¿Cuál es la ubicación de las partículas subatómicas?

La respuesta a esta pregunta aparentemente directa puede ser sorprendente. Dejame explicar:

Un átomo consiste en un núcleo con carga positiva y electrones con carga negativa que se atraen entre sí. Lo más fácil es imaginar el núcleo ubicado en el centro (escribiré un poco sobre el núcleo más adelante) del átomo.

Ahora, con cierto esfuerzo, es posible calcular con bastante precisión con qué probabilidad se puede encontrar un electrón en una posición particular en relación con la posición del núcleo. Esta probabilidad es mayor cerca del núcleo y decae exponencialmente hacia cero al aumentar la distancia al núcleo. La probabilidad de encontrar el electrón en cualquier lugar dentro de 0.25 Å (hidrógeno) – 2.6 (cesio) Å del núcleo es cercana a uno, es decir, es casi seguro (1 Å = 1e − 10 m).

Sin embargo, escribí que la probabilidad decae exponencialmente hacia cero pero nunca alcanza ese valor. ¡En cualquier posición en el universo, la probabilidad es mayor que cero y eso significa que el electrón podría teóricamente estar ubicado en cualquier parte del universo! Y esto es cierto para todos los electrones en el universo. En otras palabras, cada electrón que es parte de un átomo, o cualquier electrón para el caso, en el universo podría ubicarse técnicamente en cualquier lugar del universo. Sin embargo, en la práctica, estas probabilidades son tan pequeñas en cualquier lugar más allá, digamos 3 Å del núcleo, que pueden descuidarse fácilmente.

Ahora el electrón no está ubicado en una posición particular y eso es consecuencia de la mecánica cuántica. Es mejor imaginar el electrón como una onda en la superficie de un estanque que tampoco puede ubicarse en una sola posición. Sin embargo, cuando mido la posición del electrón, la encontraré en una posición particular. La medición inevitablemente colapsa la onda que describe el electrón. El electrón ahora está localizado en un punto particular en el espacio y se comporta más como una partícula, en lugar de una onda. Por cierto, ocupará solo un punto en el espacio porque es una partícula puntual, es decir, es de dimensión cero. Por lo tanto, cada intento exitoso de localizar el electrón cambiará su carácter fundamentalmente en el momento de la medición y, por lo tanto, también cambiará el comportamiento de todo el átomo. Si todo esto suena muy raro, no te preocupes. Tampoco los físicos que estudian esto realmente lo entienden más allá de una descripción matemática del fenómeno (palabra clave: colapso de la función de onda).

El núcleo atómico es mucho más pequeño en comparación con un radio atómico típico. El radio del átomo se puede definir como la distancia desde el núcleo más allá del cual la probabilidad de electrones cae por debajo de un cierto umbral. El tamaño del núcleo es de aproximadamente 1.5 – 15 1e-15 m. El núcleo consta de protones cargados positivamente y neutrones neutros. Los protones y los neutrones consisten en tres quarks cada uno. Estos quarks finalmente son también partículas puntuales que están confinadas al espacio dentro del núcleo pero que, por lo demás, también se describen con distribuciones de probabilidad en el espacio como los electrones.

Entonces, en general, los átomos consisten principalmente en electrones y quarks (descuidando a los piones y otros) que son todas partículas puntuales y que todas tienen ciertas probabilidades pero no tienen certeza de estar en algún lugar dentro del átomo hasta que se midan sus posiciones. Y estas medidas cambian fundamentalmente el carácter de la partícula de partículas onduladas a partículas localizadas.