¿Por qué la capa de electrones más cercana al núcleo tiene la energía más baja?

Respondí una pregunta muy similar aquí: la respuesta de Louis McNamara. Pero estoy a punto de dar una respuesta muy similar aquí en caso de que no le guste hacer clic en los enlaces.

El núcleo de las energías totales negativas es doble en la mecánica cuántica: las personas que abusan de los marcos de referencia cambiantes y, lo que es más importante, que la energía es relativa .

Comenzaremos con el último, necesitamos definir energía cero. Usualmente tomamos esto como una separación infinita. Entonces, para un átomo de hidrógeno, esto sería un protón y un electrón en reposo e infinitamente separados. Ahora tenemos un cero y podemos calcular las energías relativas a él.

Si dejamos que estas dos partículas cargadas interactúen y formen un átomo de hidrógeno, ¿cuál será su energía total? Bueno, dado que la conservación de la energía es una cosa, también será cero … Entonces, ¿de dónde vienen estas energías negativas?

Las energías calculadas en la mecánica cuántica están descuidando la energía cinética del centro de masa del sistema. Es decir, pretendemos que nuestro átomo de hidrógeno no se está moviendo. Como podemos usar la masa reducida para hidrógeno, podemos realmente pretender que solo el electrón se está moviendo.

La ecuación para los niveles de energía en un átomo de hidrógeno solo incluye la energía potencial debido a la electrostática entre el núcleo y el electrón y la energía cinética del electrón en relación con el núcleo. No hay energía cinética nuclear, pero tomar el marco de descanso del núcleo hace que el electrón parezca comportarse como si tuviera una masa diferente (que llamamos masa reducida).

Como el protón y el electrón se acercan más que el infinito y los electrones son negativos, la energía potencial se vuelve más negativa que nuestro cero de referencia. La energía cinética está aumentando, pero gracias al teorema de Virial sabemos que solo aumentará la mitad de lo que disminuyó el potencial, por lo que nuestra energía total (del marco de descanso del protón) seguirá siendo negativa. Cuanto más se acerque el electrón, más negativa será la energía.

Podrías elegir fácilmente una energía de referencia que daría como resultado que nuestra energía total sea positiva. Es por eso que las energías totales no tienen sentido en la mecánica cuántica. Lo importante son las energías relativas de los estados y son independientes de nuestra referencia. En el átomo de hidrógeno, los 1 siempre serán más bajos en energía que los 2 independientemente de lo que llames energía cero. Y la diferencia de energía entre el 1 y el 2 también será siempre la misma.

Respuesta corta: la naturaleza quiere minimizar la energía potencial.

Tiene “la energía más baja” porque está unida al núcleo con mayor fuerza que cualquier otro electrón y, por lo tanto, se necesita más energía para liberarlo. Para los electrones que están más lejos, la unión no es tan fuerte y se necesita menos energía para liberarlos.

Sin embargo, me gustaría agregar que en la teoría de campo cuántico (mi teoría favorita) los electrones no son capas . Son campos dispersos . Por ejemplo, aquí hay una imagen muy simplificada de un átomo de hidrógeno, tomada del Capítulo 6 de mi libro.

La razón por la que llamo a mi libro “Campos de color” es porque uso el color para ayudar a visualizar campos, que en sí mismos no son visibles. Por lo tanto, el amarillo indica un campo de electrones que rodea un campo de protones, que se muestra como una gota roja. (Si no desea comprar mi libro ($ 4.95 por el libro electrónico), lea el Capítulo 10, que está disponible gratuitamente en Comprender la física a través de la teoría cuántica de campos

Intentaré esto desde mi conocimiento de la física de la escuela secundaria, con poca jerga (como no recuerdo, sé: P).

La energía potencial electrostática de una carga positiva puntual es la cantidad de energía obtenida al llevarla desde el infinito, a ese punto cercano (es decir, a la distancia) de otra carga positiva.

Esto es bastante lógico. Dos cargas positivas repelen. Por lo tanto, no se realiza ningún trabajo para mantenerlos infinitamente separados el uno del otro. Pero si los acerca, entonces se debe trabajar, aumentando la energía potencial. Entonces, la energía de una carga positiva aumenta de 0 a una distancia infinita, a + infinito a una distancia de 0.

Pero en el caso de un par de cargas positivas y negativas, hay atracción. Entonces, el trabajo se realiza cuando la carga negativa se mueve hacia la carga positiva. Entonces, la energía de la carga negativa, es decir, el electrón aquí, se reduce a medida que se mueve hacia la carga positiva, es decir, el protón. Entonces, la energía del electrón es 0 a distancia infinita, y -infinito a 0 distancia.

Por lo tanto, el electrón en la primera capa que está más cerca del núcleo positivo tendrá la energía más baja, es decir, un gran valor negativo, en comparación con los electrones en las capas externas.

Todas las cargas tienen energía de referencia 0 a una distancia infinita entre sí. Como se ve en la ecuación, E = – k * q1 * q2 / r.

porque pagas mucha energía para liberarlo del pozo potencial del núcleo