¿Existe algún modelo final de átomo del que podamos decir: "¡Es éste! ¿O todavía se está perfeccionando y los físicos no están completamente seguros de ello? Me interesa especialmente saber cómo se mueven exactamente los electrones dentro de un átomo. ¿Tienen los físicos alguna imagen o vídeo real de los orbitales de los electrones?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
Los electrones no se mueven dentro de los átomos.
Si un electrón se encuentra en un nivel de energía determinado $E$ la función de onda viene dada por $\psi(x,y) = \phi(x)_{n\ell m} \,\mathrm{e}^{-\mathrm{i}E t/\hbar}$ . La dependencia temporal es un factor de fase puro, por lo que la densidad de probabilidad del electrón en el espacio real es $|\psi(x)|^2 = |\phi(x)|^2 \neq f(t)$ no en función del tiempo. Se denominan estados estacionarios por esta razón.
El hecho de que los electrones no se muevan realmente en los átomos es bien y para eso se inventó la mecánica cuántica. Si se movieran, estarían acelerando partículas cargadas y, por tanto, perderían energía en forma de radiación (bremsstrahlung) y acabarían colapsando. La inestabilidad del átomo fue exactamente el defecto de la física clásica que llevó a la invención/descubrimiento de la mecánica cuántica.
Además:
Los orbitales atómicos sólo son "correctos" $^\dagger$ funciones de onda en sistemas de un electrón como el átomo de hidrógeno. En átomos de muchos electrones, los orbitales son una aproximación útil, normalmente una base utilizada para cálculos perturbativos. Por ejemplo, para el Helio ya hay que tener en cuenta la indistinguibilidad de los dos electrones, lo que conduce a las combinaciones lineales de los orbitales para calcular los términos de corrección.
En el átomo de hidrógeno, los orbitales se han observado indirectamente, véase Átomos de hidrógeno ampliados: Observación directa de la estructura nodal de los estados Stark mediante el registro del patrón de difracción de la luz que irradia lejos de las transiciones atómicas: estos patrones están relacionados con la estructura nodal de las funciones de onda atómicas.
La espectroscopia de fotoemisión con resolución angular (APRES) puede dar información sobre la forma de los orbitales moleculares, véase Exploración de imágenes orbitales tridimensionales con tomografía de fotoemisión dependiente de la energía .
$\dagger$ pero sólo dentro del Hamiltoniano de Coulomb puro. Con correcciones como la estructura fina, el desplazamiento de Lamb, etc., no existe una solución analítica tanto para los valores propios como para los estados propios.
EDITAR a partir de los comentarios .
Dada la atención que ha suscitado esta respuesta, permítanme añadir algunos puntos planteados en el largo debate que ha seguido en los comentarios.
Ante todo, la respuesta anterior refleja mi opinión y mi interpretación del asunto. De hecho, como señala @my2cts:
Que los electrones se muevan o no es pura interpretación. Lo que QM dice inequívocamente es que los electrones tienen energía cinética y potencial. Cualquiera es libre de interpretarlo.
Entonces, con respecto a movimiento es cierto que los electrones poseen impulso, energía cinética y, para $\ell \neq s$ una corriente de probabilidad $\mathbf{J}$ que sin embargo también es estacionario pero en la dirección tangencial $\hat{\boldsymbol{\phi}}$ (derivación aquí ) como la velocidad de un objeto en órbita clásica.
En particular, @dmckee dice:
los electrones tienen una energía bien definida que debe interpretarse una componente cinética y una distribución del momento que puede incluir cero, pero que también incluye valores distintos de cero con una densidad de probabilidad.
Mi idea de que "los electrones no se mueven" proviene de la idea de que "las ondas estacionarias no se mueven", en el sentido de que no van de A a B. Pero, por supuesto, hay movimiento de todos modos. Véase buena discusión aquí .
Mickeysofine
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57
En ciencia no hay modelos definitivos, siempre se puede mejorar. Y no se pueden descartar totalmente los grandes cambios de paradigma. Sin embargo, podemos estar bastante seguros de nuestro modelo actual de la estructura electrónica del átomo, que se basa en la electrodinámica cuántica (QED), validada con gran precisión.
Wikipedia tiene numerosas órbitas diagramas incluyendo muchas animadas. Pero también es necesario leer el texto para entender cómo funcionan los diagramas, e incluso entonces, no es fácil entender lo que está pasando a menos que hayas estudiado algo de mecánica cuántica, y estés familiarizado con los conceptos básicos, y algunas de las matemáticas.
Me gustan mucho los diagramas animados de la sección titulada Comprensión cualitativa de las formas :
Las formas de los orbitales atómicos pueden comprenderse cualitativamente considerando el caso análogo de las ondas estacionarias en un tambor circular
[...]
La razón básica de esta correspondencia reside en el hecho de que la distribución de energía cinética y momento en una onda de materia es predictiva de dónde estará la partícula asociada a la onda. Es decir, la probabilidad de encontrar un electrón en un lugar determinado también es función del momento medio del electrón en ese punto, ya que un momento elevado del electrón en una posición determinada tiende a "localizar" al electrón en esa posición, a través de las propiedades de los paquetes de ondas de los electrones (véase la Principio de incertidumbre de Heisenberg para más detalles sobre el mecanismo).
Podemos hacer imágenes e incluso películas de orbitales reales, pero son bastante burdas; los diagramas son mejores. Supongo que las imágenes y las películas son beneficiosas porque demuestran al público lego que los diagramas son válidos y no sólo una invención matemática ;)
No es fácil apreciar exactamente cómo se mueven los electrones dentro del átomo. Las cosas a escala cuántica simplemente no se comportan de la manera a la que estamos acostumbrados a escala macroscópica, por lo que nuestras intuiciones normales no son de mucha ayuda cuando se trata de electrones. Eso sí no significa que estas cosas son incomprensibles, pero sí que podemos engañarnos si intentamos aplicar nociones clásicas a estas entidades decididamente no clásicas.
Así, mientras que los electrones en los átomos tienen ciertamente energía cinética y momento (incluido el momento angular orbital, aparte de los electrones en s orbitales), es un error atribuirles cualquier tipo de trayectoria clásica.
KR136
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46
Lo que tenemos es Mecánica Cuántica complementada con Electrodinámica Cuántica. Con las herramientas disponibles se pueden calcular las propiedades atómicas con una precisión cada vez mayor. El hidrógeno neutro puede tratarse mediante la ecuación de Schrödinger y, más exactamente, la de Dirac. A esto se añaden las correcciones radiativas perturbativas de la QED y un núcleo de tamaño finito. Esto nos lleva al límite o más allá de la precisión experimental. Para los átomos de muchos electrones también hay que considerar la interacción de configuración y las correcciones a la aproximación de Born. En mi opinión, esto es bastante definitivo.
user98822
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8
Es imposible tener el modelo final de un átomo. Tendremos que hacerlo con aproximaciones.
Hay demasiados factores que tener en cuenta. Incluso algo tan "simple" como el espín del protón: Véase este PDF por ejemplo.
Y, según el tipo de átomo, en cada átomo hay al menos 1 protón. Y no hay que olvidar los neutrones (ambos nucleones). y la interacción entre ellos. Los acoplamientos espín-órbita. Etc.etc.
Para el sistema protón-electrón (Hidrógeno) se puede hacer la mejor aproximación. Simplemente porque es el átomo más simple. Tres quarks (protón), un electrón. Pero ya es difícil (incluso con ayuda de un superordenador) calcular las interacciones entre los quarks de valencia y los quarks de no valencia mediante gluones (ver el PDF). Una vez hecho esto, hay que calcular la interacción entre el protón y el electrón. No que difícil (mediante la ecuación de Schrodinger), pero cuando intentas hacerlo en conexión con la QED la historia se vuelve algo más difícil.
Así que ya se puede imaginar cómo es la situación para los átomos de mayor masa.
Sobre la visibilidad de los átomos. Nunca jamás será posible ver cómo es un átomo (de la forma que sea). Tal vez una imagen generada por ordenador, que es algo diferente. No te dejes engañar por la gente (que escribe para revistas sensacionalistas, para que les llegue el dinero) que dice que sí se puede. Mira ésta:
El primer átomo se hace visible
De nuevo, ¡no dejes que estas popularizaciones te engañen! Usted no veas los átomos, sino una imagen de ellos, que es algo completamente distinto. Imagina que tuvieras el tamaño en el orden de los átomos. ¿Cómo podrías verlos? ¿Iluminándolos con fotones? No. Creo que eres lo suficientemente inteligente como para ver por qué esto es imposible.
Una cosa más, pero la última. Se dice en una respuesta aquí que la QED se utiliza en todos los cálculos relativos al átomo. NO es cierto. @my2cts aborda esta cuestión perfectamente.
Josh Diehl
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138
Lo más importante es entender la diferencia entre órbita y orbital. Originalmente, el átomo se imaginaba con órbitas clásicas (como los planetas alrededor de las estrellas), pero con el tiempo se desarrolló la QM y ahora hablamos de orbitales de electrones.
En teoría atómica y mecánica cuántica, un orbital atómico es una función matemática que describe el comportamiento ondulatorio de un electrón o de un par de electrones en un átomo. 1 Esta función se puede utilizar para calcular la probabilidad de encontrar cualquier electrón de un átomo en cualquier región específica alrededor del núcleo del átomo. El término orbital atómico también puede referirse a la región o espacio físico en el que se puede calcular que está presente el electrón, según lo define la forma matemática particular del orbital[2].
Hoy en día, tenemos básicamente tres tipos de orbitales:
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Como el hidrógeno
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Tipo Slater
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Tipo gaussiano
Así que, básicamente, los modelos orbitales atómicos actuales describen la existencia de los electrones alrededor del núcleo como una distribución de probabilidad. ¿Ahora preguntas si tienen formas determinadas? Sí, las tienen.
