¿Por qué la configuración del sol y sus planetas es tan similar al átomo con sus electrones girando a su alrededor?

No lo es

Todo lo que aprendiste en la escuela primaria de Física no es cierto.

Hasta donde yo sé, ahora se acepta un modelo refinado de Sommerfield. (El modelo real de Bohr-Sommerfield tenía ciertos inconvenientes)

Debe comprender que los electrones no son masas circulares que giran alrededor de una bola central de protones. Es un modelo anticuado y no puede explicar el fenómeno microscópico del átomo.

Para profundizar, necesitamos entender que, al ser objetos microscópicos, los electrones muestran una cantidad significativa de dualidad de partículas de onda, y uno de los pocos modelos que puede predecir su naturaleza es la ecuación de Schrödinger

Tan pronto como estos conceptos entren en el campo, el modelo atómico deja de ser una “bola” de electrones que gira alrededor de un núcleo como (erróneamente) le fue enseñado.

Los electrones no giran alrededor del núcleo. De hecho, ni siquiera sabemos dónde está el electrón. Cualquier modelo que resuelva eficazmente las ecuaciones independientes y dependientes del tiempo de Schrodinger nos da alguna probabilidad de dónde podría estar presente la onda de electrones. Existe esta probabilidad y luego hay un nivel de energía de una onda de electrones. En función de la función de probabilidad, tenemos formas orbitales, la ronda s, la campana tonta p, la d, la f, y tenemos niveles basados ​​en la energía. Hay una alta probabilidad de encontrar ondas de electrones en estos orbitales.

Ejemplo: 1s. El nivel de energía indica que es la onda electrónica de energía más baja. ‘s’ indica que existe este espacio esférico donde hay una alta probabilidad de que la onda de electrones estante esté presente.

NB: esto está extremadamente simplificado

Si bien estoy de acuerdo con la mayoría de las otras respuestas a esta pregunta de que existen diferencias muy significativas entre los sistemas astronómicos y atómicos, debido principalmente a la importancia de considerar el comportamiento ondulatorio de los electrones, creo que hay una similitud muy importante que se ha dejado de lado.

Tanto los electrones en un átomo como los planetas en un sistema solar experimentan una fuerza de potencial cuadrática inversa casi perfecta. Esto tiene implicaciones profundamente importantes para el comportamiento de los electrones y los planetas, y es en gran medida lo que impulsa la comparación en primer lugar.

Los potenciales cuadrados inversos pertenecen a una pequeña familia que posee “órbitas cerradas” no circulares, trayectorias en las que una sola rotación alrededor del centro de fuerza (sol o núcleo) devuelve al orbitador a su misma ubicación. Además, cualquier trayectoria * limitada * en un potencial cuadrado inverso se requiere para cerrarse sobre sí misma. Esto es lo que permite que exista el concepto de “órbita” u “orbital” en primer lugar. En la mayoría de los otros tipos de potenciales, la mayoría de los “estados unidos” serán curvas extremadamente complejas que no se cierran sobre sí mismas y de hecho pueden llenar la mayor parte del espacio dentro de cierto radio, haciendo que el concepto de “una órbita” sea en gran medida inútil . Más formalmente, esto se cuantifica diciendo que solo en el potencial cuadrado inverso es el vector de Laplace-Runge-Lenz una constante de movimiento: vector de Laplace-Runge-Lenz – Wikipedia

Cuando se tienen en cuenta los efectos relativistas, ni los planetas ni los electrones ven un potencial cuadrado inverso perfecto, y las órbitas “precesan” en una roseta. Sin embargo, esto sucede con la lentitud suficiente para que las órbitas se puedan imaginar como “casi cerradas”, por lo que los orbitales siguen siendo un concepto aproximado útil.

En realidad no lo es. La estructura primitiva del átomo al que se refiere es aquella en la que el núcleo forma el centro y los electrones se mueven en círculos concéntricos a su alrededor.

Inicialmente, esto fue propuesto por Neils Bohr. Este modelo ya no se sigue ya que la mecánica cuántica nos ha enseñado que es imposible determinar la estructura exacta del átomo. Tenemos mucho conocimiento de cómo se comportan los átomos en ciertas circunstancias, pero no la estructura exacta.

Mientras que cuando se trata de nuestro sistema solar, por la ley del movimiento planetario de Kepler, sabemos que todos los planetas se mueven a lo largo de una elipse, con el sol en un foco. Algo como esto

Fue el conocimiento del sistema solar y la atracción gravitacional que hace que los planetas orbiten el Sol lo que les dio a los primeros físicos nucleares la idea de que estas cosas llamadas electrones deben orbitar el núcleo. Los experimentos mostraron muchos fenómenos relacionados que mostraron que el núcleo era denso y que los electrones no se encontraban fácilmente a cierta distancia del núcleo. Entonces, sabiendo que los electrones podrían moverse muy rápido, el sentido común les dijo que el electrón debe ser una ayuda para el núcleo y ser parte del átomo porque estaba en órbita. Tienen un buen modelo macro para eso en los planetas que orbitan alrededor del Sol. Y eso pareció durante mucho tiempo como un buen modelo para el átomo.

Sin embargo, espero que se den cuenta de que hoy ese modelo ya no es aceptado. Los físicos de hoy saben que el electrón es realmente una función de onda y que existe en áreas probabilísticas definidas alrededor del núcleo. No orbita. No puede predecir y orbitar un electrón, de hecho, no puede saber con precisión dónde está un electrón alrededor del núcleo. Este es un nuevo modelo del átomo definido por la física cuántica.

Entonces, el modelo similar a los planetas que orbitan alrededor del Sol está desactualizado y la imagen que se ha incrustado en las mentes de las personas ha sido solo una imagen durante un par de décadas. No hay órbita para los electrones.

Porque ambos involucran objetos en órbita. Sin embargo, lo que mucha gente no sabe es que este modelo del átomo es insostenible y debe ser reemplazado por la imagen de la teoría cuántica de campos, en la que los electrones son campos que rodean el núcleo. Si desea saber más sobre QFT, sin tener que lidiar con las matemáticas, lea el Capítulo 10 de mi libro (haga clic aquí). Ahora aquí hay un extracto de mi libro que muestra por qué la imagen orbital es insostenible.

Una órbita, ya sea la de un electrón alrededor de un núcleo o la luna alrededor de la Tierra, es el resultado de un equilibrio entre la tendencia a seguir moviéndose en línea recta (inercia) y una fuerza atractiva que empuja el objeto hacia adentro. En el átomo de Rutherford, la fuerza de atracción es eléctrica, creada por el núcleo cargado positivamente. Esta imagen pronto tuvo dificultades.

Estabilidad El primer problema fue la estabilidad de las órbitas. Según las ecuaciones de Maxwell, un electrón que se mueve en una órbita irradia energía en forma de ondas EM. A medida que pierde energía, se acercará al núcleo, así como una nave espacial en órbita dispara retrocohetes cuando regresa a la Tierra. Vimos un ejemplo gravitacional de esto en el Capítulo 2, en el que dos estrellas se movían en espiral hacia adentro debido a la energía perdida por la radiación gravitacional. Por lo tanto, la energía perdida por la radiación EM de un electrón en órbita debería hacer que gire en espiral hacia adentro y finalmente se estrelle contra el núcleo. Pero esto no sucede.

Conclusión: los electrones no pueden ser partículas en órbita.

Radiación discreta . El segundo problema fue la discreción de la radiación EM, demostrada por Planck y Einstein. No hace falta ser un genio (¿o sí?) Para ver que si la luz se emite y se absorbe en cantidades discretas, los átomos que emiten y absorben deben cambiar su energía en cantidades discretas. Esto significaría que las órbitas de electrones deben existir como estados de energía discretos, y cuando se emite un fotón, el electrón saltaría de una órbita a otra. Pero las órbitas no cambian en saltos.

Conclusión: los electrones no pueden ser partículas en órbita.

Propiedades quimicas . Desde hace tiempo se sabe que las propiedades químicas son las mismas para todos los átomos de una sustancia dada. Por ejemplo, ningún átomo de oxígeno se comporta de manera diferente a otros átomos de oxígeno: todos son químicamente iguales. Pero si los electrones estuvieran en órbitas clásicas, las variaciones serían inevitables.

Conclusión: los electrones no pueden ser partículas en órbita.

Espectroscopia Finalmente, estaba el problema con las líneas de Fraunhofer, que lleva el nombre de Joseph von Fraunhofer, quien las describió en 1814. Son las bandas oscuras que se ven cuando la luz solar pasa a través de un prisma para separarla en sus componentes o frecuencias espectrales. Estas líneas son causadas por la absorción de luz, y cada sustancia absorbente tiene sus propias frecuencias específicas de absorción. Esto sería imposible si los electrones son partículas en órbita.

Conclusión: los electrones no pueden ser partículas en órbita.

Sin embargo, el concepto de partículas en órbita no se abandonó tan fácilmente. La idea de partículas sólidas estaba demasiado arraigada, demasiado intuitiva. Fue un físico danés quien tomó al toro por los cuernos y anunció que se necesitaba algo nuevo.

Niels Bohr (1885-1962) . Después de obtener su doctorado en física en la Universidad de Copenhague en 1911, Bohr fue a Inglaterra, donde trabajó en la Universidad de Cambridge … Pronto llegó a la conclusión de que la imagen de Rutherford de partículas en órbita era insostenible. En 1913, Bohr propuso que esta visión debe ser reemplazada por algunos nuevos estados de electrones indefinidos que satisfagan los dos postulados siguientes:

1. [Ellos] poseen una estabilidad peculiar, mecánicamente inexplicable .

2. En contradicción con la teoría EM clásica, no se produce radiación del átomo en los propios estados estacionarios, [pero] un proceso de transición entre dos estados estacionarios puede ir acompañado de la emisión de radiación EM. – N. Bohr ( conferencia Nobel , 1922)

Como dije anteriormente, la imagen QFT, y solo la imagen QFT, cumple con los criterios de Bohr.

El modelo atómico donde los electrones orbitan el núcleo se llama modelo de Bohr, en honor al físico danés Niels Bohr, que estaba copiando intencionalmente el modelo heliocéntrico de nuestro sistema solar.

El modelo de Bohr fue útil porque introdujo la noción de capas de electrones para explicar ciertas observaciones de periodicidad, pero el modelo no era exacto.

Los electrones no orbitan el núcleo como los planetas alrededor del Sol. Nuestra comprensión actual de los orbitales atómicos es que el electrón existe como una onda cuya posición se describe mediante una función de probabilidad. La forma descrita por estas funciones no son órbitas en forma de anillo. Sino más bien nubes de diferentes formas (esferas, lóbulos en forma de globo, etc.).

Parte de la razón es que los científicos fueron responsables de crear ambos modelos, por lo que, debido a las ideas preconcebidas, tendieron a ser similares a pesar de que la realidad era que se comportan de manera diferente. Las diferencias se explican en detalle en las otras respuestas. Pero es interesante observar cuáles son las similitudes. Después de todo, Bohr era un científico consumado y su modelo del átomo era similar al del sistema solar.

La primera similitud subyacente es que en ambos casos tiene un objeto central masivo que ejerce una fuerza atractiva sobre varios objetos más ligeros. Pero también, la fuerza es la misma hasta una constante de proporcionalidad. Tanto la fuerza eléctrica en el átomo como la fuerza gravitacional en el sistema solar se caen como el cuadrado inverso de la distancia.

Bohr sabía que las fuerzas eran las mismas, por lo que, naturalmente, fue llevado a este modelo. Lo que no entendió tan bien es por qué los electrones no cayeron en el núcleo. Un electrón en órbita debería perder energía lógicamente constantemente emitiendo luz y cayendo en el núcleo. Como esto realmente no sucede, Bohr tuvo que hacer reglas cuánticas ad hoc que forzaran a los electrones a ciertas órbitas, pero no comprendió la razón subyacente. Eso tuvo que esperar a que De Broglie descubriera que los electrones son realmente ondas, y otros físicos para resolver los detalles de la mecánica cuántica.

El resultado de todo esto fue que se dio cuenta de que las órbitas no eran simples órbitas planetarias que Bohr había imaginado.

De hecho, creo que es al revés. El modelo de electrones se basó en los planetas que orbitan alrededor del sol.

Si no recuerdo mal, el modelo atómico no es lo que nosotros, y la mayoría de los niños, aprendimos en la escuela. En los primeros días es posible que los científicos pensaran que era así, pero desde entonces se dieron cuenta de que no lo era. El electrón que orbita un modelo de protón / neutrón se enseña solo para facilitar la comprensión del concepto para las personas normales.

Los planetas que giran alrededor del sol no son similares a los electrones que rodean el núcleo. Son más como una nube. Lea Orbital atómico – Wikipedia para descubrir todo al respecto.

Es similar en los dibujos animados, pero no en la vida real.

En la vida real, el electrón se difumina en lugar de localizarse como un planeta. Y los electrones en los átomos generalmente no se mueven realmente.

En realidad no lo es

Esta es / fue una forma abreviada de presentar el tema, no debe tomarse literalmente.

Vea la respuesta de Stuart, pero recuerde, solo podemos conjeturar, ya que esto sucede muy cerca de la longitud del planck.

rafe

Los dos dibujos a los que se refiere son más que simplificaciones.

Es más preciso para el sistema solar, con la excepción de que NUNCA se escala. La escala sería una hoja de papel en blanco con un punto en el medio, el punto es el sol y el resto es demasiado pequeño como para verlo.

No es tan exacto para un átomo, pero no hay una buena manera de ilustrar los conceptos básicos de una manera bidimensional que no sea el modelo al que se refiere.

Un poco más de conocimiento recorre un largo camino. Muy poco conocimiento a menudo no tiene valor.

Debido a que los planetas parecen viajar en un corredor de nivel de energía orbital individual (relacionado con su velocidad) alrededor del Sol; y también las nubes electrónicas a diferentes niveles de energía (capas) adaptadas a su energía, alrededor de un núcleo.