¿Por qué los átomos son estables con 8 electrones en su último nivel de energía? ¿Por qué no 10 o 20 u otro número?

Todos los gases nobles, excepto el helio tienen 8 electrones en la última capa capa.

Empecemos por el átomo más simple, el átomo de hidrógeno. Para mantener la órbita, la fuerza coulombiana debida a la presencia del núcleo, debe ser igual a la fuerza centrípeta:

Tenemos una ecuación y dos incógnitas v y r. Además del momento angular L=mvr aparece otro momento Le=Ke2/v, que podemos denominar momento angular eléctrico. Si ahora calculamos la velocidad el electrón en estado libre, obtenemos v= ac, con lo que el momento angular está determinado

Por lo tanto, r estará determinada y que coincide con radio atómico de Bohr. También, la masa y carga del electrón al igual que las constantes de Planck y de Coulomb se pueden calcular en función de la velocidad de la luz. Por lo tanto en el átomo de hidrógeno todo está determinado.

Por otra parte, el electrón es una esfera de espacio, cuyo diámetro es la longitud de Planck, que gira sobre si misma y alrededor del núcleo. El giro del electrón (espín) genera una onda en todas direcciones, pero interesa la onda que se dirige al núcleo. El electrón gira sobre la superficie esférica de radio a0 (Figura 2)

Figura 1.- Átomo de hidrógeno

Figura 2. Atomo de hidrógeno

El electrón del átomo de hidrógeno atraerá al protón de otro átomo formando la molécula de hidrógeno, tal como se muestra en la figura 2, situándose lo más cerca posible, de forma que el intercambio de energía sea nulo, es decir, que las dos ondas lleguen desfasadas 180 grados.

Figura 3.- Molécula de hidrógeno.

El átomo de helio, esta formado por dos protones y dos neutrones que constituyen el núcleo y dos electrones girando alrededor del núcleo, por lo tanto, el segundo electrón debe entrar con el espín invertido (semiciclo negativo), con lo que las ondas llegan al núcleo en oposición de fase, en caso contrario el núcleo sería inestable y se desintegraría. Eso origina el principio de exclusión de Pauli. Capa 1S2

Figura 4.- Átomo de helio.

En todos los casos, el momento angular mínimo del electrón es h barra. Bohr cuantifico el momento angular mvr=nh, pero se olvidó de que hay dos variables,: la velocidad v y la distancia r al núcleo. Por lo tanto si v varia, variará el momento angular eléctrico Kq^2/v que es la otra parte de la igualdad deducida de la ley de Coulomb. Nosotros podemos modificar una parte de la igualdad, como hizo Bohr, pero el universo modifica las dos a la vez. Si un fotón choca con un electrón su momento angular se incrementa en una unidad, con lo que r o/y v se modifican para mantener la igualdad

En la primera capa (K), l y n sólo puede valer 1.Teniendo en cuenta el espín, sólo pueden haber dos electrones en la primera capa. Por consiguiente el átomo será estable. Helio 1s2

En la segunda capa (L), n y l pueden valer 1 ó 2, lo que da lugar a 4 combinaciones, y teniendo en cuenta el espín da lugar a ocho electrones.

En la subcapa p pueden entrar 3 electrones con el mismo espín, pero el cuarto rompería el núcleo con lo que necesariamente tienen que entrar con el espín opuesto. Para llenar la segunda capa, los electrones necesitan un momento angular de 2h barra.

La segunda capa también está completa, por consiguiente el átomo será estable ya que la mitad de los electrones tienen espín +1/2 y la otra mitad con espín –1/2. Corresponde al Neón 1s2 2s2 - 2p6

En la tercera capa (M), n y l pueden valer 1, 2 ó 3, lo que da lugar a 9 combinaciones, y teniendo en cuenta el espín da lugar a dieciocho electrones,

Al llenarse la subcapa 3p6, el átomo será estable, todos los espines están contrarrestados, lo que da lugar al Argón = 1s2 2s22p6 3s23p6

Sin embargo la capa 3 no esta completa ya que antes de llenarse la capa 3d10 se llena la 4s2 de menor energía.Los electrones de la subcapa d con momento angular o eléctrico 3h barra, necesitan más energía que los electrones de las siguiente capa 4s2 que se llenan antes.

Argón (Z = 18 ): (K)²(L)8(M)8 Potasio (Z = 19 ): (K)²(L)8(M)8(N)1

Calcio (Z = 20 ): (K)²(L)8(M)8(N)2 Escandio (Z = 21 ): (K)²(L)8(M)9(N)2

En la capa d pueden entrar 5 electrones con el mismo espín, pero el sexto rompería el núcleo con lo que necesariamente tienen que entrar con el espín opuesto. A continuación se llena la capa 4p6, dando lugar al Kripton = [Ar] 3d10 4s2 4p6.

En la cuarta capa ( N) hay 14 combinaciones mas que corresponden a la subcapa f, que se tiene que llenar antes que la 5p6. Lo que da lugar al Xenon = [Kr] 5s2 4d10 5p6

Finalmente queda el Radón = [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p6

En definitiva, los átomos estables son los que tienen completa la órbita circular de la capa Np. N es el número de capa: 1, 2, 3 …. y p es al subcapa, lo que coincide con 8 electrones en la última capa Excepto el helio que no posee subcapa p. La órbita circular Le = L = 2h barra en la última capa es lo que le da estabilidad al átomo.

La naturaleza lo único que hace es combinarse de todas las formas posibles y el electrón lo único que hace es girar, en sentido horario o en sentido antihorario. Para distinguir el sentido de giro necesitamos el signo + y -.

Además se necesita el valor numérico, que se corresponde con la constante de Planck o con la carga del electrón. De ahí el espín y la carga positiva y negativa. Pero los físicos se empeñan en que el universo es matemático y como el espín y la carga están cuantizados, han desarrollado una teoría, la mecánica cuántica, en base a esos números enteros o semienteros, sin ocuparse de que origina esos valores. Como la masa no está cuantizada, llevan 100 años buscando la gravedad cuántica. Problema abierto, lo llaman. El universo utiliza dos constantes: la longitud de Planck y la velocidad de la luz. La longitud de Planck, fija el tamaño de las partículas elementales, y la velocidad de la luz fija el ritmo de expansión del universo. Todas las demás constantes se pueden calcular a partir de esas dos y son fruto de qué para los físicos la masa, la carga, el espín, la frecuencia etc. sólo son números a introducir en una ecuación.

El llenado de las capas es el siguiente:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s23d104p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 p6 7s2 5f14 6d10

En la cuarta capa (N) hay 14 combinaciones más que corresponden a la subcapa f.

En la quinta capa ……

La naturaleza no necesita la constante h barra, emplea la siguiente c=w r = constante. Siendo c la velocidad de la luz y la velocidad lineal de rotación. Se transmiten rotaciones, de forma que si w aumenta r disminuye y viceversa.