La electricidad estática funciona porque los electrones son fuertemente atraídos por los protones, ¿verdad? Pero, en los átomos, los electrones están ahí, al lado de los protones en el núcleo. ¿Por qué los electrones no se comprimen directamente en el núcleo y se adhieren a los protones?
Los electrones deberían caer en el núcleo
Todos los que se han sentado hasta cuarto grado saben que cuando frotas un globo en tu cabello o tu suéter, puedes pegarlo a la pared. Puede hacerlo porque el roce hizo que el globo acumulara muchos electrones. Los electrones son atraídos por los protones y repelidos por otros electrones, por lo que cuando el globo fue empujado cerca de la pared, los electrones en la pared se alejaron, dejando protones expuestos. Estos protones semidesnudos eran irresistibles para los electrones en el globo y los electrones corren hacia los protones, llevándose el globo con ellos.
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La pregunta es, ¿por qué esos electrones se movieron de tu cabello al globo en primer lugar? Si estaban tan enamorados de protones, tendrían muchos de ellos justo en tu cabello. Los átomos sin carga emparejan cantidades iguales de electrones y protones. Los electrones deberían acercarse directamente al núcleo atómico.
En física clásica, los electrones deberían caer en el núcleo incluso si no fueran atraídos por la carga del protón. Los primeros modelos de átomos tenían electrones orbitando el núcleo de la misma manera que un planeta orbita un sol. Orbitar en círculo significa hacer muchos cambios de dirección, lo que significa aceleración. Cuando una carga eléctrica sufre aceleración, emite radiación electromagnética. La radiación electromagnética es energía, y el electrón puede perder uno de los dos tipos de energía; energía cinética (o velocidad), o energía potencial (o distancia del núcleo). De cualquier manera, eventualmente chocará con el núcleo.
La solución de energía cinética y potencial
Pensemos en un solo electrón flotando en el espacio. ¿Cómo medimos incluso su energía cinética y potencial? Comienza imaginando un solo protón, muy lejos. Juntos, pueden unirse y formar un átomo de hidrógeno. A medida que medimos su progreso el uno hacia el otro, en términos de energía, veremos de muchas maneras lo que vemos en la física clásica.
Imagen: Ben Otrowsky
El electrón, al acercarse al protón, tendrá energía cinética y energía potencial. Cuando esté lejos, tendrá una cantidad relativamente grande de energía potencial, de la misma manera que los objetos elevados por encima del suelo tienen grandes cantidades de energía potencial. A medida que avanza hacia el protón, pierde parte de esa energía potencial. Parte de ella se irradia, como energía electromagnética. Parte de ella se convierte en energía cinética. La energía cinética evita que un electrón salte, y evita que se quede en un núcleo y se combine con un protón.
Aquí es donde el mazo está ligeramente apilado a favor de los electrones que no se combinan con los protones. La energía cinética, si el electrón está en el núcleo, es infinito. La energía potencial, si el electrón está en el núcleo, es infinito negativo. Pero si desea averiguar la energía cinética en cualquier momento, es el doble de la disminución de la energía potencial. En otras palabras, la energía cinética tiene más peso y el electrón permanece fuera del núcleo. La distancia final del electrón desde el núcleo que representa el equilibrio de esas dos energías y su proporción de dos a uno.
La nube y la concha
Existe un problema al pensar en los electrones como pequeños trozos de materia que orbitan una porción más grande de materia. En realidad no se comportan de esa manera. Un electrón no puede considerarse como un planeta, sino que debe considerarse como una especie de nube de probabilidad. Y no en el sentido de que esa sea la forma más útil de pensarlo, eso es realmente lo que es un electrón. Para comprender el comportamiento del electrón, tenemos que pensar en dónde será más densa esa nube, o dónde hay la mayor probabilidad de un electrón, o dónde hay la carga negativa máxima.
Imaginemos el viaje hacia el núcleo protón-hidrógeno nuevamente, excepto imagínelo como lo haría si estuviera midiendo cada pequeño volumen de espacio con un probabilitómetro. Lejos del núcleo, el probabilitómetro no registraría prácticamente ninguna probabilidad de carga negativa. A medida que te acercas lentamente, el medidor sube y sube, hasta que registra la mayor probabilidad en el núcleo. Esto parece contradecir tanto lo que acabamos de descubrir como la realidad.
El truco aquí es comprender que un pequeño volumen de espacio en una línea a cierta distancia del núcleo no es la mejor manera de medir la probabilidad de que un electrón esté en un volumen de espacio en particular. No nos sorprende si el electrón está arriba, abajo, a la izquierda o a la derecha del núcleo. Solo lo queremos a cierta distancia. Lo que significa que podría estar en cualquier parte de un “caparazón” esférico alrededor del núcleo. Lo que queremos es el volumen de ese caparazón. El volumen de ese caparazón es el área de superficie de una esfera, 4π r
2
, veces cualquier ancho arbitrario que elijamos para el shell. El volumen de ese “caparazón” en r = 0, o justo en el medio del núcleo, es cero. A medida que avanzamos, r aumenta lentamente, pero el volumen 4π r
2
aumenta bastante rápido Dicho esto, cuanto más nos alejamos del núcleo del átomo, menos probable es que se encuentre el electrón del átomo. Entonces, la probabilidad más alta de encontrar el electrón será el radio del “punto dulce” donde el volumen de la capa es lo suficientemente grande como para que la probabilidad sea alta, pero la distancia desde el núcleo no es demasiado grande para que la probabilidad sea baja . Grafica eso y encontrarás que la probabilidad más alta del electrón está cerca del centro del átomo, pero no dentro de él.
Agrégalo
Aquí hay un pequeño argumento sobre por qué los electrones no solo se amplían en protones y se combinan para formar neutrones. Todo lo que necesitas entender es una pequeña adición.
Combina un protón y un electrón, y en cuanto a carga, has creado un neutrón. Eso es lo que debería pasar si los electrones caen en un núcleo. La masa de un protón es 1.6726 x 10
-27
kg, y la masa de un electrón es 0.00091 x 10
-27
kg, pero la masa de un neutrón es 1.6749 x 10
-27
kg. Por lo tanto, la masa de un electrón y un protón combinados aún no está lo suficientemente cerca como para un neutrón. Si desea que se combinen, necesitará agregar energía, masa o ambas.
