Gracias por el A2A.
Definitivamente, esta no es mi área de especialización, es decir que conozco una buena cantidad de mecánica cuántica pero no he tomado química en los últimos 5 años, y que una vez que tomé química no sabía absolutamente nada sobre mecánica cuántica.
Sin embargo, también es divertido mirar hacia atrás y tratar de reconstruir lo que significan estos conceptos con el fondo apropiado en cuanto, así que le daré una puñalada.
- ¿No podemos olvidarnos de los electrones, protones y neutrones y usar sus descripciones basadas en partones?
- ¿Cuántos núcleos hay en un átomo?
- ¿Qué sucederá si los electrones en un átomo dejan de girar?
- ¿Cuál fue el modelo de pudín de ciruela del átomo?
- Cómo dibujar adecuadamente un estado fundamental y un átomo de estado excitado
Primero quiero decir que la respuesta de Siddharth me parece bastante exhaustiva (recuerden, esta no es mi área de especialización). En su mayoría, volveré a exponer y ampliaré ligeramente algunos de los puntos que señala en su explicación “no intuitiva”.
Entonces, el primer lugar para comenzar es el hidrógeno, que en cierto sentido es el “modelo” para los espectros de energía atómica. Esto se debe a que es el átomo más simple posible: solo un electrón y un protón. En consecuencia, también es el único sistema atómico que los físicos sabemos cómo resolver exactamente (que yo sepa). E incluso esa solución requiere una buena cantidad de trabajo. Cuando comienzas a hacer preguntas sobre átomos más complicados, estás más o menos obligado a recurrir a métodos aproximados, a menudo recurriendo a una computadora para obtener una respuesta.
Entonces, ¿cómo funciona el hidrógeno? Bueno, sin profundizar demasiado, hay muchas energías en las que puede estar el sistema, pero, y esta es la parte cuántica, son energías muy específicas. El hidrógeno no puede simplemente tener energía. Solo se permite estar en un estado en el que se vea su energía
[matemática] E_n = \ frac {-13.6 \ matemática {eV}} {n ^ 2} [/ matemática]
donde [math] n [/ math] es un número entero positivo. El estado fundamental es aquel cuando [matemática] n = 1 [/ matemática], y en consecuencia tiene energía -13.6eV. El espectro de energía se parece a esto:
El punto es que hay un espectro de energía muy reconocible que corresponde a un átomo con un solo electrón y un núcleo que consiste en un solo protón: a ese átomo lo llamamos hidrógeno.
El problema es que, debido a un efecto llamado “blindaje de electrones” (que explicaré heurísticamente en un momento), resulta que un montón de átomos tienen espectros que se parecen bastante al hidrógeno. Es decir, se comportan como si fueran tan simples como el hidrógeno … solo un solo electrón y un solo protón. Estos átomos (me disculpo por ser flojo aquí, debería decir que los elementos , que son sustancias que están compuestas completamente de un solo tipo de átomo) son los metales alcalinos.
“Blindaje de electrones” es el nombre dado al efecto por el cual los electrones en los orbitales “llenos” “se ven” como otra parte del núcleo a los electrones de valencia : aquellos electrones que no están en los orbitales llenos. [1] Los metales alcalinos son especiales porque solo tienen un electrón de valencia. Recuerde que los átomos son eléctricamente neutros, por lo que hay tantos electrones como protones en el núcleo. Lo que sucede es que todos menos un electrón, todos los que están en capas llenas, se ven como otra parte del núcleo del electrón de valencia, y su carga negativa “cancela” las cargas positivas de todos menos un protón. Entonces, en cierto sentido, acabamos de volver al punto de partida con Hidrógeno: un protón que no ha sido “cancelado” y un electrón que está disponible para excitarse enérgicamente y producir ese espectro que tenemos tan cerca y querido.
La cuestión es que formulé muchos argumentos aproximados deslucidos en ese último párrafo y, como era de esperar, no siempre se sostienen. Los espectros de algunos metales alcalinos (supongo) se parecen bastante al hidrógeno. Pero es probable que haya ciertas formas en que nuestro modelo simplificado se descomponga. No los entiendo en detalle, pero tienen que estar allí. Damos un nombre a estas situaciones, llamado “defecto cuántico”, que, según deduzco de la respuesta de Siddharth, es simplemente una medida de cuánto difiere un espectro de elementos de un hidrógeno.
Espero que esto ayude.
[1] El uso excesivo de citas aquí es obligatorio por el hecho de que casi todo lo que digo es una explicación heurística y no está respaldado por ecuaciones reales (estoy seguro de que hay formas rigurosas de justificar estas declaraciones; simplemente No sé nada de ellos. No es mi área de especialización).
