¿Por qué los protones no atraen a los electrones con carga opuesta y los llevan al núcleo?




Hipótesis 1
La explicación clásica es que los electrones no caen al núcleo por lo mismo que la Luna no cae a la tierra por la fuerza centrífuga. Esa fuerza es exactamente igual a la que tiende a atraerlos al núcleo, de forma que la compensa y no dejan que caiga.

Hipótesis 2
Entre los electrones y los protones se ejercen fuerzas de atracción. Puesto que los electrones giran a gran velocidad alrededor del núcleo existe también una fuerza centrípeta que tiende a alejar del núcleo a los electrones. Entre dichas fuerzas se establece un equilibrio, de tal manera que los electrones giran en las órbitas y no son atraídos por los protones del núcleo y tampoco se salen de sus órbitas.

Lo cierto del caso es que dicha pregunta no se puede afirmar con la certeza deseada con la ayuda de la física clásica, ya que esa interacción es muy improbable de predecir y que se ajuste a los modelos atómicos. Se necesitaba una nueva teoría  y nació la teoría llamada mecánica cuántica. Para describir el movimiento de los electrones todavía seguimos usando la vieja terminología, órbita y orbital; aunque capa es una palabra mejor, pues sugiere que los electrones están dispersos sobre una superficie esférica. En la actualidad, la explicación para la estabilidad del átomo tiene que ver con la naturaleza ondulatoria de los electrones. Un electrón se comporta como una onda, y debe tener cierta cantidad de espacio, que se relaciona con su longitud de onda.

Considerar que los electrones son partículas cargadas que se mueven en círculo y tienen una gran aceleración (aceleración centrípeta) de acuerdo a la teoría electromagnética las cargas en movimiento acelerado radian ondas electromagnéticas, los electrones en los átomos deberían radiar continuamente, esto haría que perdiesen energía, con lo cual irían cayendo en espiral hacia el núcleo.
La mecánica cuántica modifica fundamentalmente el concepto clásico de trayectoria, más precisamente la mecánica cuántica establece que los electrones en los átomos no tienen trayectorias en absoluto, sino solo una "nube de probabilidad" (denominada "orbital") de encontrarse a una distancia (r) del núcleo.

La forma del orbital se determina de la mano de una función de onda , la cual es solución de la ecuación de Schrödinger, existen un conjunto de soluciones con sus respectivos orbitales, los cuales implican diferentes estados energéticos que el electrón puede ocupar en el átomo, solo ciertos valores energéticos están permitidos
En mecánica cuántica se demuestra que el electrón en los estados energéticos permitidos tienen orbitales fijos y no se radia ondas electromagnéticas, con lo cual el electrón se mantiene estable en su orbital, el estado de energía más bajo recibe el nombre de "estado fundamental", a partir de allí la energía del electrón NO puede ser menor.

En general la energía del estado fundamental depende de la magnitud de a región en la cual está confinada la partícula (electrón), cuanto menor sean las dimensiones en las cuales el electrón se mueve, mayor es la energía del nivel fundamental

Conclusión

La posición de menor energía del electrón está vinculada en la relación de unión con el átomo, en vez de estar independiente.

No cae en el núcleo gracias a la mecánica cuántica. En la mecánica cuántica las energías del sistema están cuantizadas, esto significa que el electrón solo puede tener energías bien definidas. Hay un estado de mínima energía y el electrón no puede decaer más emitiendo ondas electromagnéticas. En conclusión, la mecánica cuántica es crucial para la estabilidad de la materia. Es la razón por la que nosotros no nos caemos por el suelo al fondo de la tierra. En la mecánica cuántica, las partículas no tienen una posición y velocidad bien definidas. De hecho, cuando un electrón está en un estado de mínima energía no podemos determinar exactamente dónde se encuentra dentro del átomo.






Referencias electrónicas: 


Referencias Bibliográficas:
Pagina 412.Electricidad y magnetismo.
Paul G. Hewitt
Física conceptual. Décima edición
PEARSON EDUCACIÓN, México, 2007


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Autor: 


José Alexander Pérez.
Profesor Física y Matemática. 
clubdefisicaeducativa@gmail.com

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