Estabilidad de las órbitas de Bohr

Question

En clase nos habían enseñado que el modelo de Rutherford no tenía éxito porque no demostraba que las órbitas fueran estables porque los electrones perderían energía debido a la radiación electromagnética. Bohr había sugerido que los electrones se moverían en órbitas con niveles de energía bien definidos, pero mi pregunta es que qué evitaría que estos electrones emitieran radiación y colapsaran en el núcleo.

Answer 1

No todos los modelos son perfectos. El modelo de Rutherford adolecía del problema de la radiación electromagnética, pero respondía a importantes cuestiones sobre la estructura de los átomos al demostrar la existencia de un núcleo con carga positiva.

Bohr mejoró esto al darse cuenta de que si los electrones sólo podían tener ciertas energías, entonces podría explicar otras cosas como el espectro del hidrógeno. Que yo sepa, no intentó explicar por qué los electrones están fijos en esas órbitas, algo que sólo se explicó más tarde con la llegada de la mecánica cuántica. Sin embargo, esto no significa que el modelo de Bohr fuera inútil, ya que predice con precisión cosas útiles.

No tenemos que saberlo todo sobre el funcionamiento de un modelo para que sea útil. Einstein no sabía por qué la velocidad de la luz era constante, pero supuso que lo era (basándose en todas las pruebas experimentales disponibles) y derivó la relatividad especial, que es una teoría extremadamente útil. Hoy en día tenemos la mecánica cuántica y la relatividad general, que sabemos que son incompatibles, pero ambas son teorías excepcionalmente útiles, por lo que no las ignoramos.

Answer 2

Pocas personas siguen investigando esta cuestión, pero era un campo de investigación activo en la época de Bohr. El propio Bohr básicamente dejó de lado la cuestión con un postulado de estabilidad, y la mecánica cuántica la evitó por completo al postular que las leyes clásicas de la física no se cumplen a escala atómica.

A lo largo del siglo XX, las sucesivas generaciones de científicos consiguieron formular una condición de no-radiación basado puramente en la aplicación matemática de las leyes de Maxwell. Encontraron que, aunque una órbita punto de carga debe irradiar, esto no es necesariamente el caso de distribuciones de forma gratuita. Goedecke publicó sobre este tema en 1964 y terminó con la sugerencia de que podría haber "una teoría de la naturaleza en la que todas las partículas estables (o agregados) son simplemente no radiantes distribuciones de carga-corriente cuyas propiedades mecánicas son de origen electromagnético".

Alrededor del cambio de milenio, Mills llevó este trabajo a su plena conclusión: si una carga puntual en órbita alrededor de un núcleo debe irradiar, entonces el electrón no es una carga puntual. En su lugar, es una esfera de carga giratoria distribuida y masa centrada en el núcleo - un electrón físico es como una burbuja de jabón que abarca el núcleo del átomo, en el mundo según Mills.

Aunque esta idea puede parecer descabellada para la generación actual, parece ser una extensión útil del modelo de Bohr, ya que permite el cálculo preciso de una amplia gama de fenómenos atómicos y moleculares, incluyendo cosas como la energía de ionización de $\ce{He}$ y otros átomos.

• G.H. Goedecke "Movimientos sin radiación clásica y posibles implicaciones para la teoría cuántica" (Physical Review, volumen 135 número 1B, julio de 1964)
• Randell L. Mills, "Mecánica cuántica clásica" Physics Essays, Volumen 16: Páginas 433-498, 2003

Answer 3

Como habrás estudiado, el modelo de Bohr incluye varias órbitas. Una órbita se define como una región particular en el espacio donde el electrón se mueve y tiene energía constante. Una partícula que tiene energía constante no colapsará en el núcleo. Incluso se adelantó a calcular estas distancias específicas desde el núcleo llegó a la conclusión ecuación mvr=nh/2pi donde los términos significan su significado general. Por esta ecuación llegamos a conocer las distancias específicas desde el núcleo donde el electrón puede estar presente sin perder ninguna energía. La cosa es que el modelo de Bohr fue creado sólo para el hidrógeno, lo que se ve en realidad son las adaptaciones hechas al modelo de Bohr que nos ayudan a calcular valores como velocidades, energías, radios, etc. La lógica detrás del descarte del modelo de Rutherford fue que el hecho de que el electromagnetismo clásico establece que las cargas en ACELERACIÓN producen ondas EM y por lo tanto un electrón perdería energía. (El movimiento circular es un movimiento donde se necesita una aceleración centrípeta constante por lo tanto el electrón realmente experimenta la aceleración constante). Esta pérdida constante de energía colapsaría la estructura propuesta en casi 10^(-8) Segundos como habrás estudiado. Pero esto no ocurre.