¿Cómo sabemos que los electrones están orbitando alrededor del átomo?

No sabemos si lo son. De hecho, sabemos que no lo son.

No están orbitando en ningún sentido, como en la órbita de los planetas. Las ideas de que duraron solo un par de años atrás, hace unos cien años.

Sabemos que el átomo tiene un núcleo denso y pesado rodeado por un volumen mucho más difuso. Sabemos esto por arrojarles partículas y ver cómo rebotan. También sabemos cómo se empacan, como en cristales.

Sabemos que las cosas que están en ese volumen más difuso se pueden eliminar, y esas cosas tienen una sola carga negativa cada una. Es fácil eliminarlos. Incluso puedes frotarlos con herramientas tan primitivas como un pedazo de plástico o vidrio y un gato. O zapatos en la alfombra. Incluso podemos hervirlos, más o menos, calentando un poco de alambre, que es como funciona un tubo de vacío.

Llamamos a estas cosas un electrón. Sin embargo, como señaló Richard Feynman, el electrón es realmente una teoría. Prefiero el término “modelo”. Es una idea que explica el comportamiento observado.

Entonces, si los electrones tienen una carga negativa, y el núcleo tiene una carga positiva, y las cargas opuestas se atraen, ¿por qué el electrón simplemente no cae al núcleo y se sienta allí? La idea de que de alguna manera estaban en órbita, como mencioné, solo duró unos pocos años.

El pensamiento que ha durado un siglo es el siguiente. Existe un límite en la precisión con la que la posición y el movimiento de una partícula pueden ocurrir juntos. Es una relación simple, pero te ahorraré las matemáticas. El electrón no puede simplemente caer al núcleo y sentarse allí, porque entonces estaría en una ubicación precisa y no se movería. Entonces, los electrones ocupan un volumen mucho más grande que el núcleo como una especie de promedio que les da algún tipo de ubicación y algún tipo de movimiento, pero es mucho más grande que el núcleo, por lo que está en el exterior.

Esta limitación, llamada Principio de incertidumbre, depende de la masa. Los electrones son más ligeros que las partículas en el núcleo, aproximadamente 2000 veces más ligeros, por lo que el volumen que deben ocupar es mucho mayor. Los protones y neutrones más pesados ​​pueden estar en un volumen mucho más pequeño. El principio de incertidumbre también se aplica a ellos, pero en un volumen más pequeño.

Los lugares donde pueden estar los electrones, los llamamos, confusamente, “orbitales”. Hay otras limitaciones Dos electrones pueden ocupar el mismo volumen, pero solo si tienen giros opuestos. Una vez que hay dos, ya no hay espacio para más, por lo que otros electrones tienen que ir a otros volúmenes.

Aún más confuso, los orbitales son conjuntos de estos volúmenes, que a veces se denominan subcapas.

Las subcapas forman estas formas aparentemente extrañas:

(Acabo de pasar esa foto de la web, así que no puedo tomar el crédito por ella. Una vez hice una foto de algunos cálculos, pero ya no la tengo, y no hice nada cerca de eso. )

Aunque se ven raros, en realidad son como el gong se mueve de varias maneras cuando lo golpeas. Entonces, si pones un poco de arena en un gong horizontal y lo golpeas, verás secciones transversales de formas como esta.

Serían exactamente iguales si tuvieras un gong tridimensional en lugar de uno plano. Piense en una gota esférica de gelatina, tal vez, y en las formas en que podría tambalearse con ondas estacionarias en la gelatina.

Cuando llegas a moléculas en lugar de átomos individuales, se vuelve mucho más complicado. Con los metales, por ejemplo, los electrones no cuelgan alrededor de un núcleo, sino que se acumulan alrededor de todos los núcleos. Esto se llama estructura de banda. Es lo que hace que los metales sean tan buenos para conducir electricidad, y también explica la alta capacidad calorífica de los metales, y también explica por qué son opacos, incluso si son muy delgados.

Un pequeño extra. Algunas personas tuvieron la idea de que tal vez cada átomo era un sistema solar en miniatura. Y que nuestro propio sistema solar era solo un átomo en un universo superior.

Como dijo Eric Pepke, la idea de que los electrones realmente orbitaran no duró mucho. También en ese modelo había dos por órbita, lo que hasta ahora se desconoce para los planetas (creo que algunas lunas tienen esta configuración).

La idea se usó en las historias de SF durante mucho tiempo después de eso, como sucede.