Considerando el modelo mecánico cuántico para un átomo, ¿qué ocurre exactamente cuando dos átomos (digamos, dos iones Ca2+ en movimiento browniano) colisionan entre sí? Como sé, esta colisión no es como una colisión elástica o inelástica normal entre dos objetos macroscópicos. ¿Se debe principalmente a la repulsión coulómbica entre los electrones de los dos átomos? Y, ¿cómo se determina la trayectoria de los dos átomos tras la colisión y qué factores contribuyen a ella? ¿Son estas trayectorias y el ángulo de desviación de los átomos deterministas, o difusos como los propios átomos?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
Se puede hacer un modelo cuántico simplista de los dos átomos tratándolos como partículas puntuales con posiciones y momentos apropiadamente difusos, pero con la mayor información posible, dirigidos el uno hacia el otro. En este caso no se necesita la teoría cuántica de campos relativista, aunque podría necesitarse al menos una versión rudimentaria si se quiere incluir también la emisión de fotones, es decir, un campo EM acoplado, pero no una QFT completa para los electrones y demás, sino sólo la EM, porque si se pretende simular un proceso químico, éste es convenientemente de baja energía para que no estemos creando o destruyendo ninguna partícula masiva conocida.
Y tienes razón en tu corazonada: La colisión será, como dices, difusa. La información disponible en la posición cae constantemente con el tiempo a medida que las distribuciones de probabilidad se amplían durante la aproximación y luego aún más en la colisión - si una empieza siendo más amplia que la otra se derramará sobre la otra en cada lado. Además, las posiciones después de la colisión estarán entrelazadas, o correlacionadas: no se puede escribir simple y totalmente fielmente dos funciones de onda separadas
$$\psi_\mathbf{r}(\mathbf{r}_\mbox{atom 1})$$
y
$$\psi_\mathbf{r}(\mathbf{r}_\mbox{atom 2})$$
para describir sus posiciones difusas de forma independiente tras la colisión. En su lugar, se necesita una función de onda de seis dimensiones
$$\psi_{\mathbf{r}_1, \mathbf{r}_2}(\mathbf{r}_\mbox{atom 1}, \mathbf{r}_\mbox{atom 2})$$
para ambos y, por tanto, no se puede imaginar también con total fidelidad el resultado. No obstante, si finalmente se consulta el sistema en un momento convenientemente tardío en cuanto a las direcciones de salida de los átomos (aumentando así la información), el resultado será bastante aleatorio con la aleatoriedad habitual de las consultas cuánticas.
Hay una pequeña animación que intenta visualizar algo así aquí:
https://www.youtube.com/watch?v=exy2twNRhzQ
Allí no se trata de dos átomos libres sino de una partícula (podría ser otro átomo) que choca con un estado ligado (probablemente se trata de representar un átomo con órbita de electrones modelada) que se fija en su lugar como una simplificación. Mira esa pequeña cosa wnoozle - la energía de mwrrp es borrosa en este punto ahora gracias a la presencia de información de movimiento, que viene con un costo en la información de energía. Tendríamos que incluir un campo EM como se mencionó anteriormente si queremos ver esa decadencia a su estado de tierra, lo que haría en la "vida real", dejando un fotón con existencia difusa y también igualmente enredado, ya que si ves o registras de otra manera ese fotón entonces también ganas información de que el átomo está ahora en un estado bajo, de lo contrario si no lo haces, ganas información de que puede todavía estar en un estado alto (a menos que sea realmente un fallo, pero podemos imaginarnos tener un detector de fotones que lo rodee todo si queremos).
El billar cuántico, como puede deducirse, será significativamente más difícil que el billar normal, y realmente digno del casino, ya que es fundamentalmente imposible predecir si encontrará sus bolas en los agujeros o apuntarlas para garantizarlo.
user3329963
Puntos
71
Las colisiones entre átomos ocurren de forma normal, lo único que es diferente es la dependencia de la elasticidad de la colisión en factores como las necesidades de energía para la excitación de los electrones a varios estados posibles y el resto de la energía cedida como energía cinética a los átomos para conservar el momento del sistema. En estas colisiones se supone que la pérdida de energía cinética del sistema sólo es posible si se puede excitar o ionizar. *Ejemplo:- Según la mecánica cuántica, para el átomo de hidrógeno los posibles consumos de energía para la excitación son: 10,2eV, 12,09eV,.....13,6eV según la mecánica del newtonion pérdida mínima en K.E=0 (colisión elástica) y la pérdida máxima= k/2 (colisión perfectamente inelástica) Por lo tanto pérdida=[0,k/2] * Si k=14eV Según la mecánica cuántica E(necesario para la excitación)={0,10,2eV,12,09eV....} posible pérdida=[0,7] pérdida=0 por lo que es una colisión elástica * Si k=20,4eV pérdida=[0,10.2eV] según la mecánica cuántica E puede ser 10.2ev por lo que la pérdida=10,2eV (colisión perfectamente inelástica) o pérdida=0 (colisión elástica) *si K=22eV pérdida=0 (colisión elástica)
pérdida=10,2eV (colisión inelástica) Y así es como se pueden visualizar las colisiones atómicas para los átomos más simples. Los átomos con mayor número atómico tienen un comportamiento más complejo, pero la idea básica de la conservación de la energía y el momento sigue siendo la misma.
