Los protones y los electrones tienen cargas opuestas, entonces, ¿por qué no se tiran entre sí? » Cienciahoy

Las cargas diferentes se atraen entre sí, pero los protones y electrones dentro del espacio de un átomo no interactúan entre sí. La física cuántica intenta explicar la razón detrás de la ausencia de esta interacción prohibida.

El fundamento de la pregunta “¿Por qué los electrones no chocan con los protones?” proviene del modelo planetario de Rutherford de un átomo.

Este es un modelo demasiado simplificado de un átomo como un núcleo denso central que consta de protones y neutrones, con electrones que giran alrededor del núcleo, una idea estructurada en el sistema solar. La física cuántica intenta explicar esta interacción de manera menos abstracta.

Modelo de Rutherford como extensión del sistema solar

Modelo planetario de un átomo.

Modelo planetario de un átomo (Crédito de la foto: Fotofolia y Shutterstock)

Este modelo no pudo explicar la estabilidad de una partícula en una trayectoria circular, pero dejó una pregunta imborrable que ha persistido durante generaciones: ¿Por qué los electrones no terminan tirando de sus protones?

Rutherford planteó la hipótesis de que la estabilidad de un electrón es un equilibrio entre la fuerza centrífuga del electrón giratorio y las fuerzas de atracción del núcleo. Es una hipótesis de imagen perfecta, ¡pero insostenible!

¿Por qué el modelo planetario de Rutherford no es válido?

Una partícula cargada que gira en una órbita debe cambiar de dirección, lo que resulta en una aceleración. Una partícula acelerada cargada perderá energía en la radiación electromagnética y eventualmente colapsará en el núcleo.

Sin embargo, esto no sucede. Un átomo es extremadamente estable, por lo que debemos alejarnos de la física clásica y girar hacia la física cuántica para obtener una respuesta.

Evolución de la estructura de un átomo.

la historia del atomo

Líneas de tiempo en la estructura de un átomo (Crédito de la foto: sousou07/Shutterstock)

  • (1803) Modelo de bola de billar de Dalton de un átomo como una entidad indivisible. Hoy sabemos que un átomo es divisible en partículas subatómicas.
  • (1904) El modelo de pudín de pasas de Thomson incrustó electrones en una esfera de cargas positivas. La teoría fracasó tras el descubrimiento del núcleo por Rutherford y su equipo.
  • (1911) El modelo nuclear de Rutherford propuso que el átomo tiene una región central pequeña y densa, llamada núcleo, que consta de partículas cargadas positivamente. Los electrones cargados negativamente giraban en órbitas alrededor del núcleo. Este modelo, basado en el modelo planetario, no explica la estabilidad de un átomo.
  • (1913) El modelo cuántico de Niels Bohr también se basó en un modelo planetario, pero aquí, los electrones giran en caminos con energía fija llamados órbitas. Los espacios entre las órbitas están prohibidos para el electrón. Este modelo descarta la espiral de electrones en protones debido a los “caminos prohibidos” entre diferentes niveles de energía.

Sin embargo, el modelo no pudo explicar los espectros lineales de los átomos con más de un electrón.

  • (1926) En el modelo mecánico cuántico de Schrödinger, los electrones no se mueven en órbitas circulares sino que existen en nubes electrónicas. Una nube de electrones es una región del espacio dentro de un átomo, donde hay un 90% de probabilidad de encontrar el electrón; este espacio se llama orbital.

Schrodinger y Heisenberg propusieron teorías y ecuaciones matemáticas para la estabilidad de un átomo, lo que condujo al nacimiento de la mecánica cuántica. De acuerdo con esta escuela de física, la posición y el momento de un electrón no se pueden determinar simultáneamente.

Con el modelo de nube de electrones de un átomo, no hay zona prohibida para que crucen los electrones.

Entonces, ¿qué impide que los electrones y los protones de un átomo interactúen?

Un simple experimento puede mostrar que los protones y electrones de diferentes átomos interactúan, pero los protones y electrones del mismo átomo no interactúan. Los protones y los electrones tienen cargas opuestas, por lo que tradicionalmente se atraerían entre sí.

Esto es muy claro a partir de un pequeño experimento con globos. La electricidad estática es un fenómeno eléctrico en el que las partículas cargadas pueden transferirse de un cuerpo a otro.

Diagrama de muestras de electricidad estática.  Mismos, polos opuestos

Electricidad estática, transferencia transitoria de electrones (Crédito de la foto: grayjay/Shutterstock

Cuando un globo se frota contra un suéter o el cabello de una persona, el globo adquiere cargas negativas. Cuando el globo cargado negativamente se acerca a la pared, los electrones en la pared se mueven, dejando expuestos los protones, que interactúan con las cargas negativas del globo.

Cuando los electrones de un tipo de materia son atraídos por los protones de otro, ¿por qué no interactúan los electrones y los protones dentro del mismo átomo? En teoría, ¡los electrones deberían acercarse directamente al núcleo!

Probabilidades contra la colisión nuclear

Cuatro conceptos prohíben las interacciones entre protones y electrones del mismo átomo.

1. Energía Cinética y Potencial en la estabilidad atómica.

Un electrón en el espacio atómico más alejado del núcleo lleva energía potencial, pero no energía cinética. Si el electrón se mueve hacia el protón, parte de su energía potencial se convierte en energía cinética y energía electromagnética. Los electrones con energía cinética siguen saltando, lo que les impide combinarse con un protón.

2. El mazo final del juego: la batalla de los infinitos

Si el electrón entrara en el núcleo, aún no se combinaría con el protón. La energía potencial de un electrón se vuelve negativa a medida que se acerca al núcleo y es menos infinito dentro del núcleo. Por el contrario, la energía cinética de los electrones sigue aumentando y es infinito positivo dentro del núcleo, lo que se denomina energía de confinamiento. Una caída en la energía potencial es el doble de la energía cinética. Esto hará que el electrón salte a una distancia igual al radio de Bohr, limitando así su interacción con los protones.

3. Naturaleza dual de los electrones

Según el principio de Heisenberg, la ubicación y el momento de un electrón no se pueden determinar simultáneamente. Esta es una propiedad fundamental de los microcuerpos, como los electrones. Entonces, dentro del perímetro de un átomo, un electrón no puede ser considerado como una partícula, sino más bien como una onda. Así, el electrón puede atravesar el núcleo, pero no puede caer y permanecer en el núcleo.

4. Resumámoslo

Una unión protón-electrón debe formar un neutrón. Tanto la carga como la masa tienen que coincidir. En cuanto a la carga, el protón cargado positivamente interactuará con el electrón cargado negativamente para formar un neutrón, pero la coincidencia de masa es improbable. La masa de un protón es 1,6726 x 10-27 kg y la masa de un electrón es 0,00091 x 10-27 kg, pero la masa de un neutrón es 1,6749 x 10-27 kg. La suma de la masa de un electrón y un protón no es igual a la masa de un neutrón.

Por lo tanto, para que un electrón y un protón se combinen para formar un neutrón, se debe sumar energía, masa o ambas.

Conclusión

Los electrones pueden entrar ocasionalmente en el núcleo, pero es improbable que interactúen con los protones para formar un neutrón. Varios conceptos explican la ausencia de esta atracción fatal: la batalla de los infinitos, la propiedad ondulatoria del electrón y la diferencia entre la masa de un neutrón y la suma de las masas de un protón y un electrón. ¡La interacción prohibida de protones y electrones es una propiedad fundamental que mantiene intactos a los átomos y al Universo!

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