Nuestro team de redactores ha estado mucho tiempo buscando la solución a tus interrogantes, te dejamos la solución de modo que nuestro deseo es serte de gran apoyo.
Solución:
Las respuestas hasta ahora parecen bastante buenas, pero me gustaría probar un ángulo ligeramente diferente.
Antes de llegar a los orbitales atómicos, ¿qué significa que un electrón “esté” en alguna parte? Supongamos que miro un electrón y veo dónde está (supongamos que tengo un microscopio muy sofisticado / sensible / preciso). Esto suena sencillo, pero ¿qué hice cuando “miré” al electrón? Debo haber observado algún fotón que acababa de interactuar con ese electrón. Si quiero tener una idea del movimiento del electrón (no solo su momento instantáneo, sino su posición en función del tiempo), necesito observarlo durante un período de tiempo. Sin embargo, esto es un problema, porque solo puedo observar el electrón cada vez que interactúa con un fotón que puedo observar. En realidad, es imposible para mí observar el electrón de forma continua, solo puedo obtener instantáneas de su posición.
Entonces, ¿qué hace el electrón entre observaciones? No creo que nadie pueda responder a esa pregunta. Todo lo que podemos decir es que en un momento el electrón se observó en el punto A, y en un momento posterior se observó en el punto B. Pasó de A a B … de alguna manera. Esto conduce a una forma diferente de pensar acerca de dónde está un electrón (u otra partícula).
Si conozco algunas de las propiedades del electrón, puedo predecir que es más probable que observe un electrón en algunos lugares que en otros. Los orbitales atómicos son un gran ejemplo de esto. Un orbital se describe mediante 4 números cuánticos, a los que llamaré $ n $, $ l $, $ m $, $ s $ (hay varias notaciones; creo que esta es bastante común). $ n $ es una descripción de cuánta energía tiene el electrón, $ l $ describe su momento angular total, $ m $ lleva alguna información sobre la orientación de su momento angular y $ s $ caracteriza su espín (el espín es un tema completo en propia, por ahora digamos que es una propiedad que tiene el electrón). Si conozco estas 4 propiedades de un electrón que está unido a un átomo, entonces puedo predecir dónde es más probable que observe el electrón. Para algunas combinaciones de $ (n, l, m, s) $, la distribución es simple (por ejemplo, esféricamente simétrica), pero a menudo puede ser bastante complicada (con lóbulos o anillos donde es más probable que encuentre el electrón). Siempre existe la posibilidad de que pueda observar el electrón EN CUALQUIER LUGAR, pero es MUCHO MÁS PROBABLE que lo encuentre en alguna región en particular. A esto se le suele llamar distribución de probabilidad para la posición del electrón. Ilustraciones como estas son engañosas porque dibujan una ventaja en la distribución de probabilidad; lo que realmente se muestra es la región donde se encontrará el electrón en un alto porcentaje de las veces.
Entonces, la respuesta a cómo un electrón “salta” entre orbitales es en realidad la misma que la de cómo se mueve dentro de un solo orbital; simplemente “hace”. La diferencia es que para cambiar los orbitales, alguna propiedad del electrón (una de las descritas por $ (n, l, m, s) $) tiene que cambiar. Esto siempre va acompañado de la emisión o absorción de un fotón (incluso un giro de giro implica un fotón (de muy baja energía)).
Otra forma de pensar sobre esto es que el electrón no tiene una posición precisa, sino que ocupa todo el espacio, y las observaciones de la posición del electrón son solo manifestaciones de la “función de onda” más fundamental cuyas propiedades dictan, entre otras cosas, la probabilidad distribución para observaciones de posición.
Imagínese un electrón a una gran distancia de un átomo, sin nada más alrededor. El electrón no “sabe” sobre el átomo. Declaramos que tiene energía cero. No pasa nada interesante. Este es nuestro punto de referencia.
Si el electrón se mueve, pero todavía está lejos del átomo, tiene energía cinética. Esto siempre es positivo. El electrón, aún sin interactuar con el átomo, puede moverse como le plazca. Tiene energía positiva y en cualquier cantidad posible. Su función de onda es una onda plana en ejecución simple, o alguna combinación lineal de ellas para hacer, por ejemplo, una onda esférica. Su longitud de onda, relacionada con la energía cinética, puede tener cualquier valor.
Cuando el electrón está cerca del átomo, se atraen cargas opuestas y se dice que el electrón está atrapado en un pozo de potencial. Se está moviendo, por lo que tiene energía cinética positiva (siempre), pero la energía potencial de Coulomb es negativa y en mayor cantidad. El electrón debe ralentizarse si se aleja del átomo, para mantener una energía total constante para el sistema. Alcanza velocidad cero (energía cinética cero) a una distancia finita de distancia, aunque la mecánica cuántica permite un poco de trampa con una función de onda que disminuye exponencialmente más allá de esa distancia.
El electrón está confinado a un pequeño espacio, una región esférica alrededor del núcleo. Siendo eso así, la longitud de onda de su función de onda debe en cierto sentido “encajar” en ese espacio – exactamente uno, o dos, o tres, on, nodos deben encajar radial y circunferencialmente. Usamos el conocido número cuántico n, l, m. Hay niveles de energía discretos y funciones de onda distintas para cada estado cuántico.
Tenga en cuenta que el electrón de energía positiva libre tiene todo el espacio para moverse y, por lo tanto, no necesita encajar ningún número particular de longitudes de onda en nada, por lo que tiene un espectro continuo de niveles de energía y tres números reales (el vector de onda) para describir su estado.
Cuando el átomo absorbe un fotón, el electrón salta de digamos, por ejemplo, del orbital 2s al 3p, el electrón no está en ningún orbital durante ese tiempo. Su función de onda se puede escribir como una mezcla variable en el tiempo de los orbitales normales. Mucho tiempo antes de la absorción, que para un átomo es de unos pocos femtosegundos más o menos, esta mezcla es 100% del estado 2s, y unos femtosegundos más o menos después de la absorción, es 100% el estado 3p. Entre, durante el proceso de absorción, es una mezcla de muchos orbitales con coeficientes que cambian enormemente. Había un artículo en Physical Review A alrededor de 1980 o 1981, iirc, que muestra algunas tramas e imágenes y entró en esto con cierto detalle. Quizás fueron Reseñas de Física Moderna. De todos modos, tenga en cuenta que esta mezcla es solo una descripción matemática. Lo que realmente tenemos es una función de onda que cambia de un 2 constante a un bamboleo trepidante, y se establece en un 3p constante.
Un fotón más enérgico puede expulsar al electrón del átomo, desde uno de sus estados orbitales de energía negativa de estado discreto, a un estado positivo de funcionamiento libre, generalmente una onda esférica en expansión, es lo mismo que antes, pero en lugar de asentarse en un 3p constante, la función de onda del electrón termina como una capa esférica en expansión.
Desearía poder mostrar algunas imágenes, pero llevaría tiempo encontrarlas o hacerlas …
Por supuesto, los electrones PUEDEN viajar entre orbitales, aunque lo hacen de una manera no convencional (clásica).
La cuestión de los electrones que viajan entre orbitales es el tema de la mecánica cuántica relativista, o como se le llama de otra manera, de la teoría cuántica de campos o de la electrodinámica cuántica.
Con palabras puedo describir la situación de la siguiente manera.
Los orbitales no son LUGARES, son EIGEN ESTADOS de operador energético. El electrón puede existir en cualquier estado, pero este cualquier estado es representable por superposición de estados propios.
Entonces, un electrón que viaja desde el orbital $ psi_1 $ al orbital $ psi_2 $ es descrito por el estado $ a psi_1 + b psi_2 $ donde $ a $ y $ b $ son pesos complejos de los componentes de superposición. Están cambiando con el tiempo, teniendo $ a = 1; b = 0 $ al comienzo del proceso y $ a = 0; b = 1 $.
Además, sabes que $ | a | ^ 2 + | b | ^ 2 = 1 $ en cualquier instante.
La ley de este cambio es exponencial, es decir, $ a (t) sim e ^ – lambda t $.
Los parámetros de este exponente dependen de la vida útil del estado. Cuanto menor sea la vida útil, mayor será la pendiente del exponente. Además, la vida también está relacionada con la incertidumbre del estado. Cuanto más amplio es el estado, más corta es su vida útil.
Recuerda algo, que tienes la capacidad de decir .