¿Cómo es que un electrón en un átomo siempre gira sin perder energía?

No eres la primera persona en hacer esta pregunta. La primera persona en hacer esta pregunta fue este tipo:

Se llamaba Niels Bohr. En 1911, el modelo popular del átomo, debido a los experimentos de Ernest Rutherford, era el “modelo planetario” de electrones con carga negativa que orbitan alrededor de un núcleo con carga positiva. Ese sigue siendo el modelo popular del átomo, como lo muestra este popular esquema.

Pero Bohr señaló que una carga negativa en órbita circular liberaría radiación electromagnética, perdiendo energía y eventualmente impactando el núcleo. Esto no sucedió, por lo que Bohr propuso que había órbitas fijas y estables sobre el núcleo donde el electrón no arrojaba energía: esto es lo que se conoce como los “orbitales del electrón”. Cuando un electrón absorbe energía, saltaría a un orbital más alto (el “salto cuántico” original); cuando perdía energía, caería a un orbital más bajo, pero nunca podría caer más bajo que el orbital más bajo (el “estado fundamental”). Una comprensión completa solo llegó con el trabajo posterior de Fermi, quien explicó que había un número fijo de electrones en cualquier estado, y Linus Pauling, quien se basó en el trabajo de Fermi para desarrollar nuestra comprensión moderna de los orbitales del electrón, y explicó todo de química sobre esa base.

Esta pregunta solía ser muy confusa para mí cuando estudié el experimento de dispersión de Rutherford, el modelo atómico de Bohr y la teoría EM de Maxwell. La respuesta más simple y la falla en la teoría de Rutherford a esta pregunta regida por la teoría de Maxwell de que cualquier partícula cargada que acelere u oscile produciría una onda EM y posteriormente perderá energía (y recuerde que una partícula que hace incluso un movimiento circular uniforme es actuada por la fuerza centrípeta hacia el centro en cualquier forma como fuerza EM, tensión, fuerza gravitacional, etc.). Pero Niels Bohr simplemente declaró sobre órbitas fijas y estacionarias en las que los electrones giran alrededor del núcleo sin perder energía (pero según la teoría de Maxwell está mal) y la mayoría de los estudiosos, incluso los libros escolares, también confían en él.

La respuesta correcta a la pregunta es que los electrones se comportan como ondas que exhiben Wave Nature y existen como ondas estacionarias

lo que significa que no libera energía todo el tiempo

pero cuando libera energía en forma de fotón (EM Wave), en ese momento funciona como una partícula y también cuando absorbe energía para cambiar su estado cuántico, entonces también actúa como una partícula. Esto es simplemente la belleza de la naturaleza y el “Comportamiento dual de la materia” , según Louis De Broglie.

Resumen: los electrones se comportan como ondas cuando giran alrededor del núcleo sin liberar energía, pero se comportan como partículas cuando interactúan con el fotón o cualquier otra partícula.

Hay una suposición oculta en su pregunta: que cualquier cosa que tenga energía la perderá “naturalmente”. Esa suposición es muy natural, ya que todo lo que observamos parece hacer eso. Curiosamente resulta que no es el caso. Una mejor suposición es que cualquier cosa que tenga energía la mantendrá naturalmente a menos que interactúe con otra cosa e intercambie energía con ella. ¡Los electrones giratorios no son tan extraños como los gases! Las moléculas en el aire se mueven a aproximadamente 400 mi / h todo el tiempo. ¿Por qué no disminuyen la velocidad?

El hecho de que las cosas parecen perder energía se debe a la segunda ley de la termodinámica: en un sistema de interacción complejo, la energía tiende a fluctuar entre todos los lugares en los que puede estar y, en promedio, se comparte por igual. Esto significa que las cosas calientes se enfrían y las cosas frías se calientan. Pero una vez que llegan a la misma temperatura, no pierden más energía a menos que haya otros lugares para ponerla (cosas más frías cerca).

Por lo tanto, no deberíamos esperar que un electrón giratorio se desacelere. Un objeto giratorio seguirá girando si nada más interactúa con él. Esto es incluso cierto en el nivel macro. Un giroscopio con muy buenos cojinetes casi sin fricción en una caja de vacío girará durante mucho tiempo sin disminuir la velocidad (meses). Y cuanto más pueda eliminar el aire y la fricción, más tiempo girará, lo que sugiere que si no hubiera aire o fricción (como en el caso de un electrón), giraría para siempre.

Otro factor es que “giro de electrones” es solo un nombre conveniente. No debe entenderse que queremos decir que pensamos que el electrón está girando realmente. Dado que, por lo que podemos decir ahora, el electrón es básicamente un punto sin tamaño, ¿qué significaría que “gire”? No hay forma de poner una marca en la superficie de un electrón y verlo girar. Un “giro” de electrones es solo una propiedad básica del electrón (como lo es de un quark o fotón). Lo llamamos giro porque se suma al momento angular (giro real) y solo se conserva el total de los dos.

También podría preguntar: “Dado que la masa y la energía son lo mismo (es decir, intercambiables), ¿por qué el electrón no pierde masa?”. La misma razón que el giro. Hasta donde sabemos, la masa / energía del electrón es una propiedad básica del electrón y la energía se conserva, por lo que no hay lugar para que esa energía vaya (a menos que el electrón interactúe con otras partículas). (Y parece haber leyes de conservación del recuento del número total de electrones y quarks).