo posible. En otras palabras, al principio solo puedes poner un electrón en cada suborbital de un orbital; solo cuando te quedas sin suborbitales puedes comenzar a retroceder y emparejar cada electrón en cada suborbital.

1. La razón de esto se reduce a problemas de estabilidad: cuando se trabaja de esta manera, es menos probable que los electrones se muevan a otro orbital o suborbital. Este es el método de máxima estabilidad.

Y eso es.

¡Felicidades! Ahora tiene una comprensión de un estudiante de secundaria de la teoría moderna de la estructura atómica.

El modelo de química actualmente aceptado implica la superposición de orbitales. El orbital es una construcción extraña porque sit no está realmente muy bien definido, y tiende a ser un poco de lo que quieres ser en un momento dado. Por lo tanto, la mayoría lo considera una distribución de probabilidad, y cuando los orbitales se superponen, la densidad de probabilidad de los electrones aumenta entre el núcleo y actúa como un “pegamento” que mantiene la molécula unida. Esto puede parecer un poco exagerado, pero es esencialmente un modelo de “imagen” del concepto más riguroso presentado por Feynman en su artículo “Forces in Molecules”.

El problema con esta descripción proviene de las reglas de Woodward Hoffmann, en las cuales el signo del orbital se vuelve relevante, lo que significa que el orbital ahora es una función de onda, con el signo dando la fase. Entonces, el orbital se ha transformado hasta cierto punto en una solución de la ecuación de Schrödinger. Otros han señalado que la química no implica nada más que resolver esta ecuación, pero eso no es exactamente cierto porque la ecuación de Schrödinger no se puede resolver para ninguna molécula porque no se puede resolver para nada que involucre tres o más partículas independientes. El ion de la molécula de hidrógeno se puede resolver SI asume que los núcleos están fijos, lo cual es una aproximación razonable, y desde entonces, toda esa química computacional depende de suposiciones que deben validarse. Así, en su conferencia Nobel, Pople señaló que para obtener las constantes de integración de los alcanos, utilizó más de 140 moléculas para validar sus integrales. Sin embargo, los químicos ahora sienten que estos modelos computacionales han resuelto los problemas de la química.

¿Ves algo malo en esa última declaración? Bueno, los cálculos son tan opacos que los químicos nunca los evalúan. Es un poco como: “Confía en mí, sé lo que estoy haciendo”. El problema, en mi opinión, es que no lo hacen, y las ruedas pueden caerse. Un ejemplo: “Moran, D. y otros cinco. 2006. Los métodos teóricos populares predicen que el benceno y el areno no son planos. J. Amer. Chem. Soc. 128 : 9342-9343″. Lo que sucedió aquí es que las “constantes” de integración habían cambiado con el tiempo para lograr un mejor acuerdo con las nuevas moléculas, y las “constantes” de los nuevos cálculos no daban acuerdo cuando se insertaban en los cálculos realizados previamente.

En mi opinión, hay otro problema, y ​​es que la ecuación de Schrödinger solo se puede resolver para el hidrógeno, y se ASUME que todos los demás átomos usan las soluciones de hidrógeno, a pesar de que sus energías no se parecen en nada a lo que se espera. Por lo tanto, el potencial de ionización del cesio se produce en una cantidad tan grande que se propone que los electrones sufran una detección deficiente del núcleo, y el campo que ve el electrón externo es aproximadamente 3.2 veces la carga en un protón. Eso debería dar al cesio una fuerte afinidad electrónica. En realidad, tiene una afinidad electrónica tolerable pero no forma aniones cesuro. En lo que NO es generalmente aceptado (de hecho, sospecho que casi nadie lo sabe) publiqué una alternativa: Miller, IJ 1987. La cuantificación de la constante de detección. Aust J. Phys. 40 : 329-346, en el que el problema desaparece con diferentes funciones de onda que son esencialmente superposiciones de varias posibilidades de las funciones de hidrógeno que no violan el Principio de Exclusión. Por otro lado, estos explican idealmente por qué la química del cobre es diferente de los elementos del grupo 1, a pesar del potencial de ionización del electrón 4s de cobre que se encuentra en algún lugar (de memoria) potasio y cesio. Lo he llevado un poco más lejos, y en mi interpretación de la onda de orientación de QM, el enlace químico se convierte ahora simplemente en una cuestión de contar las interacciones que conducen a componentes de onda estacionaria y requieren que la acción permanezca cuantificada. Una consideración muy simple de primer orden del hidrógeno significa que duplica las interacciones entre electrones y núcleos, por lo que, por consideraciones anteriores, la energía del enlace es 1/3 de la energía de Rydberg. El acuerdo es bastante bueno. Se pueden encontrar más detalles en mi cuenta de Ondas de guía, PERO recuerde, esto definitivamente no es generalmente aceptado.

A continuación se muestra un extracto del manuscrito titulado “Teoría de las singularidades y las partículas espaciales (SP): la naturaleza y la estructura fundamental del espacio y las partículas subatómicas) que el autor acaba de enviar al International Journal for Theoretical Physics (Mahmoud Nafousi) .

A continuación se muestra el extracto sobre

3) Los bloques de construcción más elementales que conforman todo el universo.

Los físicos han estado cuestionando durante mucho tiempo las posibilidades de que todas las partículas subatómicas puedan estar hechas de partículas elementales aún más pequeñas. La Teoría de Singularidades y Partículas Espaciales propone que, en el corazón de todo en el universo, solo hay dos tipos de partículas de energía elemental. Las diversas combinaciones y permutaciones de estas dos partículas elementales conducen a la creación de todas las partículas y antipartículas subatómicas conocidas y aún por descubrir. También son responsables de todos los números cuánticos teorizados utilizados para explicar el funcionamiento del universo físico.

Las dos partículas fundamentales de energía elemental son:

A) Quanta de energía (E Quanta, para una sola cadena de energía, E quantum).

E quanta son cadenas elementales idénticas de energía vibrante que se mueven a la velocidad de la luz. Se mueven en momento angular lineal o rotacional (orbital). Cada cuántica E tiene helicidad (un momento angular de giro (giros para zurdos (LR) o diestros (RL)) que no depende de su vibración o momento angular orbital. Hay cantidades iguales de energía LR y RL en el universo. El número total de E quanta y su helicidad se conservan.

Como referencia de la literatura actual: “La helicidad de una partícula es diestra si la dirección de su giro es la misma que la de su movimiento. Es zurdo si las direcciones de giro y movimiento son opuestas. La helicidad es solo la proyección del giro en la dirección del momento lineal. La helicidad se conserva ”. Para nuestros propósitos, nos referimos a Helicity solo para indicar el giro LR o RL de cada cuanto de energía.

Un número variable de estos cuantos E con momento angular lineal se unen para formar diferentes fotones con varios niveles de energía, de ahí la ley E = h * f donde E es la energía, h es la constante de Planck (o una sola cadena de energía) y f es la frecuencia (es decir, el número de cadenas en el fotón).

Entonces, las diversas frecuencias de cualquier fotón están determinadas por el número de E Quanta vinculados / unidos en una estructura similar a una cadena. Esto explica por qué todos los fotones de diferentes frecuencias / vibraciones viajan a la velocidad constante de la luz.

El fotón púrpura tiene miles de millones de veces más E quanta del fotón amarillo.

Cuanto mayor es el número de E quanta en un fotón, más apretados están dentro de ese fotón, lo que conduce a su mayor vibración / frecuencia más corta. El fotón tiene un giro de 1 y se teoriza que es su propia antipartícula. Esto implicaría que los fotones están hechos de una cadena de cadenas E dobles hechas de helicidad RL y LR.

Diferentes grupos de E quanta (con su momento angular rotacional / orbital) forman las diversas nubes de energía de todos los Fermion y otras partículas subatómicas. La tela vibrante y flexible del espacio también está hecha de E quanta.

1. Singularidades / Spinners de energía elemental (canta).

En los núcleos de todas las partículas subatómicas de Fermion y el SP, hay Singularidades que giran en sentido horario o antihorario a la velocidad de la luz. Estas singularidades dan a las partículas subatómicas su carga eléctrica y son responsables de sus características intrínsecas de hilatura. El cambio continuo de las ubicaciones y combinaciones de los hilanderos dentro de las Partículas subatómicas determina la geometría y los movimientos de las diversas nubes de energía. Las diversas disposiciones de nubes de energía del SP son en efecto los campos de excitaciones energéticas en las que se materializan todas las partículas subatómicas observables. Por ejemplo, las interacciones entre las partículas de Fermion cargadas no enteras con el SP dan lugar a la mayor parte de la masa de los Quarks. Los fermiones vienen en 3 generaciones, según el modelo estándar, determinado por el número de sus hilanderos y el nivel de su nube de energía.

La mayor parte de la física se puede explicar en términos de:

A) El número de singularidades en cada partícula subatómica y la dirección de sus espines.

B) La cantidad de los Quanta de energía y su helicidad (giros LR o RL).

C) La existencia de las partículas espaciales y sus interacciones continuas con los Fermiones para crear los diversos campos de excitación de energía.

D) El papel de las partículas de Lepton (Electrón, Positrones, Neutrinos y Antineutrinos) en actuar como mediadores en la creación de la fuerza fuerte y la fuerza débil como resultado de la interacción de las partículas subatómicas con el SP.

Tabla de las partículas elementales responsables de la formación de todas las partículas subatómicas.

La siguiente tabla muestra el número de hilanderos para las 3 generaciones de partículas subatómicas.

¿Cuáles son las características clave de la vibrante E quanta y los Spinners?

Cada E Quantum (cadena elemental de energía):

– Está en un estado de vibración continua.

– Tiene una cantidad mínima de nivel de energía idéntico equivalente a una constante de planck.

– Tiene un giro predeterminado hacia la izquierda (LR) o hacia la derecha (RL). Cada uno de estos giros se identifica como ½ giro. Las direcciones del giro del E-Quanta es un determinante de los números cuánticos. Solo las partículas subatómicas con diferente helicidad intercambian sus Singularidades y cambian a diferentes sabores.

– Adopta un momento angular lineal o rotacional. Por ejemplo, este cambio en el momento se produce cuando los fotones son absorbidos o emitidos por los electrones. Los fotones se comportan como si fueran partículas y antipartículas debido a este cambio en el impulso.

– Siempre se encuentra en un grupo grande que forma E quanta.

– Lleva los códigos de identidad y ubicación. Dichos códigos son esenciales para las instantáneas del “tiempo actual” que forman la dimensión del tiempo. Esto también puede ofrecer una explicación racional al enigma del enredo (como veremos más adelante). Esta especulación está en línea con los códigos informáticos recientemente descubiertos enterrados dentro de las matemáticas de la teoría de cuerdas.

– Nunca seas creado o destruido.

Cada hilandero (singularidad)

– Gira en sentido horario (denominado carga positiva) o en sentido antihorario (denominado carga negativa). Los hiladores de carga diferente no se aniquilan entre sí.

– Cambie su posición dentro del núcleo de partículas subatómicas en respuesta a / debido a la interacción con los otros hiladores, incluidos los de las partículas espaciales (SP).

– Tiene un radio de longitud de planck y gira continuamente a la velocidad de la luz.

– Siempre se encuentra en compañía de otros hilanderos en un grupo de 6 o múltiplos de 6 como en el caso del SP o los fermiones de segunda y tercera generación. Seis es el único número que es tanto la suma como el producto de sus números positivos consecutivos (1,2,3). El quark up tiene una carga de 2/3 +, esto es, en efecto, una red de 4 hilanderos CW de los 6, [(5 CW – 1 hilanderos ACW) / 6].

– El giro de cada singularidad es equivalente a un segundo atómico, lo que le da al concepto de espacio-tiempo un significado visualizado. Cada segundo atómico es equivalente a un tiempo de Planck.

Otras posibles características de los hilanderos:

– Los hiladores actúan como motores que mantienen a todas las partículas subatómicas interactuando entre sí.

– Los diversos grupos de hilanderos, ubicaciones e interacciones conducen a cambios en la geometría de las nubes de energía de las diversas partículas subatómicas. Estas vibraciones / cambios en las nubes de energía del SP a medida que interactúan con los Fermiones son en efecto los diversos campos de energía que impregna todo el espacio.

– Se conserva el número total de hilanderos y las direcciones de sus giros. Se dividen en partes iguales entre los que giran en sentido horario y los que giran en sentido antihorario.

– Los hilanderos juegan un papel clave en la determinación de los números cuánticos de partículas subatómicas.

El actual es el modelo de mecánica cuántica que incorpora ideas de Schrödinger, Pauli, Heisenberg, etc. Toma en consideración muchas ideas diferentes. Es el modelo más aceptado y es teóricamente correcto. Sin embargo, el modelo de Bohr es el más fácil de explicar para ciertas cosas. Por ejemplo, ¿por qué los gases nobles son en su mayoría no reactivos o por qué los metales tienen energías de ionización más bajas? Para propósitos como este y para tendencias periódicas, el modelo de Bohr hace que sea muy fácil de explicar. Una vez que se entienden las ideas básicas, las personas pueden avanzar al modelo de mecánica cuántica. El modelo de Bohr se ha convertido más en una ‘Analogía’ para explicar los conceptos básicos de la química. No usar el modelo de Bohr para enseñar es como esperar que los niños pequeños comiencen a escribir sin aprender los alfabetos (o los caracteres si el chino es su idioma).

Sin embargo, tenga en cuenta que cada vez más universidades y certificados están enseñando modelos de mecánica cuántica. Estoy haciendo mi programa de Diploma IB y la Química de nivel superior es una de mis asignaturas. Hemos cubierto el modelo de mecánica cuántica en gran medida. Entonces los tiempos están cambiando. De todos modos, ¡espero poder responder a tu pregunta!

La estructura de un átomo es la siguiente: es un núcleo muy pequeño rodeado por una nube de electrones que equilibra la carga nuclear. Esta nube tiene un diámetro promedio de aproximadamente 10000 veces el del núcleo.

El núcleo en sí consiste en nucleones, que son protones y neutrones. Estos están unidos en el núcleo a través de la “fuerza nuclear fuerte”, que en la teoría elemental está mediada por piones; En la teoría más avanzada, está mediada por los quarks en los nucleones. Pero si le interesa la estructura de un átomo, la teoría elemental es más que adecuada.

Debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, ni los electrones individuales en la nube ni los nucleones en el núcleo tienen posiciones definidas. Incluso hay varias definiciones diferentes de ‘radio’ que uno debe usar para cada uno bajo diferentes problemas.

Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia ordinaria que tiene las propiedades de un elemento químico.
Cada átomo está compuesto por un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El núcleo está formado por uno o más protones y, por lo general, un número similar de neutrones (ninguno en hidrógeno-1). Los protones y los neutrones se llaman nucleones. Más del 99.94% de la masa del átomo está en el núcleo. Los protones tienen una carga eléctrica positiva, los electrones tienen una carga eléctrica negativa y los neutrones no tienen carga eléctrica. Si el número de protones y electrones es igual, ese átomo es eléctricamente neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones, entonces tiene una carga general negativa o positiva, respectivamente, y se llama ion.
En química y física atómica, una capa de electrones, o un nivel de energía principal, puede considerarse como una órbita seguida de electrones alrededor del núcleo de un átomo. La capa más cercana al núcleo se llama “capa 1” (también llamada “capa K”), seguida de la “capa 2” (o “capa L”), luego la “capa 3” (o “capa M”) , y así más y más lejos del núcleo. Los shells corresponden a los números cuánticos principales ( n = 1, 2, 3, 4 …) o están etiquetados alfabéticamente con letras usadas en la notación de rayos X (K, L, M, …).
Cada capa puede contener solo un número fijo de electrones: la primera capa puede contener hasta dos electrones, la segunda capa puede contener hasta ocho (2 + 6) electrones, la tercera capa puede contener hasta 18 (2 + 6 + 10 ) y así. La fórmula general es que la enésima capa puede en principio contener hasta 2 ( n 2) electrones. [1] Dado que los electrones son atraídos eléctricamente al núcleo, los electrones de un átomo generalmente ocuparán capas externas solo si las capas internas más ya tienen estado completamente lleno de otros electrones. Sin embargo, este no es un requisito estricto: los átomos pueden tener dos o incluso tres capas externas incompletas.

La ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo es el modelo “más reciente”, es decir, si se trata de la estructura electrónica (que es lo que cubre el modelo de Bohr). Ese sigue siendo el mejor modelo, especialmente después de incluir la relatividad (ver el trabajo de Pekka Pyykko).

Pero el hecho de que un modelo sea antiguo no significa que no sea útil. Aunque el modelo de Bohr no es terriblemente bueno, puede ser útil en algunos contextos cualitativos. Otros modelos de ese período de tiempo siguen siendo útiles (como el modelo de vinculación de Lewis, que está completamente reemplazado pero aún se usa como una abreviatura).

Quisiera señalar que la ecuación de Schrödinger también tiene casi un siglo de antigüedad.

Bueno, en el currículo escolar, el modelo sobre el que aprendemos cambia con el tiempo. En la escuela primaria, vemos el modelo de Rutherford, que es lo que mucha gente considera cierto, mientras que en realidad hay muchos problemas con él. Este es el modelo que se parece a esto:

También está el modelo de Bohr, que también se enseña más tarde en la escuela secundaria. Este es un modelo más complejo que formaliza diferentes niveles de energía (orbitales) y habla más sobre el espectro de emisión con los electrones que cambian los orbitales. Ahora sabemos más sobre la mecánica cuántica y ahora se acepta más que en esta definición del átomo, se produce el fenómeno cuántico. Esto significa que el estado del electrón es solo una probabilidad. Por ejemplo, la posición de un electrón no es definitiva. Hay diferentes probabilidades de que pueda estar en cualquier parte del universo. Esto se conoce como superposición de electrones. Debido a esto, sabemos que no hay orbitales fijos o capas en el átomo. Más de las propiedades del átomo se explican a través de otros principios y teoremas, como el Principio de incertidumbre de Heisenberg y las Ecuaciones de Schrödinger y Dirac. El principio de incertidumbre establece que no es posible conocer la velocidad y la posición de una partícula al mismo tiempo, solo una. Si nos referimos al electrón, podemos pensar en esto a través de la superposición y cómo se debe medir el electrón para encontrar una respuesta definitiva y deshacerse de las probabilidades. El Schrödinger relacionará el Hamiltoniano y la función de onda con una constante y la función de onda en términos más simples. Podemos usar esto para encontrar la energía de estas partículas en la mecánica cuántica y determinar el estado cuántico. La ecuación de Dirac es la misma, pero tiene en cuenta la relatividad especial. Hay muchas más teorías y ecuaciones que describen este modelo, pero este modelo cuántico es ampliamente aceptado como el modelo del átomo.

Cuando di una charla en la Universidad Técnica Checa (ver Enlaces relacionados en Comprender la física a través de la teoría cuántica de campos), mostré dos imágenes de un átomo. En uno, los electrones se mostraban como partículas en órbita; en el otro se mostraban como un campo, es decir, una condición del espacio alrededor del núcleo. (En mi analogía de color, uso el amarillo para indicar campos de electrones). Luego solicité un voto. Nadie votó por la imagen de partículas y cuatro personas (de 50) votaron por la imagen de campo. ¡El resto no lo sabía! ¿¿Puedes creerlo??
El hecho es que incluso los físicos están confundidos por la paradoja onda-partícula, mientras que la teoría de campo cuántico, que describe un mundo hecho de campos y solo campos, se pasa por alto y se olvida, a pesar del hecho de que resuelve las paradojas asociadas con la relatividad y la cuántica. Mecánica (incluida la dualidad onda-partícula). Además, QFT puede ser entendido por cualquier persona inteligente.
Algunas personas se han opuesto a que yo “vendara” mi libro sobre Quora, pero estoy en una misión, no para ganar dinero (lo cual no haré) sino para decirle al mundo sobre QFT. Entonces, si desea conocer la respuesta de QFT a la pregunta y por qué tiene más sentido que la explicación de QM, eche un vistazo a mi libro. No necesitarás ninguna matemática. Al menos lea el Capítulo 1, que cuenta toda la historia y está disponible de forma gratuita en el sitio web mencionado anteriormente.

La respuesta depende del significado de “estructura definida”. Si está buscando una geometría fija simple o un modelo mecanicista de átomos, la respuesta es claramente: no. Sin embargo, la física cuántica proporciona una estructura de átomos bien definida, compuesta de varias partículas subatómicas con (en su mayoría) propiedades bien conocidas. La dificultad radica en el hecho de que algunas de estas propiedades no se alinean bien con nuestra experiencia cotidiana ordinaria. Las propiedades probabilísticas de los átomos y las partículas subatómicas en particular tienen poca analogía en nuestro universo “normal”, excepto, quizás, el clima de hoy.

En lugar de una respuesta de una línea, aquí hay un volcado cerebral de cómo entiendo la estructura de la carcasa atómica desde los primeros principios.

Un electrón tiene propiedades intrínsecas de pequeña masa, carga negativa y espín. El giro puede ser hacia arriba o hacia abajo.

Los electrones existen en el espacio y el tiempo de acuerdo con los principios mecánicos de la teoría cuántica.

Tienen energía cinética positiva, pero el doble de energía potencial negativa causada por su atracción a una carga positiva de Coulombic de un núcleo. También tienen un momento angular cuando están en los átomos.

Cada electrón no presenta sus propiedades de manera localizada. En cambio, todas estas propiedades están presentes de manera coordinada, sobre una distribución en el espacio alrededor del núcleo, llamada orbital, no una órbita. Los orbitales tienen propiedades estadísticas como promedios y formas geométricas como esferas y mancuernas.

Los orbitales representan distribuciones de las propiedades de cada electrón, como la densidad de carga y un flujo o densidad de corriente. Aunque la energía cinética y potencial se distribuyen por separado, la energía total debe conservarse para cada orbital.

Cada orbital puede contener como máximo dos electrones de espín opuesto, las propiedades restantes de los pares son idénticas.

Aunque los orbitales se extienden sobre el mismo espacio físico, los electrones no se “ven” entre sí cuando están en orbitales diferentes, excepto que generan campos eléctricos y magnéticos que influyen ligeramente en otros orbitales.

Los orbitales están dispuestos en capas de diferentes niveles de energía, de modo que cada capa está más distante del núcleo. Sin embargo, las sucesivas separaciones de la carcasa se reducen de acuerdo con la fórmula 1 / (N2 * N2) – 1 / (N1 * N1) donde N se conoce como el número cuántico principal y simplemente toma los valores 1,2,3 … Esto significa al menos dos hechos básicos, que hay una capa de energía mínima en estado fundamental, y que en el extremo superior, la energía para eliminar un electrón es finita.
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El número cuántico principal está directamente relacionado con el momento angular del electrón, pero la energía de una capa de electrones es de interés primario.

Hay un número creciente de orbitales por capa a medida que el átomo crece en tamaño. Para átomos más pesados, es decir, más electrones, la energía de los orbitales ya no es rastreada por el momento angular o el número cuántico principal, para los electrones externos. En otras palabras, debido a las interacciones orbitales, la estructura de la cubierta comienza a descomponerse como un principio práctico de las energías progresivas.

Dentro de cada caparazón hay subcapas de orbitales. Estos son de interés directo para la química, especialmente los orbitales en la capa más externa, llamada capa de valencia, donde tienen lugar los intercambios químicos de electrones.

Los orbitales del subshell se nombran por el número cuántico principal y luego por una notación espectrográfica que va s, p, d, f.

La serie de hidrógeno va
1s
2s, 2px, 2py, 2pz
3s, 3px, 3py, 3pz, 3d (5 simetrías)
y así.

Los factores que afectan la estructura de la carcasa se pueden analizar de la siguiente manera:

• Los átomos más grandes también pueden tener efectos de contracción.
• La densidad interna de electrones puede proteger los electrones externos de la atracción nuclear
• Los orbitales en forma de Dumbell tienden a penetrar a través de formas esféricas internas para que el blindaje sea menos efectivo.

Espectrográficamente, el número principal causa la serie K, L, M de energía luminosa a partir de las transiciones de energía de los electrones. En elementos más pesados, las capas internas representan la energía de rayos X. Mucha fotoquímica corresponde al rango ultravioleta y, por supuesto, a la región visible de la capa de valencia de menor energía que los humanos han evolucionado para apreciar.

Una vista alternativa; Un átomo consta de dos partes, núcleo y electrones en órbita. Los núcleos están estructurados por secciones circulares (de diferentes circunferencias) formadas por deuterones (cada deuterón se cuenta actualmente como un protón + un neutrón) dispuestos uno al lado del otro alrededor de un eje central. Los núcleos de los átomos tienen forma tubular. Los electrones orbitan alrededor del núcleo, cada electrón en fase con su correspondiente deuterón en el núcleo. Por lo tanto, cada átomo se puede considerar como hecho de dos estructuras tubulares, formando una forma esférica oblonga, núcleo interno y envoltura electrónica externa. Los átomos muy pequeños pueden tener forma de disco, con dos anillos concéntricos. Para más detalles ver: Capítulo 13 de ‘MATERIA (reexaminada)’.

La estructura de un átomo se puede dividir en dos partes: el núcleo y la nube electrónica.

El núcleo está aproximadamente en el centro del átomo y está formado por dos partículas llamadas protones y neutrones, que están formadas por ciertas subpartículas llamadas quarks. Los protones y los neutrones son parte de un gran grupo de partículas llamadas hadrones (eso es lo que utiliza el Gran Colisionador de Hadrones en sus experimentos), y permanecen juntos gracias a la fuerza fuerte. La cantidad de protones y neutrones varía, dependiendo del elemento con el que estamos trabajando: el isótopo más común del calcio tiene 20 protones y 20 neutrones, mientras que el isótopo más común del uranio tiene 92 protones y 156 neutrones.

La nube electrónica es donde permanecen los electrones (a menos que haya algún tipo de reacción, pero esa es otra pregunta) que orbita alrededor del núcleo. En su mayor parte, es imposible saber dónde está cada electrón, exactamente, debido al Principio de incertidumbre de Heisenberg, pero tenemos una muy buena idea de la región donde están la mayor parte del tiempo, eso es lo que llamamos orbitales de electrones. En un átomo no ionizado, el número de electrones es el mismo que el de los protones, para asegurarse de que el átomo permanezca eléctricamente neutro.

El modelo de Bohr-Sommerfield no pudo cumplir con el principio de incertidumbre de Heisenberg ni pudo explicar los espectros de las especies de electrones múltiples. Además, la división de líneas espectrales en presencia de campos eléctricos y magnéticos fue ambigua. El postulado de de Broglie para la naturaleza dual de las partículas microscópicas fue un contraste con este modelo.

La última estructura atómica se basa en el modelo de mecánica cuántica de acuerdo con el principio de incertidumbre y la ecuación de onda de Schrodinger (cuya solución da los números cuánticos). Los números cuánticos definen todas las propiedades relacionadas con los electrones (o definen su dirección). La ecuación de onda define las coordenadas de los electrones en el espacio y su cuadrado define la probabilidad de encontrarlos.

El átomo es la materia más pequeña e indivisible que existe en el universo. Es extremadamente pequeño. El diámetro de un átomo es alrededor de un angstrom (Ie 10 ^ -10m). Un átomo consiste principalmente en un protón (que está presente en el núcleo) y un electrón que gira alrededor del núcleo a muy alta velocidad en capas de energía definidas.

Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia ordinaria que tiene las propiedades de un elemento químico. Everysolid, líquido, gas y plasma está compuesto de átomos neutros o ionizados. Los átomos son muy pequeños; Los tamaños típicos son de alrededor de 100 picómetros (una diez billonésima parte de un metro, en la escala corta).

Los átomos son lo suficientemente pequeños como para intentar predecir su comportamiento utilizando la física clásica, como si fueran bolas de billar, por ejemplo, da predicciones notablemente incorrectas debido a los efectos cuánticos. A través del desarrollo de la física, los modelos atómicos han incorporado principios cuánticos para explicar y predecir mejor el comportamiento.

Cada átomo está compuesto por un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El núcleo está formado por uno o más protones y, por lo general, un número similar de neutrones. Los protones y los neutrones se llaman nucleones. Más del 99.94% de la masa de un átomo está en el núcleo. Los protones tienen una carga eléctrica positiva, los electrones tienen una carga eléctrica negativa y los neutrones no tienen carga eléctrica. Si el número de protones y electrones es igual, ese átomo es eléctricamente neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones, entonces tiene una carga general negativa o positiva, respectivamente, y se llama ion.

Los electrones de un átomo son atraídos a los protones en un núcleo atómico por esta fuerza electromagnética. Los protones y los neutrones en el núcleo son atraídos entre sí por una fuerza diferente, la fuerza nuclear, que generalmente es más fuerte que la fuerza electromagnética que repele los protones cargados positivamente entre sí. Bajo ciertas circunstancias, la fuerza electromagnética repelente se vuelve más fuerte que la fuerza nuclear, y los nucleones pueden ser expulsados ​​del núcleo, dejando un elemento diferente: la desintegración nuclear resultante de la transmutación innuclear.

El número de protones en el núcleo define a qué elemento químico pertenece el átomo: por ejemplo, todos los copperatoms contienen 29 protones. El número de neutrones define el isótopo del elemento. El número de electrones influye en las propiedades magnéticas de un átomo. Los átomos pueden unirse a uno o más átomos por enlaces químicos para formar compuestos químicos como las moléculas. La capacidad de los átomos para asociarse y disociarse es responsable de la mayoría de los cambios físicos observados en la naturaleza y es el tema de la disciplina de la química.

Si se está refiriendo a una estructura 3 D (espacial) observada, aceptada por cristalógrafos, físicos teóricos, metalúrgicos o químicos, la respuesta es: No. No ahora, ni en los últimos 100 años. Linus Pauling hizo una investigación masiva hace muchos años y su conclusión fue que nunca podría ser una estructura 3D electromagnética, química o mecánica estable que satisfaga las características más obvias de la observación o la teoría.