¿Cómo es que algunos átomos terminan siendo inestables?

El núcleo de un átomo es una carga positiva, un electrón es una carga negativa. Las cargas positivas atraen cargas negativas como resultado de las fuerzas eléctricas entre ellas. Esta atracción hace que los electrones orbiten núcleos de acuerdo con la física clásica. Pero las órbitas de electrones son inestables en la física clásica. Las cargas ejercen fuerzas sobre otras cargas y esas fuerzas se describen por campos. El campo le indica cuál sería la fuerza sobre una carga si la carga estuviera en una posición particular. Un campo eléctrico describe las fuerzas sobre una carga estática de otra carga estática. Un campo magnético es básicamente el campo eléctrico producido por una carga que se mueve a velocidad constante. Los campos eléctricos y magnéticos están tan estrechamente relacionados que a menudo se describen en términos de un solo campo llamado campo electromagnético. Una carga de aceleración produce ondas en el campo electromagnético, ya que el campo tiene que hacer una transición entre sus componentes eléctricos y magnéticos y viceversa. Esas ondas llevan la energía de la carga acelerada. Un electrón en órbita es una carga de aceleración, por lo que este mecanismo hace que pierda energía y caiga en espiral hacia el núcleo. Esto sucede en muy poco tiempo, alrededor de

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Un electrón acelera cuando está en órbita

El núcleo de un átomo es una carga positiva, un electrón es una carga negativa. Las cargas positivas atraen cargas negativas como resultado de las fuerzas eléctricas entre ellas. Esta atracción hace que los electrones orbiten núcleos de acuerdo con la física clásica.

Un electrón es un electrón que orbita un núcleo está cambiando de dirección en cada punto de su órbita, como se ilustra en la Figura 1:

Figura 1 – Un objeto en una órbita circular está acelerando en cada punto de la órbita. Lo mismo sería cierto para una órbita elíptica.

Como resultado, su velocidad está cambiando: está acelerando. Se irradia una carga acelerada, por lo que el electrón pierde energía al irradiar. Como el electrón está perdiendo energía, cae en el núcleo. Se podría pensar que el electrón podría perder energía sin caer en el núcleo. Un automóvil pierde energía en forma de combustible almacenado cuando lo conduce, pero como resultado no solo cae en una zanja. Pero un electrón no almacena combustible. Toda su energía está ligada a su movimiento, ya que no tiene otro lugar para almacenarla. Entonces, cuando el electrón pierde energía, pierde velocidad y, como resultado, cae hacia el núcleo.

¿Por qué irradia una carga acelerada? Para entender eso, tenemos que saber algunas cosas sobre cargas en movimiento, campos y fuerzas.

Fuerzas y campos

Una fuerza es cualquier influencia en un sistema físico que puede hacer que se acelere o desacelere: la primera ley de movimiento de Newton. El tamaño de la fuerza sobre un objeto es la masa del objeto multiplicada por la aceleración producida por la fuerza: la segunda ley de movimiento de Newton. Si el sistema físico 1 ejerce una fuerza sobre el sistema 2, entonces el sistema 2 ejerce la misma cantidad de fuerza sobre el sistema 1: la tercera ley de movimiento de Newton.

El núcleo ejerce una fuerza sobre el electrón antes de que entre en contacto con el electrón. Como resultado, en cada punto del espacio hay un vector que describe las fuerzas que experimentaría un electrón si estuviera en ese punto. Una partícula con una carga diferente experimentaría una fuerza diferente. La fuerza eléctrica depende linealmente de la carga. Por lo tanto, es útil definir un vector en cada punto del espacio que no dependa del tamaño de la carga del electrón que pueda usarse para ayudar a describir las fuerzas en una partícula sin dar una carga por adelantado. El campo eléctrico es una cantidad de valor vectorial definida en cada punto que proporciona la fuerza aplicada sobre una partícula cargada en ese punto debido a otras cargas estáticas.

Si tuviera un objeto cargado mucho más grande que un electrón, el campo podría ser diferente en diferentes partes del objeto. Como resultado, diferentes partes del objeto experimentarían diferentes cantidades de fuerza. Entonces, los objetos más grandes introducen complicaciones adicionales al tratar de entender lo que está sucediendo. Es más útil para esta discusión considerar objetos que son tan pequeños que el cambio en el campo sobre esos objetos es tan pequeño que produce fuerzas internas insignificantes: tales objetos se llaman cargas puntuales.

Puedes pensar en el campo eléctrico de una partícula en términos de líneas de campo. Las líneas de campo son una representación de la imagen del campo. Las líneas de campo tienen flechas en ellas. Las flechas apuntan en la dirección en que se movería una carga positiva en ese campo. Más líneas por unidad de área significa más fuerza.

Una carga puntual tendrá líneas de campo que salgan de manera uniforme en todas las direcciones. Entonces, una carga positiva puntual se vería así (figura 2):

Figura 2 – Líneas de campo eléctrico de una carga estacionaria.

Una carga positiva se movería hacia una carga negativa. Entonces, una carga negativa puntual tendría un diagrama similar con las líneas apuntando hacia él.

Cargos de mudanza

¿Qué pasa con una carga móvil? Las líneas de campo en la dirección del movimiento de la carga se reducirían en esa dirección. Por qué los objetos se encogen en la dirección de su movimiento se explica por la relatividad especial. Como resultado, las líneas de campo se acortan paralelamente al movimiento de la carga, pero no en ángulo recto. Entonces, todas las líneas de campo que no son perfectamente paralelas a la dirección de movimiento de la partícula cambian su pendiente, por lo que apuntan en un ángulo más pronunciado a la dirección de movimiento (figura 3):

Figura 3 – Líneas de campo de una carga que se mueve a una velocidad constante.

Entonces, es como si hubiera más carga en ángulo recto con respecto a la dirección de movimiento de la carga. Entonces, el campo en ángulo recto con la carga se hace más grande.

Hay un tema más que entender antes de que pueda explicar por qué se irradian las cargas aceleradas: la relación entre la electricidad y el magnetismo. Los imanes ejercen una fuerza sobre las partículas cargadas como los electrones. Este efecto se utilizó en televisores hasta hace unos 5-10 años. El interior de la pantalla del televisor estaba cubierto de píxeles que incluían materiales que brillaban con diferentes colores cuando eran bombardeados con electrones. El televisor produciría un haz de electrones y lo movería hacia adelante y hacia atrás a través de esa pantalla para producir imágenes en rápida sucesión. El camino de los electrones estaba controlado por un imán que desviaba el haz al lugar apropiado en la pantalla. Las fuerzas magnéticas sobre una partícula dependen de la velocidad y carga de la partícula. En cualquier punto dado en el espacio, hay un vector que podría combinarse con la carga y la velocidad de una carga puntual en ese punto para dar la fuerza magnética sobre esa carga puntual: este vector se llama campo magnético.

Los campos eléctricos cambiantes dan lugar a campos magnéticos y viceversa. Puede ver este efecto en acción en algunos desguaces donde las personas usan grúas con electroimanes. Estas grúas tienen un trozo de hierro con cables enrollados a su alrededor en un patrón circular, así:

Esta disposición produce un campo magnético que atraviesa las curvas de la bobina. ¿Cómo producen las cargas móviles en el cable un campo magnético?

Considere un cable con corriente que lo atraviesa. Los electrones en el cable se mueven y los núcleos de los átomos en el cable no. Como se observó con la carga en movimiento en la imagen de arriba, esto les da a los electrones un campo más grande en ángulo recto con respecto a su movimiento. Ese campo parece un campo magnético a una carga fuera del cable. Las líneas del campo magnético están en ángulo recto con la línea entre el cable y el punto donde se calcula el campo. Como resultado, hay un campo dentro de la bobina que apunta a través de la bobina. Entonces los campos magnéticos son el resultado de cargas móviles.

Si una carga se está moviendo es solo una cuestión de su velocidad en relación con la carga. Entonces, un campo eléctrico también es lo mismo que un campo magnético en movimiento. Dado que los campos eléctricos y magnéticos están tan estrechamente relacionados, generalmente se consideran aspectos de un solo campo llamado campo electromagnético.

Tal vez piense que los imanes permanentes no necesitan electricidad para funcionar. En los imanes permanentes, el campo magnético se produce girando electrones cuyos espines están alineados entre sí. Entonces, el campo magnético en tales imanes es producido por el movimiento de las cargas.

Cargas aceleradas

Ahora podemos volver a explicar por qué irradian cargas aceleradas. Una onda electromagnética es un patrón de cambios en los campos eléctricos y magnéticos que pueden moverse. Entonces, si una carga acelerada genera campos eléctricos y magnéticos cambiantes, entonces se irradia.

Las leyes de la física no cambian a diferentes velocidades: un aumento de 0 a 5 o de 5000 a 5100 sigue las mismas leyes. Para que pueda entender lo que está sucediendo considerando la situación en la que la carga comienza a estar estacionaria y luego comienza a moverse.

La carga comienza con líneas de campo como las de la figura 1, luego las líneas cambian para parecerse a las líneas de campo de la figura 2. Esto sucede a una velocidad finita para que las líneas de campo más alejadas de la carga se vean como las de la figura 1. Las líneas más cercanas a la carga se parecen a las de la figura 2. Entre esos dos conjuntos de líneas tiene que haber una transición en la que las líneas cambien, como se ilustra en la figura 4:

Figura 4 – Una ilustración de la transición en líneas de campo en una carga acelerada.

El círculo está allí para ilustrar la simetría esférica de las líneas de campo más alejadas de la carga. Esta transición produce campos electromagnéticos cambiantes que se extienden con el tiempo, es decir, radiación. Más generalmente, una carga acelerada hace que los componentes del campo pasen de ser eléctricos a ser magnéticos y viceversa. Estos cambios producen patrones en el campo electromagnético que se alejan de la carga de aceleración: la carga irradia.

Como un electrón es una carga acelerada, irradia. Esta radiación hace que el electrón pierda energía y caiga en el núcleo de un átomo en la física clásica. Como resultado, los átomos son inestables en la física clásica. Como los campos electromagnéticos son fuertes, la órbita del electrón se desintegraría rápidamente en un momento del orden

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Los núcleos se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte, que, como habrás adivinado, es muy fuerte. Sin embargo, también actúa en distancias muy cortas. Cuando un núcleo es muy grande (en términos comparativos), los nucleones cerca de la superficie no están tan fuertemente unidos porque tienen menos vecinos para retenerlos, y mientras tanto se necesita más fuerza para mantenerlos alejados de la creciente amenaza de los electrones.

Es una analogía un poco débil, pero piense en tratar de hacer que un grupo de personas se muevan al unísono mientras permanecen en un grupo muy ajustado. Es bastante fácil con dos o tres personas, pero cuando tienes un grupo de docenas de cientos, se vuelve muy difícil mantenerlos a todos juntos, y eventualmente todo se rompe.

La fisión se reduce a los antiprotones mal contenidos. La desintegración beta se debe al estrés / distorsión orbital relacionada con la densidad de flujo relativista. La desintegración alfa es simplemente un desprendimiento de módulos de fusión. Lo siento, olvidé que el núcleo es solo un grupo aleatorio. Consulte Random Clump Theoy.