El núcleo está formado por protones y neutrones. Ambos son extremadamente pesados comparados con los electrones. Entonces, ¿cómo es que están contenidos en un espacio extremadamente pequeño? ¿Y por qué el átomo consiste en un 99,999% de espacio vacío?
No entiendo las matemáticas con respecto a esto. Por favor, dame una explicación de este fenómeno con palabras en la medida de lo posible :)
Supongamos que tenemos dos partículas que se atraen entre sí. Podría ser un electrón atraído al núcleo por la fuerza electromagnética, o dos nucleones atraídos por la fuerza fuerte, pero mantengámoslo en general por ahora. Supongamos que estas dos partículas están separadas por una distancia $r$ :
Si las partículas fueran, por ejemplo, un electrón y un protón, habría una atracción entre ellos y a medida que disminuyéramos $r$ la energía $E$ disminuirá de acuerdo a:
$$ E = - \frac {A}{r} $$
por alguna constante $A$ que nos dice cuán fuerte es la fuerza de atracción entre las partículas. Las partículas quieren reducir su energía, así que intentarán hacer que la distancia $r$ entre ellos lo más pequeño posible, es decir, tratarán de fusionarse.
Pero el principio de incertidumbre de Heisenberg nos dice que:
$$ \Delta x \Delta p \ge \frac { \hbar }{2} $$
es decir, si localizamos una partícula a una distancia $ \Delta x$ su impulso se vuelve incierto por una cantidad $ \Delta p$ . En nuestro sistema de dos partículas podemos, de forma ondulante, decir que la incertidumbre en la posición está alrededor de la distancia entre las partículas. Un rápido reordenamiento de la ecuación anterior nos dice que la incertidumbre del momento está relacionada con $r$ por:
$$ \Delta p \ge \frac { \hbar }{2r} $$
La razón por la que esto importa es que la energía de un sistema está relacionada con su impulso por:
$$ E = \frac {p^2}{2m} $$
y si tomamos el $ \Delta p$ que calculamos arriba y lo pusimos en esta ecuación que obtenemos:
$$ E = \frac { \hbar ^2}{8r^2m} $$
Así que a medida que movemos las partículas juntas, el principio de incertidumbre significa que su energía aumenta, y esto se opone a la fuerza de atracción entre las partículas. Las partículas van a terminar a una distancia en la que estos dos efectos se equilibran, es decir.
$$ \frac {A}{r} = \frac { \hbar ^2}{8r^2m} $$
y reordenando esto para $r$ da:
$$ r = \frac { \hbar ^2}{8Am} $$
Ya que este es un argumento muy aproximado, ignoremos las constantes y escribamos:
$$ r \propto \frac {1}{Am} $$
Y esto nos dice inmediatamente por qué los núcleos son más pequeños que los átomos. La masa de los nucleones es unas 2.000 veces mayor que la masa de los electrones, y nuestra ecuación nos dice que el tamaño se reduce a medida que la masa aumenta. También las fuerzas nucleares son más fuertes que las electromagnéticas, es decir, la constante $A$ es mayor para las fuerzas nucleares, y la ecuación nos dice que como $A$ aumentos $r$ disminuye. Ambos efectos significan que el tamaño de los núcleos va a ser más pequeño que el tamaño de los átomos.
Lo primero que tienes que entender es que un átomo es no 99,99% de espacio vacío . Es sólo un concepto erróneo que se niega a morir, por varias razones:
El último punto generalmente da lugar a una imagen de una partícula que se acerca desde el exterior y choca contra un electrón o un núcleo, como si un asteroide viniera y golpeara la tierra. Claramente para tener tal colisión, las partículas deben tener alguna extensión espacial, y si tienen alguna extensión espacial hay una noción de espacio "ocupado" y "vacío".
Esta imagen está equivocada. La extensión espacial del electrón es la de la órbita atómica, que es aproximadamente el tamaño del átomo. La extensión espacial del núcleo es mucho menor, ya que explicado en otra respuesta . Cualquier noción de "espacio vacío" es simplemente engañosa.
Entonces, ¿de dónde saca alguien estas ideas "casi vacías"? Bueno, resulta que mirar el núcleo no es muy fácil con la luz visible (básicamente porque los fotones visibles están demasiado extendidos espacialmente para ser una buena sonda), así que la única manera de resolver el núcleo es golpeando los átomos con partículas de alta energía. En las energías en las que se puede resolver un núcleo, la probabilidad de que una partícula interactúe con un electrón es bastante baja. Los físicos traducen esta menor probabilidad a un lenguaje cargado de geometría hablando de la sección transversal del electrón, así que en este experimento vemos un núcleo y un "pequeño" electrón, es decir, mayormente espacio vacío.
Lo importante es que el electrón nunca fue realmente "pequeño", así que el espacio nunca estuvo realmente vacío. Todo el punto de vista es un marco demasiado simplificado de los primeros experimentos donde la estructura atómica era resoluble.
Los protones y los neutrones del núcleo sienten el fuerza nuclear fuerte (o más bien la fuerza fuerte equivalente a la fuerza de van-der-Waals). Como esta fuerza es mucho más fuerte que la repulsión electrostática entre los protones, los núcleos atómicos son muy pequeños.
Los electrones, por otro lado, no sienten en absoluto la fuerza fuerte, esa es sólo una de sus propiedades básicas. Por lo tanto, sólo están unidos a través de la fuerza electromagnética y como ésta es mucho más débil, conduce a orbitales mucho más grandes.
Puede que no sea una respuesta directa a su pregunta, pero se equivoca en su suposición. Lo que describiste no siempre es el caso.
De hecho, existen formas exóticas de materia, donde básicamente no hay ningún espacio entre los núcleos atómicos; todos los átomos pueden ser aplastados juntos en una sopa de protones y neutrones bajo los efectos de la gravedad extrema.
Esto es de hecho lo que sucede en una estrella de neutrones. Una estrella de neutrones se teoriza que está compuesta de un número de capas, similar a la forma en que nuestro planeta está compuesto de capas, con las capas menos densas en la parte superior y el material más denso más cerca del centro, con las presiones mucho mayores manteniéndolas así.
La capa más externa de la estrella de neutrones, la corteza, todavía tendrá algún espacio entre los núcleos de protones/neutrones y por lo tanto todavía tendrá un concepto identificable de los átomos, aunque muy agrupados. Pero a medida que nos acerquemos al centro, todo ese espacio vacío desaparecerá, la gravedad superará completamente la repulsión de los electrones y los átomos perderán esencialmente todo su espacio vacío y consistirán sólo en sus núcleos, ya que sus electrones en órbita son "capturados" por los protones de sus núcleos (y posteriormente transformados en neutrones - de ahí la estrella de neutrones). Si se va más allá, todas las distinciones de los átomos y núcleos individuales desaparecerán bajo el peso de una presión cada vez mayor; todos estos neutrones básicamente sólo formarán un océano.
¿Por qué te estoy diciendo todo esto? Bueno, en realidad hay una pista aquí, para tu respuesta. A saber, que para que un átomo NO sea un 99,999% de espacio vacío, necesitarías superar sus fuerzas de repulsión electrostática con una fuerza tan grande, que sólo serías capaz de lograrlo bajo la gravedad de una estrella tan densa como lo sería nuestro sol, si la tomaras y la redujeras al tamaño de una pequeña ciudad. Así de fuerte es la fuerza que asegura el 99,999% de espacio vacío, y qué tipo de presiones se necesitarían para superarlo. En ausencia de tal fuerza abrumadora, las fuerzas electromagnéticas de repulsión dentro del átomo asegurarían los tamaños que los átomos tienen actualmente.
Creo que su pregunta tiene más que ver con la fuerza electromagnética que con el núcleo. No es el núcleo lo que define el espacio vacío en el átomo tanto como los orbitales de los electrones, y un poco como la tierra que orbita el sol, o, Plutón que orbita el sol - Las órbitas pueden ser mucho más grandes que lo que orbitan.
Son las órbitas de los electrones las que determinan tanto el tamaño como, se podría decir, la naturaleza química de los átomos (aunque la naturaleza química se asocia a menudo con el número de protones del Núcleo), pero el número de protones del núcleo determina las órbitas de los electrones y son esas órbitas de los electrones las que hacen los enlaces químicos y dan al átomo sus características.
En cierto sentido, no es realmente un espacio vacío porque está lleno de la fuerza electromagnética y mientras que el electrón en sí es un poco pequeño comparado con el átomo, el campo de electrones es aproximadamente del tamaño del átomo.
Pero, si la pregunta es, ¿por qué los electrones orbitan tan lejos del Núcleo como lo hacen. Eso está por encima de mi nivel de pago.
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