Los Átomos NO Son Así
Summary
TLDREl mito del modelo planetario del átomo, donde los electrones giran alrededor del núcleo como bolitas, es desmentido en este video. Se explica que si los átomos funcionaran así, no estaríamos aquí para hablar de ellos. El modelo de Rutherford, aunque revolucionario en su tiempo, tenía problemas de estabilidad, ya que los electrones perderían energía y se colapsarían hacia el núcleo. Físicos como Bohr, Sommerfeld y De Broglie intentaron solucionar estos problemas, pero fue Schrödinger quien resolvió la mayoría de ellos con su ecuación matemática. Los electrones no giran en órbitas clásicas, sino que su movimiento es cuántico y está determinado por las reglas de la mecánica cuántica, lo que implica una indeterminación en su posición y movimiento. Los físicos representan esta indeterminación con 'orbitales', que son nubes de probabilidad que indican dónde es más probable encontrar a un electrón. Los orbitales reflejan la naturaleza abstracta y profunda de los movimientos electrónicas, y el video invita a explorar la belleza de estos fenómenos a través de la tabla periódica, especialmente en el átomo de hidrógeno, que es el más simple y fundamental.
Takeaways
- 🚫 El modelo clásico del átomo, que muestra electrones girando alrededor del núcleo, es una antigualla y no refleja la realidad.
- 🌌 El modelo de Rutherford, aunque revolucionario en su tiempo, tenía problemas de estabilidad, ya que los electrones deberían caer en el núcleo si giran en un campo electromagnético.
- 🔬 Físicos como Bohr, Sommerfeld y De Broglie intentaron solucionar los problemas del modelo de Rutherford, pero fue Schrödinger quien resolvió muchos de ellos con su ecuación matemática.
- ⚛️ Los electrones en un átomo se comportan de manera cuántica, lo que significa que no siguen las reglas de la mecánica clásica.
- 📊 La indeterminación cuántica es una de las principales diferencias entre el mundo cuántico y el macroscópico; los electrones no tienen una posición o velocidad exactas.
- 🌟 La visión correcta de un electrón en un átomo no es una órbita concreta, sino una 'nube' de probabilidades donde el electrón puede estar.
- 📐 Los orbitales representan la distribución de probabilidad de los electrones en un átomo y son una evolución cuántica de las órbitas clásicas.
- 🔢 Los números cuánticos (n, l, m) etiqueta las distintas maneras en que un electrón puede moverse dentro de un átomo, y cada uno tiene un significado específico en la mecánica cuántica.
- 🌀 El valor de 'l', que clásicamente representaría la cantidad de momento angular, en el mundo cuántico refleja una propiedad abstracta más que la velocidad de rotación.
- 🧲 El valor de 'm', que podría interpretarse como la inclinación del momento angular, también tiene una interpretación abstracta en la mecánica cuántica.
- 💿 El estado de menor energía de un electrón es cuando 'l' es cero, lo que clásicamente implicaría una velocidad de rotación nula, pero en la mecánica cuántica no tiene sentido hablar de la rotación del electrón.
- 🌈 Los orbitales tienen formas asombrosas y son fundamentales para entender la estructura y el comportamiento de los átomos, como el del hidrógeno, que es el más sencillo.
Q & A
¿Por qué la imagen clásica del átomo como un sistema planetario no es correcta?
-La imagen clásica del átomo como un sistema planetario no es correcta porque los electrones, al girar en una órbita, deberían perder energía emitiendo radiación y eventualmente caer en espiral hacia el núcleo, lo que contradice la estabilidad de los átomos que observamos.
¿Quién propuso el modelo planetario del átomo y cuál fue su principal problema?
-El modelo planetario del átomo fue propuesto por el físico neozelandés Rutherford. Su principal problema fue la estabilidad, ya que no explicaba cómo los electrones pueden mantener su órbita sin caer hacia el núcleo.
¿Cómo resolvió Schrödinger los problemas del modelo de Rutherford?
-Schrödinger resolvió los problemas del modelo de Rutherford utilizando su ecuación de onda, que describe la evolución cuántica de los sistemas y proporcionó una nueva comprensión de cómo se comportan los electrones en un átomo.
¿Cuál es la diferencia fundamental entre la mecánica clásica y la mecánica cuántica?
-La diferencia fundamental entre la mecánica clásica y la mecánica cuántica es la indeterminación. En la mecánica cuántica, las partículas como los electrones no tienen una posición o velocidad exactas, sino que están definidas en términos de probabilidades y funciones de onda.
¿Cómo se representa la indeterminación cuántica de la posición del electrón en un átomo?
-La indeterminación cuántica de la posición del electrón en un átomo se representa mediante una nube de electrones, técnicamente conocida como la función de onda o orbital, que indica la probabilidad de encontrar a un electrón en una región determinada del espacio.
¿Qué son los orbitales y cómo se relacionan con la posición del electrón en un átomo?
-Los orbitales son regiones en las que hay una alta probabilidad de encontrar a un electrón en un átomo. No representan al electrón desparramado, sino que reflejan la indeterminación en la posición del electrón y son una evolución cuántica de la noción clásica de órbita.
¿Cómo varía la forma de los orbitales en función de los números cuánticos?
-La forma de los orbitales depende de cuatro números cuánticos: 'n', que marca la energía del electrón; 'l', que indica la cantidad de momento angular; y 'm', que marca una componente cartesiana del momento angular. Estos números determinan las posibles maneras de movimiento del electrón dentro del átomo.
¿Qué implica que el valor de 'l' sea cero en el estado menos energético del electrón?
-Cuando 'l' es cero en el estado menos energético, esto clásicamente implicaría que el electrón no tiene momento angular y, por lo tanto, no está girando. Esto muestra lo absurdo de aplicar conceptos clásicos como la rotación a la descripción de los electrones en la mecánica cuántica.
¿Por qué las explicaciones clásicas son insuficientes para describir el comportamiento de los electrones en la mecánica cuántica?
-Las explicaciones clásicas son insuficientes porque no pueden capturar la naturaleza probabilística y la indeterminación inherentes a los electrones en la mecánica cuántica. Conceptos como la velocidad exacta de rotación o el eje de giro no son aplicables en el mundo cuántico.
¿Cuáles son los cuatro factores que determinan la forma de los orbitales?
-Los cuatro factores que determinan la forma de los orbitales son: 'n', que marca la energía del electrón; 'l', que indica la cantidad de momento angular; 'm', que marca una componente cartesiana del momento angular; y el último factor, no mencionado en el script, que podría ser el spin del electrón.
¿Por qué los físicos a veces utilizan explicaciones clásicas para ayudarnos a entender conceptos cuánticos?
-Los físicos a veces utilizan explicaciones clásicas como una ayuda didáctica para que nuestro cerebro, acostumbrado a conceptos intuitivos, pueda comenzar a entender los conceptos antiintuitivos de la mecánica cuántica. Sin embargo, es importante reconocer que estas son solo aproximaciones y no reflejan completamente la realidad cuántica.
¿Cómo podemos visualizar y experimentar con los orbitales de los electrones?
-Se puede visualizar y experimentar con los orbitales de los electrones a través de simulaciones y visualizaciones en línea, como las que se mencionan en el script, que permiten interactuar con modelos atómicos y ver cómo varían los orbitales con los diferentes números cuánticos.
Outlines
🔬 El mito del modelo planetario del átomo
Este párrafo desafía el modelo clásico del átomo que muchos todavía creen. Se menciona que la imagen tradicional de los átomos, donde los electrones giran alrededor del núcleo como en una rueda de bicicleta, es incorrecta. Este modelo fue propuesto por Rutherford y aunque fue revolucionario en su tiempo, presentaba problemas de estabilidad. Los electrones, según este modelo, deberían perder energía y caer hacia el núcleo, lo que contradice la existencia de los átomos. Físicos como Bohr, Sommerfeld y De Broglie intentaron corregir estos problemas, pero fue Schrödinger quien, utilizando su ecuación matemática, resolvió muchos de ellos. Se destaca que los electrones giran de manera cuántica, siguiendo reglas diferentes a las de la mecánica clásica, y que su posición es indeterminada, representada por una 'nube' o orbital, en lugar de una órbita concreta.
🌐 Los orbitales y la indeterminación cuántica
Este párrafo profundiza en la naturaleza cuántica de los electrones dentro del átomo. Se aclara que la forma en que los electrones se mueven no es una órbita concreta, sino que están dispersos en un espacio definido por la indeterminación cuántica. Los orbitales son una representación de esta indeterminación y no indican que el electrón esté desparramado como un fluido. Los electrones son partículas puntuales y los orbitales muestran las áreas donde es más probable encontrar a un electrón si se le forza a definir su posición. Además, se discute cómo los electrones pueden existir de maneras muy distintas dentro del átomo, dando lugar a formas asombrosas. Finalmente, se introduce la idea de los números cuánticos, que son factores clave en la descripción del movimiento de los electrones en el átomo, y se menciona que estos conceptos son abstractos y profundos, que se explorarán en futuras ocasiones.
Mindmap
Keywords
💡Mito
💡Átomos
💡Mecánica Cuántica
💡Indeterminación
💡Orbitales
💡Números Cuánticos
💡Energía
💡Momento Angular
💡Rutherford
💡Schroedinger
💡Hidrógeno
Highlights
El mito más extendido de la física sobre la estructura de los átomos es desmentido.
La imagen del átomo arrastrada durante cien años es considerada una antigualla.
La dificultad del cerebro humano para visualizar la vida real de los átomos.
El modelo planetario del átomo propuesto por Rutherford tenía problemas de estabilidad.
Los electrones en el modelo de Rutherford deberían caer en espiral hacia el núcleo.
Físicos como Bohr, Sommerfeld y De Broglie intentaron solucionar los problemas del modelo de Rutherford.
Schrodinger resolvió casi todos los problemas del modelo de Rutherford con su ecuación matemática.
Los electrones giran de manera cuántica, no clásica.
La indeterminación es una gran diferencia entre el mundo cuántico y el macroscópico.
Los electrones no tienen una posición o velocidad exactas, sino que están indeterminados en un 'nube'.
El orbital es la representación de la indeterminación en la posición del electrón.
Los electrones son partículas puntuales y no se desintegran en una nube.
Los orbitales muestran las áreas con mayor probabilidad de encontrar un electrón.
El átomo de hidrógeno es el más sencillo y puede ser utilizado para entender la estructura atómica.
Los orbitales dependen de cuatro números cuánticos que definen la energía y el movimiento del electrón.
El número cuántico 'n' define la energía del electrón y su distancia del núcleo.
El número cuántico 'l' y 'm' definen las propiedades del movimiento angular del electrón.
La interpretación clásica de los números cuánticos 'l' y 'm' no se aplica en el mundo cuántico.
El estado menos energético del electrón es 'l' igual a cero, lo que desafía la visión clásica de rotación.
Los físicos a menudo usan explicaciones clásicas como ayuda para entender conceptos cuánticos.
Se ofrece una web para ver y experimentar con los orbitales de los electrones.
Transcripts
Hoy quiero desmontar el que seguramente sea el mito más extendido de toda la física:
que los átomos tienen esta pinta ¡No! Esta imagen del átomo es una antigualla que llevamos
arrastrando los últimos cien años.... Y entiendo por qué: a nuestro cerebro de simio
le cuesta mucho menos identificar un átomo utilizando diagramas como estos que mostrándole
la extraña vida real. Qué demonios, si yo soy el primero que los usa.
El problema es que si lo átomos fueran exactamente así no estaríamos aquí hablando de ellos.
Veréis, este modelo planetario del átomo, donde los electrones giran como bolitas alrededor
del núcleo, fue propuesto por un físico neozelandés llamado Rutherford. Y en su momento
fue todo un descubrimiento, pero la peña no tardó en encontrarle problemas. El más
grave, su estabilidad. Imagínate que tienes una rueda de bicicleta,
la impulsas para que gire y la metes dentro del agua. ¿Qué le va a pasar a la rueda?
A medida que gira, ira removiendo el agua que tiene a su alrededor emitiendo pequeñas
olas. Poco a poco pierde su energía y se para. Algo parecido le pasa a los electrones
del átomo de Rutherford. Al estar acelerando dentro de un campo electromagnético, van
perdiendo energía emitiendo radiación. Perder energía significa quedarte cada vez más
parado y quedarte parado mientras órbitas significa caer en espiral rumbo a chocarte
contra el núcleo. Vamos, que si nuestros átomos fueran como los de Rutherford estaríamos
más que muertos. Físicos como Bohr, Sommerfeld o De Broglie
intentaron arreglar los problemas del átomo de Rutherford utilizando ideas de vanguardia,
pero no fue hasta que Schrodinger, utilizando su última creación matemática, resolvió
casi todos sus problemas de una. ¿Qué era lo que fallaba en la idea clásica
del átomo? Un “pequeño” detalle: un átomo está hecho efectivamente de electrones
girando en torno a un núcleo, la cosa es que giran de manera cuántica. La reglas de
juego de los electrones no son las mismas que a las que estamos acostumbrados; son las
reglas de la mecánica cuántica. Hemos hablado ya varias veces en el canal
sobre esta vaina, pero, como recordatorio, una de las grandes diferencias entre el mundo
cuántico y el que experimentamos todos los días es la indeterminación. Los objetos
cuánticos, como los electrones, no tienen porqué estar en un lugar del espacio concreto
o moverse a una velocidad exacta. La mayoría de veces estas cantidades están indeterminadas,
no tienen un valor específico. Girar es una de ellas.
Por eso la manera correcta de visualizar al electrón girando no es a través de una órbita,
no es una bolita que sigue un camino. La realidad cuántica es que, dentro del átomo, la posición
del electrón está indefinida en un montón de lugares del espacio. Esta indeterminación
espacial la representamos los físicos a través de este “nube”. Dicho técnicamente, esta
es la función de onda del electrón dentro del átomo, pero normalmente se la llama “orbital”,
la evolución cuántica de la órbita. Ojo, que el orbital no es el electrón desparramado
como si fuera agua. Hasta donde sabemos, los electrones son como puntitos. Lo que los orbitales
reflejan es el grado de indeterminación en la posición que tiene el electrón; nos chiva
los lugares en los que hay más probabilidad de detectar el electrón si le forzamos a
definir su posición. Repito: cuando nosotros lo forzamos. Lo normal es que su posición
esté indeterminada dentro de la nube. Y lo más bello de esto es que el electrón
puede vivir indefinido dentro del átomo de maneras muy distintas, dándole al átomo
formas asombrosas. Vamos a explorar las del átomo más sencillo de todos, el átomo de
hidrógeno, aunque lo que vais a ver aquí se puede extender más o menos a toda la tabla
periódica. La forma de los orbitales, básicamente, depende
de cuatro factores; cuatro números que etiquetan cada manera que tiene el electrón de moverse
dentro del átomo. Os presento a los números cuánticos… y agarraos que esto se va a
poner loco. El primero, llamado “n”, marca cuanta
energía tiene el electrón. Cuanto más alto es “n”, mayor energía. El último factor…
lo dejaremos para otro vídeo (je, classic quantum fracture) y los otros dos son propiedades
del giro: El segundo número “l” marca la cantidad de momento angular que tiene el
electrón, mientras que el tercero, “m”, también marca la cantidad de momento angular
pero en una de sus componentes cartesianas. Ya, lo se, esto ha debido sonar muy a chino
pero tenía que decirlo con cierta precisión. Y es que no hay manera intuitiva de presentarlos;
girar cuánticamente es un movidote que no se parece en nada a la idea de “girar”
a la que estamos acostumbrados. Bueno, si los átomos fueran como pensaba
Rutherford, te diría que “l”, el momento angular, expresa lo rápido que gira el electrón
o lo grande que es su órbita y que “m”, digamos la inclinación de este momento angular,
determina cual es el eje entorno al cual el electrón rota. Sin embargo, en el mundo cuántico
estas explicaciones se desdibujan: no puedo deciros que el momento angular refleja lo
rápido que va el electrón cuando ni siquiera tiene su velocidad determinada o que “m”
refleja el eje de giro cuando ni siquiera gira en torno a un eje.
De hecho, incluso el propio átomo te muestra lo absurdo que es pensar de esta manera clásica.
Veréis, el estado menos energético de todos en los que el átomo puede estar, en el que
el electrón está más tranquilo, es en el que “l” vale cero, lo que clásicamente
querría decir que su velocidad de rotación es nula. Es decir que, según la mentalidad
clásica, hay átomos en el Universo en el que electrón ¡ni siquiera está girando!
Haciendo esta imagen aún más inexacta. Los físicos muchas veces utilizamos estas
explicaciones clásicas como muletas, una forma de ayudar a nuestro cerebro con estas
imagenes antiintuitvas del mundo, pero en el fondo de nuestro corazón sabemos la verdad:
que l y m reflejan cosas muy abstractas y profundas, de las que hablaremos en otra ocasión.
En cualquier caso, os dejo aquí unos cuantos orbitales para que podáis ver lo preciosos
que son los átomos de verdad. Disfrutadlos.
¿Bonitos, verdad? Os dejo en la descripción una web en la que podéis verlos todos y experimentar
con ellos. Y recuerda si quieres más ciencia solo tienes
que suscribirte. Y gracias por verme.
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