Mi pregunta no es cómo reciben la energía para saltar, sino por qué. Cuando alguien ve el espectro de emisión de un elemento, vemos un espectro de líneas que demuestra que no existen fuera de sus orbitales (si no, veríamos un espectro continuo). Los electrones pueden liberarse en forma de desintegración beta, lo que prueba que son capaces de viajar fuera de los orbitales, contrariamente a lo que dijo mi profesor de que permanecen dentro de los orbitales. Entonces, para añadir a la confusión, el antiguo modelo de anillos flotando alrededor de un núcleo ha sido, por lo que puedo decir, anticuado, lo que apoyaría este modelo. La explicación de mi profesor era que los electrones realizaban algún tipo de salto cuántico. Cómo ¿se mueven los electrones entre orbitales o sabemos cómo saltan, excluyendo la razón de que la energía los hace saltar, y por qué se forman a veces positrones en lugar de electrones en la desintegración Beta? Cuando estoy preguntando "como saltan los electrones" me gustaría saber como un electrón puede saltar entre cada orbital como se mueve y como sabe donde saltar ya que parece ser un salto donde el electrón no se frena en una posición orbital. Específicamente cómo saltan lo que es esta transición de electrones atómicos, entiendo que saltan y que lo hacen a través de la absorción y liberación de energía, pero lo que es esta transición de electrones atómicos aparte de lo que ya está en el artículo de wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_electron_transition .
Respuestas
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Las respuestas hasta ahora parecen bastante buenas, pero me gustaría probar un ángulo ligeramente diferente.
Antes de llegar a los orbitales atómicos, ¿qué significa que un electrón "esté" en algún lugar? Supongamos que miro un electrón y veo dónde está (supongamos que tengo un microscopio muy sofisticado/sensible/preciso). Esto parece sencillo, pero ¿qué hice cuando "miré" al electrón? Debo haber observado algún fotón que acababa de interactuar con ese electrón. Si quiero hacerme una idea del movimiento del electrón (no sólo de su momento instantáneo, sino de su posición en función del tiempo), necesito observarlo durante un periodo de tiempo. Pero esto es un problema, porque sólo puedo observar el electrón cada vez que interactúa con un fotón que yo pueda observar. En realidad me es imposible observar el electrón continuamente, sólo puedo obtener instantáneas de su posición.
Entonces, ¿qué hace el electrón entre una observación y otra? No creo que nadie pueda responder a esa pregunta. Todo lo que podemos decir es que en un momento dado el electrón fue observado en el punto A, y en un momento posterior fue observado en el punto B. Fue de A a B... de alguna manera. Esto nos lleva a una forma diferente de pensar sobre dónde está un electrón (u otra partícula).
Si conozco algunas de las propiedades del electrón, puedo predecir que es más probable que observe un electrón en unos lugares que en otros. Los orbitales atómicos son un buen ejemplo de ello. Un orbital se describe mediante 4 números cuánticos, que llamaré $n$ , $l$ , $m$ , $s$ (existen varias notaciones; creo que ésta es razonablemente común). $n$ es una descripción de cuánta energía tiene el electrón, $l$ describe su momento angular total, $m$ lleva cierta información sobre la orientación de su momento angular y $s$ caracteriza su espín (el espín es todo un tema en sí mismo, por ahora digamos que es una propiedad que tiene el electrón). Si conozco estas 4 propiedades de un electrón unido a un átomo, puedo predecir dónde es más probable que observe el electrón. Para algunas combinaciones de $(n,l,m,s)$ la distribución es simple (por ejemplo, esféricamente simétrica), pero a menudo puede ser bastante complicada (con lóbulos o anillos donde es más probable que encuentre el electrón). Siempre existe la posibilidad de que observe el electrón en CUALQUIER PARTE, pero es MUCHO MÁS PROBABLE que lo encuentre en alguna región concreta. A esto se le suele llamar distribución de probabilidad de la posición del electrón. Ilustraciones como estos son engañosas porque dibujan un borde duro en la distribución de probabilidad; lo que se muestra en realidad es la región en la que el electrón se encontrará un alto porcentaje de las veces.
Así que la respuesta a cómo un electrón "salta" entre orbitales es en realidad la misma que cómo se mueve dentro de un mismo orbital; simplemente "lo hace". La diferencia es que para cambiar de orbital, alguna propiedad del electrón (una de las descritas por $(n,l,m,s)$ ) tiene que cambiar. Esto siempre va acompañado de la emisión o absorción de un fotón (incluso un giro de espín implica un fotón (de muy baja energía)).
Otra forma de verlo es que el electrón no tiene una posición precisa, sino que ocupa todo el espacio, y las observaciones de la posición del electrón son sólo manifestaciones de la "función de onda" más fundamental, cuyas propiedades dictan, entre otras cosas, la distribución de probabilidad de las observaciones de la posición.
Imagina un electrón a gran distancia de un átomo, sin nada más alrededor. El electrón no "sabe" nada del átomo. Declaramos que tiene energía cero. No ocurre nada interesante. Éste es nuestro punto de referencia.
Si el electrón está en movimiento, pero aún lejos del átomo, tiene energía cinética. Ésta es siempre positiva. El electrón, que aún no interactúa con el átomo, puede moverse a su antojo. Tiene energía positiva, y en cualquier cantidad posible. Su función de onda es una simple onda plana corrida, o alguna combinación lineal de ellas para formar, por ejemplo, una onda esférica. Su longitud de onda, relativa a la energía cinética, puede tener cualquier valor.
Cuando el electrón está cerca del átomo, las cargas opuestas se atraen, y se dice que el electrón está atrapado en un pozo de potencial. Se está moviendo, por lo que tiene energía cinética positiva (siempre), pero la energía potencial de Coulomb es negativa y en mayor cantidad. El electrón debe disminuir su velocidad si se aleja del átomo, para mantener constante la energía total del sistema. Alcanza la velocidad cero (energía cinética cero) a una distancia finita, aunque la mecánica cuántica permite un poco de trampa con una función de onda exponencialmente decreciente más allá de esa distancia.
El electrón está confinado en un pequeño espacio, una región esférica alrededor del núcleo. Siendo así, la longitud de onda de su función de onda debe en cierto sentido "caber" en ese espacio - exactamente uno, o dos, o tres, o n, nodos deben caber radial y circunferencialmente. Utilizamos el conocido número cuántico n,l,m. Existen niveles de energía discretos y funciones de onda distintas para cada estado cuántico.
Obsérvese que el electrón libre de energía positiva tiene todo el espacio para vagar y, por tanto, no necesita encajar ningún número concreto de longitudes de onda en nada, por lo que tiene un espectro continuo de niveles de energía y tres números reales (el vector de onda) para describir su estado.
Cuando el átomo absorbe un fotón, el electrón salta de digamos por ejemplo del orbital 2s al 3p, el electrón no está en ningún orbital durante ese tiempo. Su función de onda puede escribirse como una mezcla variable en el tiempo de los orbitales normales. Mucho tiempo antes de la absorción, que para un átomo es de unos pocos femtosegundos más o menos, esta mezcla es 100% del estado 2s, y unos pocos femtosegundos más o menos después de la absorción, es 100% del estado 3p. Entre medias, durante el proceso de absorción, es una mezcla de muchos orbitales con coeficientes que cambian salvajemente. Hubo un artículo en Physical Review A alrededor de 1980 o 1981, creo, que muestra algunos gráficos e imágenes y entró en esto con cierto detalle. Puede que fuera en Reviews of Modern Physics. De todos modos, ten en cuenta que esta mezcla es sólo una descripción matemática. Lo que realmente tenemos es una función de onda que cambia de un 2s estable, a un bamboleo salvaje, estableciéndose en un 3p estable.
Un fotón más energético puede expulsar al electrón del átomo, desde uno de sus estados orbitales discretos de energía negativa, a un estado positivo libre - generalmente una onda esférica en expansión - es lo mismo que antes, pero en lugar de establecerse en un 3p estable, la función de onda del electrón termina como una envoltura esférica en expansión.
Me gustaría poder mostrar algunas fotos, pero me llevaría tiempo encontrarlas o hacerlas...
Por supuesto que los electrones PUEDEN viajar entre orbitales, aunque lo hacen de forma no convencional (clásica).
La cuestión del desplazamiento de los electrones entre orbitales es el tema de la mecánica cuántica relativista o, como se denomina de otra forma, de la teoría cuántica de campos o electrodinámica cuántica.
Con palabras puedo describir la situación de la siguiente manera.
Los orbitales no son LUGARES, son ESTADOS EIGEN del operador de energía. El electrón puede existir en cualquier estado, pero este cualquier estado es representable por superposición de estados propios.
Así, un electrón que viaja desde el orbital $\psi_1$ a orbital $\psi_2$ se describe mediante el estado $a \psi_1 + b \psi_2$ donde $a$ y $b$ son pesos complejos de los componentes de superposición. Van cambiando con el tiempo, teniendo $a=1; b=0$ al inicio del proceso y $a=0; b=1$ .
Además, usted sabe que $|a|^2 + |b|^2=1$ en cualquier instante.
La ley de este cambio es exponencial, es decir. $a(t) \sim e^{-\lambda t}$ .
Los parámetros de este exponente dependen de la duración del estado. Cuanto menor sea el tiempo de vida, mayor será la pendiente del exponente. Además, la vida útil también está relacionada con la incertidumbre del estado. Cuanto más amplio sea el estado, más corta será su vida útil.
Aquí voy a abordar algunos conceptos erróneos en la pregunta, no abordados por la respuesta de DarenW.
Mi pregunta no es cómo reciben la energía para saltar, sino por qué. Cuando alguien ve el espectro de emisión de un elemento, vemos un espectro de líneas que demuestra que no existen fuera de sus orbitales (si no, veríamos un espectro continuo).
Estas emisiones y absorciones espectros
continuación
espectro de emisión
absorción
Proceden de los orbitales atómicos, como se explica en la respuesta de DarenW. Es decir, el núcleo con su carga positiva, digamos Helio con carga +2, tiene a su alrededor dos electrones "orbitando" en permitidas por las soluciones del problema mecánico cuántico "órbitas". Donde "órbitas" significa una ubicación espacial en el espacio tridimensional donde la probabilidad de encontrar electrones es alta, de forma esférica alrededor del núcleo con números cuánticos muy específicos.
Los electrones pueden liberarse en forma de desintegración beta, lo que demuestra que son capaces de viajar fuera de los orbitales, contrariamente a lo que dijo mi profesor de que permanecen dentro de los orbitales. T
Se trata de un concepto erróneo. Desintegración beta ocurren cuando un neutrón se convierte en protón y electrón, y son fenómenos que pertenecen al núcleo, no al átomo. El átomo se describe bien mediante interacciones electromagnéticas, el núcleo se describe mediante interacciones fuertes e interacciones débiles. Las desintegraciones beta son una interacción débil. Por lo tanto, el electrón de la desintegración beta es un electrón libre una vez que se materializa y es expulsado del núcleo, sobre todo si todas las posiciones orbitales libres de los electrones están ocupadas. El núcleo se transforma entonces en un núcleo isotópico de carga Z+1.
Así es como se visualiza actualmente la desintegración neutrónica
Cómo se mueven los electrones entre orbitales, excluyendo la energía añadida para excitar electrones,
Hay que añadir energía para excitar los electrones a orbitales superiores, y normalmente es con la patada de un fotón de la energía del hueco entre orbitales.
y ¿por qué se forman a veces positrones en lugar de electrones en la desintegración Beta?
De la wikipedia sobre captura de electrones
En todos los casos en los que la desintegración β+ está permitida energéticamente, el proceso de captura de electrones, cuando un electrón atómico es capturado por un núcleo con la emisión de un neutrino, también está permitido
Significa que un protón del núcleo se convierte en un neutrón, un positrón y un neutrino. Esto disminuye el Z nuclear en una unidad, e inducirá una cascada de electrones de orbitales superiores que caerán en el hueco dejado por el capturado.
Los electrones no son partículas tal y como existen en el átomo. Creo que la onda del electrón es perturbada por algo que ocurre desde el núcleo. El núcleo no es una cosa fija sino que sus miembros están en movimiento todo el tiempo. Así que digamos que en un momento determinado hay una excursión o evento de uno de los miembros o campo del núcleo. Esto puede ser la causa de que el electrón se mueva a una capa superior. De forma similar ocurriría una desintegración atómica. Piensa en la vida media. Así que es probabilístico.
