¿Por qué los electrones no chocan contra el núcleo?

En la clase de ciencias de la escuela secundaria, probablemente viste una foto de un átomo que se veía así:

La imagen muestra un núcleo estilizado con protones rojos y neutrones azules, rodeado de tres electrones grises. Es una imagen atractiva e icónica. Hace un bonito logo. Desafortunadamente, también está totalmente mal. Hay un punto en el que las partículas subatómicas son como pequeñas canicas, pero es un punto limitado. Los electrones se mueven alrededor del núcleo, pero no lo hacen en trayectorias elípticas como si fueran lunas pequeñas orbitando un planeta. La verdadera naturaleza de los electrones en los átomos es mucho más rara y fría.

El problema con las imágenes de los libros de texto como la de arriba es que te engañan para que pienses que las partículas son "cosas". Las partículas no son cosas. Aparecen y desaparecen de estar en una forma rápida y parpadeante que se parece más a la forma en que pensamos de la energía. Lo que llamamos "partículas" no son más que nudos o haces de campos de energía.

Los protones y los electrones se tiran (se atraen) unos de otros de la misma manera que los refrigeradores y los imanes. Si los electrones fueran realmente como lunas pequeñas orbitando un planeta, parece que podrían orbitar a cualquier distancia, y podrían caer fácilmente en el núcleo para colisionar con los protones. Y, sin embargo, esto nunca sucede. Los electrones siempre se organizan en 'arreglos' espaciales muy específicos alrededor del núcleo. Este hecho era totalmente misterioso hasta que los científicos empezaron a concebir los electrones como ondas probabilistas en un campo energético.

Usted puede tener una buena idea de cómo se comportan realmente las partículas mirando la estática de la televisión, que consiste en un gran número de electrones que se disparan a la pantalla al azar. Ahora trate de imaginar la "estática" que rodea el núcleo de un átomo, y obtendrá una imagen mucho mejor de lo que está sucediendo que la que obtiene al imaginar lunas orbitando un planeta.

Cuando los electrones están en órbita alrededor de un átomo o molécula, su patrón de estática no es aleatorio como lo es en la estática de la televisión. Cuando los electrones orbitan los átomos, sus campos de energía se organizan en patrones de ondulaciones superpuestas. Aquí están algunas capturas de pantalla de las visualizaciones interactivas de Paul Falstad del mundo subatómico. Las manchas de colores muestran la probabilidad de que los electrones se encuentren en un lugar determinado.

Los armónicos de Electron son tridimensionales en lugar de los armónicos unidimensionales de las cuerdas, pero la matemática subyacente es la misma. Estos armónicos determinan la disposición y las interacciones de la onda electrónica, de la misma manera que los armónicos de una cuerda forman la base de los acordes y escalas. Los armónicos del campo de electrones se llaman orbitales.

Esta captura de pantalla del applet del oscilador cuántico de Falstad muestra el primer armónico del campo de electrones alrededor de una molécula H2, dos átomos de hidrógeno, cada uno con un protón y un electrón. Este es el equivalente electrónico del armónico del traste doce en una cuerda de guitarra.

La mancha azul representa la ubicación más probable de un electrón, y la roja representa la otra.

A niveles de energía más altos, los orbitales toman formas más complejas. Hay una analogía directa aquí con los intervalos musicales más complejos que provienen de los armónicos más altos en una cuerda de guitarra.

Usted puede pensar en las órbitas como una estructura de cubículos, cada uno de los cuales puede ser ocupado por un electrón. Los cubículos vienen en pares, y los electrones "prefieren" vivir en pares llenos de cubículos. Toda la estructura de los objetos y la química del mundo surge de la forma en que interactúan las órbitas externas de los átomos. Si los agujeros exteriores de un átomo están vacíos, los electrones de otros átomos con orbitas vacías pueden llenarlos, bloqueando los átomos juntos en moléculas. Todos los materiales sólidos y líquidos se mantienen unidos por este intercambio de electrones entre orbitales.