Los Átomos NO Son Así
Summary
TLDRThe video debunks a common myth in physics about the appearance of atoms, criticizing the outdated planetary model of the atom proposed by Rutherford, where electrons orbit the nucleus like planets. It explains the stability issues with this model and introduces the quantum mechanics perspective that more accurately describes atomic structure. The video highlights how electrons actually behave in quantum terms, with positions represented by probability clouds or 'orbitals' instead of defined paths. It emphasizes the complex and abstract nature of quantum numbers and challenges classical interpretations, encouraging viewers to explore more about the true beauty and complexity of atoms.
Takeaways
- 🚫 The classic image of atoms as tiny solar systems with electrons orbiting a nucleus is outdated and incorrect.
- 📉 The Rutherford model of the atom, which depicted electrons as particles orbiting a central nucleus, faced issues with stability due to the loss of energy through radiation.
- 🧵 Quantum mechanics, and specifically Schrödinger's wave function, provided a more accurate description of how electrons behave within an atom.
- ⚫ Electrons do not have a definite position or velocity in quantum mechanics; their behavior is described by a probability distribution known as an orbital.
- 🌐 The term 'orbital' is a quantum evolution of the classical 'orbit' and represents the region where there is a high probability of finding an electron.
- 🔬 Quantum indeterminacy means that electrons exist in a 'cloud' of probable positions rather than a fixed path or location.
- 🤔 The quantum numbers (n, l, m) describe the electron's energy level, angular momentum, and orientation in a complex and abstract way that differs from classical rotation.
- 💡 The lowest energy state of an atom is when the electron's angular momentum quantum number 'l' is zero, which contradicts the classical idea of rotation.
- 🌟 The shape of orbitals depends on quantum numbers, which are fundamental to understanding the electron's behavior in an atom.
- 📚 Quantum mechanics offers a more nuanced and accurate representation of atomic structure, replacing the simplistic and incorrect classical models.
- 🌈 The hydrogen atom serves as a simple model to understand the principles of quantum behavior, which can be extended to more complex atoms in the periodic table.
Q & A
What is the most widespread myth in physics that the speaker wants to debunk?
-The speaker wants to debunk the myth that atoms have a planetary model where electrons orbit the nucleus like small balls, which is an outdated image that has been carried for the last hundred years.
Who proposed the planetary model of the atom, and what was the major issue found with it?
-The planetary model of the atom was proposed by a New Zealand physicist named Rutherford. The major issue found with it was its instability, as it suggested that electrons would lose energy and spiral into the nucleus, which contradicts the existence of atoms as we know them.
How did physicists like Bohr, Sommerfeld, and De Broglie attempt to address the issues of Rutherford's atomic model?
-Physicists like Bohr, Sommerfeld, and De Broglie tried to fix the problems of Rutherford's atomic model by using cutting-edge ideas, but it was not until Schrödinger applied his latest mathematical creation that most of the issues were resolved.
What is the fundamental difference between the classical idea of an atom and the quantum mechanical model?
-The fundamental difference is that in the quantum mechanical model, electrons do not orbit the nucleus in a classical sense but instead exist in a quantum state where their position is indeterminate, described by a wave function, which is represented as an 'orbital' or 'electron cloud'.
What is the term used to describe the degree of indeterminacy in an electron's position within an atom?
-The term used to describe the degree of indeterminacy in an electron's position within an atom is 'orbital', which is a quantum mechanical evolution of the classical orbit.
What are the four quantum numbers that label each way an electron can move within an atom?
-The four quantum numbers are: 'n' which marks the energy level of the electron, 'l' which marks the amount of angular momentum the electron has, 'm' which also marks the amount of angular momentum but in one of its Cartesian components, and the fourth one, which is mentioned to be left for another video.
What is the significance of 'l' and 'm' quantum numbers in the context of an electron's movement within an atom?
-In a classical context, 'l' would express how fast the electron rotates or the size of its orbit, and 'm' would indicate the axis around which the electron rotates. However, in the quantum world, these explanations become blurred as electrons do not have a definite speed or axis of rotation.
What is the least energetic state of an atom, and what does it imply about the electron's movement?
-The least energetic state of an atom is when 'l' equals zero, which classically would imply that the electron's rotational speed is null. This challenges the classical mindset, suggesting that there are atoms in the universe where the electron is not rotating at all.
Why do physicists sometimes use classical explanations to describe quantum phenomena?
-Physicists sometimes use classical explanations as a crutch to help our brains grasp these counterintuitive quantum images. However, they acknowledge that these are abstract and deep concepts that will be discussed in more detail at another time.
What is the most beautiful aspect of the electron's existence within an atom according to the speaker?
-The most beautiful aspect is that the electron can exist indefinitely within an atom in very different ways, giving the atom astonishing forms, which can be explored through the shapes of the orbitals.
What is the simplest atom to explore in terms of its orbitals, and how does this apply to the rest of the periodic table?
-The simplest atom to explore in terms of its orbitals is the hydrogen atom. The understanding gained from studying hydrogen can be extended, more or less, to the entire periodic table.
How can viewers explore and experience the beauty of atomic orbitals as mentioned in the script?
-Viewers can explore and experience the beauty of atomic orbitals through a website provided in the video description, where they can see all the orbitals and interact with them.
Outlines
🚫 Debunking the Classical Atom Model
The paragraph discusses the common misconception of atoms as tiny solar systems with electrons orbiting a nucleus, a model proposed by Rutherford. It emphasizes that this model is outdated and fails to account for the true quantum nature of electrons. The text explains that if atoms were as depicted in the Rutherford model, they would be unstable and collapse. It also mentions that quantum physicists like Bohr, Sommerfeld, and De Broglie attempted to refine this model, but it was Schrödinger's wave mechanics that offered a more accurate description. The key point is that electrons behave quantum mechanically, not classically, and their position is described by a wave function, leading to the concept of an 'orbital' rather than a fixed orbit.
🌐 Quantum Indeterminacy and Orbitals
This paragraph delves into the abstract nature of quantum mechanics, particularly the concept of electron orbitals. It clarifies that electrons do not have fixed positions or velocities, leading to the indeterminacy principle. The text describes how the electron's position within an atom is spread out in space, visualized as an 'electron cloud' or 'orbital.' It also discusses the quantum numbers (n, l, m) that describe different aspects of an electron's behavior, such as energy level and angular momentum. The paragraph challenges the classical intuition of electrons rotating around a nucleus and invites viewers to appreciate the true beauty of atoms through the provided visualizations of orbitals.
Mindmap
Keywords
💡Atom
💡Quantum Mechanics
💡Electron
💡Orbital
💡Indeterminacy
💡Rutherford Model
💡Wave Function
💡Quantum Numbers
💡Hydrogen Atom
💡Schrodinger Equation
💡Angular Momentum
Highlights
The most widespread myth in physics about the structure of atoms is debunked, challenging the century-old image we have been carrying.
Our primate brain finds it difficult to conceptualize atoms without using diagrams, despite their actual complex nature.
The planetary model of the atom, with electrons orbiting the nucleus like tiny balls, was proposed by the New Zealand physicist Rutherford.
The Rutherford model faced significant challenges, most notably the issue of atomic stability.
Electrons in the Rutherford model, when accelerating in an electromagnetic field, would lose energy and spiral into the nucleus, contradicting the existence of atoms as we know them.
Physicists like Bohr, Sommerfeld, and De Broglie attempted to fix the Rutherford model's issues with cutting-edge ideas.
Schrodinger's mathematical creation resolved almost all the problems of the Rutherford atom, introducing quantum mechanics into atomic theory.
The classical idea of atoms failed because electrons move in a quantum manner, following the rules of quantum mechanics, not classical mechanics.
Quantum objects like electrons do not have a specific location in space or a precise speed, introducing the concept of indeterminacy.
The correct way to visualize an electron's movement is not through an orbit but through a cloud of probability, known as an orbital.
Orbitals represent the degree of uncertainty in an electron's position and indicate where there is a higher probability of detecting the electron.
The electron can exist in various distinct states within an atom, giving the atom astonishing forms, as explored in the simplest atom, hydrogen.
The shape of orbitals depends on four quantum numbers that label each way an electron can move within an atom.
The first quantum number 'n' signifies the energy level of the electron, with higher 'n' corresponding to higher energy.
The second quantum number 'l' indicates the amount of angular momentum the electron has, while the third 'm' specifies one of its Cartesian components.
In the quantum world, the classical explanations of 'l' and 'm' as rotation speed and axis inclination blur, as they reflect more abstract and profound aspects of quantum mechanics.
The least energetic state of an atom, where the electron is most stable, is when 'l' equals zero, challenging classical notions of electron rotation.
Physicists often use classical explanations as a crutch to help our brains grasp these counterintuitive quantum images, while acknowledging the deeper truth.
The video concludes with an invitation to explore the beauty of actual atomic structures through a provided website, emphasizing the joy of learning more about science.
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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