¿Cómo pueden tener los átomos neutrales un campo eléctrico exactamente cero cuando existe una diferencia en las posiciones de las cargas?

Question

Se dice que los átomos con el mismo número de electrones que protones son eléctricamente neutros, por lo que no tienen carga neta ni campo eléctrico neto.

Una partícula con carga no puede existir en la misma posición y tiempo que otra; un electrón no puede estar posicionado en el lugar de un protón, en ningún momento específico, sin desplazar al protón.

Si asumimos lo anterior como correcto, ¿cómo puede un solo electrón anular todo el campo eléctrico de un protón? No creo que haya una posición que un solo electrón pueda tomar, que resultaría en la anulación completa del campo eléctrico del protón - parece que siempre estará solo parcialmente anulado.

Para simplificar, veamos un solo átomo de hidrógeno que consideramos eléctricamente neutro. Tiene un protón y un electrón, por lo que en cualquier momento específico, habrá un campo eléctrico neto parcial (porque el electrón nunca estará en una posición donde su campo pueda cancelar completamente el campo del protón), y el campo eléctrico del electrón solo cancelará parte del campo del protón. Por lo tanto, en este momento específico, habrá un campo eléctrico neto del protón. Entonces, ¿cómo se puede considerar que este átomo es eléctricamente neutro, sin carga o campo neto?

Aquí hay una representación gráfica de dos fuentes de campos eléctricos interactuando:

Como se puede ver en la imagen, solo parte de los campos eléctricos (iguales pero opuestos) producidos por ambas fuentes se ven afectados mutuamente. Para que el campo de una fuente anule completamente al otro, necesitaríamos posicionar las fuentes en el mismo lugar, al mismo tiempo, lo cual no es posible.

Sé que estoy equivocado, así que por favor corríjame.

Answer 1

Tu intuición es correcta y físicamente importante, pero un poco más complicada de lo que describes

Cuando decimos que los átomos son eléctricamente neutros, queremos decir que los objetos lejos del átomo no ven un campo eléctrico neto (los átomos son muy pequeños, por lo que incluso si el efecto que imaginas existe, solo será evidente para objetos cerca del átomo).

Pero tu intuición simple es complicada porque los electrones en los átomos no son partículas puntuales existentes en un solo punto en el átomo. Son más como ondas estacionarias distribuidas espacialmente alrededor del núcleo (debido a Heisenberg y la mecánica cuántica). Esto significa que las cosas son mucho más complejas de lo que serían si los electrones fueran simples partículas puntuales girando alrededor del núcleo generando un dipolo eléctrico en movimiento.

Sin embargo, la intuición básica de que el campo general generado por las nubes de electrones que rodean átomos y moléculas no es cero es correcta. Y esto es muy importante en química y para las propiedades físicas de las moléculas.

Los electrones en moléculas asimétricas a menudo se distribuyen de maneras que generan dipolos eléctricos. La simple molécula de cloruro de hidrógeno (a pesar de ser neutral en general), por ejemplo, tiene un fuerte dipolo eléctrico porque el cloro aleja electrones del hidrógeno.

Pero esto probablemente no es lo principal de lo que estabas preguntando. Incluso moléculas neutrales sin dipolos incorporados tienen algunas características en las que la distribución de electrones puede generar campos eléctricos momentáneos. Si bien la imagen simple de un electrón como una partícula puntual girando alrededor de un núcleo no es una buena manera de imaginar esto, incluso la mecánica cuántica tiene que admitir la incertidumbre sobre la posición del electrón en su nube orbital. Esta incertidumbre genera campos eléctricos fluctuantes temporales porque la distribución no compensa precisamente el campo eléctrico del núcleo. La explicación cuántica detallada de esto es bastante complicada, pero la imagen de campos eléctricos fluctuantes captura algunas de la idea de manera intuitiva.

Más importante aún, estos campos fluctuantes son muy importantes en el mundo real. Son la explicación básica de las fuerzas de van der Waals (o, más correctamente, fuerzas de London) entre moléculas y entre átomos. Cuando una molécula tiene un campo fluctuante, puede generar un campo en una molécula vecina que está cerca de ella. Esto genera una fuerza débil que disminuye rápidamente con la distancia entre las moléculas (es proporcional a r-6 donde r es la distancia intermolecular). Para moléculas neutrales sin dipolo incorporado, este es un factor importante en sus propiedades físicas. Gases como N₂ nunca se convertirían en líquidos si la fuerza no existiera. Hidrocarburos simples y muchas otras moléculas no polares no se liquefaccionarían a temperatura ambiente sin estas fuerzas. Incluso en muchas moléculas polares, la fuerza de London representa la mayoría de la interacción molécula-molécula (ver wikipedia).

Las fuerzas de London incluso pueden ser importantes a nivel macroscópico: son la fuerza subyacente que permite a los gecos caminar por las paredes.

Entonces, sí, incluso los átomos o moléculas neutrales tienen campos eléctricos fluctuantes debido a la discrepancia entre la "posición" de los electrones y el núcleo. Y estas fluctuaciones son importantes porque generan fuerzas entre átomos y entre moléculas. Estas son muy importantes para determinar las propiedades físicas de muchas sustancias y incluso se pueden ver a escalas macroscópicas.

Answer 2

Aunque muchas respuestas abordan perfectamente la pregunta del OP, solo estoy agregando lo que creo que podría agregarse a esas respuestas como una respuesta separada.

---

El potencial eléctrico de una distribución genérica de cargas se describe exactamente a través de la expansión multipolar, que es una serie de potencias en las potencias inversas de $r$. El término de orden cero en esta serie (que va como $\frac{1}{r}$) es un término monopolar cuya fuerza es proporcional a la carga total (o, si lo desea, al momento monopolar total) de la configuración. El término de primer orden en esta serie es un término dipolar cuya fuerza es proporcional al momento dipolar total de la configuración. El término de segundo orden sería proporcional al momento cuadrupolar total de la configuración, y así sucesivamente.

Entonces, a menos que la distribución de cargas simplemente consista en una carga puntual, la imagen dipolar también es una aproximación (es decir, que el potencial eléctrico exacto tiene contribuciones del momento cuadrupolar, y así sucesivamente) y solo tiene un orden en $\frac{1}{r}$ mejor que la aproximación monopolar. Por lo tanto, en este sentido, a distancias suficientemente grandes del átomo, la aproximación de un átomo como un monopolo neutral no es mucho peor que su aproximación como un dipolo con un momento dipolar no nulo.

Answer 3

Este es realmente un comentario extendido.

La pregunta tal como se plantea hace suposiciones clásicas sobre partículas puntuales cargadas en órbita.

Este no es el hecho experimental.

Uno de los principales motivos para la invención de la Mecánica Cuántica fue precisamente que un modelo clásico como este no funciona muy bien. Aparte de que el electrón de hecho está deslocalizado, la electromagnetismo clásico requiere que una partícula en aceleración irradie y por lo tanto una órbita tendría que decaer.

Por lo tanto, por favor, entiende que aprendemos el modelo clásico en parte para comprender por qué no funciona muy bien y por consiguiente necesitamos otro enfoque.

El hecho experimental es que un átomo neutro tiene una distribución de carga simétrica. Ver la respuesta de John Rennie