Me he estado preguntando por qué sólo los electrones giran alrededor de los protones y no éstos al revés. Tienen fuerza electrostática y creo que el factor masa no tiene nada que ver aquí. ¿Entonces por qué?
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Rob Jeffries
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NB: He interpretado que la pregunta se refería esencialmente a por qué los protones residen en los núcleos en lugar de los electrones.
Los electrones se repelen entre sí con una fuerza de Coulomb que crece mucho cuando están cerca. Los protones también se repelen entre sí de la misma manera, pero la diferencia es que los protones también se atraen entre sí y a los neutrones por la fuerza de fuerza nuclear fuerte (ya que los protones están formados por quarks que sienten la fuerza fuerte), que actúa a corta distancia ( $\sim 10^{-15}$ m) y, por tanto, pueden unirse a núcleos densos.
Los electrones son partículas puntuales y no están formados por quarks. No interactúan mediante la fuerza nuclear fuerte y no pueden unirse a núcleos densos.
Forrest
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Considerando un modelo clásico de dos partículas, en realidad ambas giran alrededor del centro de masa del sistema. Lo mismo ocurre con el movimiento del sistema Tierra-Sol. Si uno de los dos objetos es mucho más masivo que el otro, entonces el centro de masa está muy cerca del objeto masivo, incluso dentro del volumen ocupado por el objeto masivo. Entonces el movimiento del más ligero es casi como girar alrededor del masivo. Pero para los electrones en los átomos, el "girar alrededor" no es una buena descripción. Los electrones no se mueven alrededor de trayectorias clásicas y algunos de ellos pueden tener una probabilidad distinta de cero de estar dentro del núcleo. Hovewer la configuración del átomo, incluso cuando se describe por la mecánica cuántica, depende de la relación de las masas de los componentes. Por tanto, el factor masa es esencial.
El título de la pregunta ha tenido demasiadas ediciones por parte de varias personas, así que quiero responder claramente al contenido:
por qué sólo los electrones giran alrededor de los protones en lugar de los protones al revés. Tienen fuerza electrostática y creo que el factor masa no tiene nada que ver aquí.
El factor masa es importante, porque en sistemas ligados con cualquier tipo de fuerza , ya sea clásica o mecánica cuántica (y el átomo es una entidad cuántica) tienen que obedecer la ley de conservación del momento . El momento es el vector $p$ = $mv$ donde $m$ es la masa y $v$ la velocidad vectorial, así es como entra la masa.
Por ejemplo, tomemos el átomo de hidrógeno: Las dimensiones del átomo de hidrógeno son uno angstrom=100.000fermi la dimensión del protón es aproximadamente una fermi . El orbital del electrón ocupa una región 100.000 veces mayor que la dimensión del protón.
Para ver cómo afecta la conservación del momento al estado ligado de los electrones en un átomo , para el hidrógeno: el electrón es ~0,5MeV, el protón ~1000Mev. Si se mide la velocidad del electrón en el átomo de hidrógeno y por lo tanto se mide el momento, el momento del protón tiene que ser igual y opuesto . Debido a la gran diferencia de masas, la velocidad será muy pequeña. Esto significa que un trazado de la órbita del electrón en el sistema de centro de masa cubre una gran área, mientras que la órbita del protón se situará dentro de su volumen.
Así pues, debido a la gran diferencia entre las masas de los electrones y de los núcleos, se supone que el centro de masa est en el núcleo y los electrones tienen orbitales a su alrededor.
(En los comentarios se ha dado la analogía de la órbita del sol alrededor del baricentro del sistema planetario, donde el baricentro suele estar dentro del volumen del sol).
alex9183
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En un átomo de hidrógeno-1, el protón tendrá un orbital centrado en el centro de masa del átomo, pero como un protón tiene una masa unas 2000 veces superior a la de un electrón, su movimiento será mucho menor. En los átomos más grandes, el protón y los neutrones del núcleo intercambian constantemente partículas virtuales. Aunque a menudo se considera que el núcleo tiene "protones" y "neutrones", en gran medida el núcleo es sólo una sopa de quarks que pueden separarse en globos de protones y globos de neutrones de quarks si se dan las condiciones adecuadas. No podemos separar una función de onda "protón" de esta sopa del mismo modo que podemos separar una función de onda electrón. El núcleo tiene una función de onda global que abarca todos los quarks que lo componen, y los "protones" y los "neutrones" son más fluctuaciones en esta función de onda que funciones de onda separadas.
chip
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En esencia, el punto central es $m_{proton} \approx 1836\, m_{electron}$ . Si se toma el problema cuántico de dos cuerpos, es decir, la ecuación de Schrodinger para dos partículas con una interacción coulombiana y se hace la aproximación $m_{proton} >> m_{electron}$ obtendrás los niveles de energía discretizados que pertenecen al átomo de hidrógeno.
Véase aquí para una revisión rápida.
Además, la formulación del problema cuántico de los dos cuerpos resuelve el problema de la estabilidad de un átomo de hidrógeno porque, en mecánica clásica, tienes pérdidas de energía debidas a una partícula cargada acelerada.
