La causa del movimento degli elettroni attorno al nucleo
Forse la domanda più corretta è per quale motivo gli elettroni non cadono sul nucleo, malgrado i primi hanno carica negativa ed i protoni, che compongono il nucleo, hanno carica positiva, ma, oltre a questo aspetto, vorrei anche capire, se è possibile (visto che la materia non è delle più semplici), perché l'elettrone si muove attorno al nucleo, cioè cosa impedisce all'elettrone di star fermo, costringendolo a girare in continuazione attorno al nucleo centrale.
Risposte
"CaMpIoN":
Per il fatto della gravità tra i pianeti è un miscuglio di leggi che fanno si che i corpi celesti in generale non collidano: i satelliti e i pianeti nel sistema solare a causa della conservazione del momento angolare e quindi si può dire che hanno ricevuto una spinta tangenziale (all'orbita ellittica che prendono) che rende stabile la traiettoria.
Per le galasse invece se ho capito bene queste sembrano non collidere, ma espandersi perché è lo spazio che si espande e quindi non è dovuta alla materia oscura, energia oscura o robe materiali?
Mettendo da parte la meccanica quantistica, regno della controintuitivitá, che va accettata senza chiedersi troppi perché (ad esempio si pensi al principio di indeterminazione di Hisemberg, sul quale non c'è univocitá di interpretazione neppure tra i fisici: alcuni lo formulano in modo più intuitivo, nella forma originaria di Hisemberg, che a me sembra più sensato, secondo cui non é possibile conoscere la posizione e la velocità di un elettore perché esso é talmente piccolo che il fascio di luce necessario ad osservarlo ne farebbe modificare la sua posizione; altri lo formulano in modo del tutto controintuitivo, nel senso che l'impossibilità di determinare posizione e velocità dell'elettrone è dovuta proprio a caratteristiche intrinseche dell'elettrone, il cui movimento all'interno dell'orbitale non potrebbe essere previsto proprio perché l"elettrone si muove in quel modo, a prescindere dal fatto che un fascio di luce lo osservi o non), credo che nel macrocosmo si possa fare un ragionamento più intuitivo, e chiedersi da cosa deriva il movimento di tutti i corpi celesti (non ce n'è uno solo che se ne sta buono e fermo), soprattutto alla luce di ciò che dice Vector sul big bang, secondo cui questo non sarebbe un'esplosione avvenuta "nello spazio" (di materia evidentemente) che avrebbe conferito velocità ai corpi nello spazio medesimo, velocità a sua volta necessaria ad evitare l'impatto dei corpi tra loro, che prima o poi avrebbero trovato un loro equilibrio, ma un'esplosione "dello spazio", il che solleva a maggior ragione l'interrogativo circa la causa che abbia dato vita al movimento dei corpi nello spazio, movimento a sua volta indispensabile all'equilibrio dell'universo, senza il quale la forza di gravità avrebbe la meglio, con inevitabile impatto dei corpi tra loro.
Ecco un interessante articolo sulla cosmologia:
http://incomaemeglio.blogspot.it/2010/0 ... e.html?m=1
http://incomaemeglio.blogspot.it/2010/0 ... e.html?m=1
"Vulplasir":
Ecco un interessante articolo sulla cosmologia:
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Cosmologia brematurata , come fosse antani.
"CaMpIoN":
Secondo il principio di Heisenberg non è possibile conoscere la posizione esatta dell'elettrone intorno al nucleo, però si può sapere con quale probabilità l'elettrone si trovi in una certa posizione.
In realtà il motivo per cui non è possibile conoscere esattamente la posizione dell'elettrone è ancora più fondamentale: le autofunzioni dell'operatore posizione (cioè le funzioni d'onda a cui dovrebbero corrispondere valori ben definiti della posizione di una particella) non sono normalizzabili, cioè non possono rappresentare stati fisicamente realizzabili
Quello che hai descritto, comunque, non è il principio di indeterminazione di Heisenberg, ma l'interpretazione probabilistica della funzione d'onda.
Il principio di indeterminazione afferma che data una funzione d'onda $psi$ si ha $sigma_x sigma_p >= ħ/2$. Cioè, la distribuzione dei risultati delle misure di $x$ e $p$ (posizione e impulso), per la funzione d'onda $psi$, è tale che il prodotto delle deviazioni standard $sigma_x sigma_p$ sia limitato inferiormente da $ħ/2$.
In layman's terms: una funzione d'onda $psi(x)$ più "schiacciata" ha posizione meglio definita (la distribuzione di misure della posizione è molto localizzata) ma ha un impulso poco definito (la distribuzione di misure dell'impulso è molto dispersa). Una funzione d'onda $psi(x)$ più "allungata" ha impulso meglio definito, ma ha posizione poco definita
"CaMpIoN":
Questa probabilità è descritta da una funzione d'onda, cioè le equazioni di Schrodinger, che tirano fuori gli orbitali
Esatto, la funzione d'onda descrive il sistema. L'equazione di Schrodinger descrive l'evoluzione del sistema, tipo $F = ma$ in fisica classica.
"CaMpIoN":
Si può quindi dire che l'elettrone non cade nel nucleo perché la probabilità di caderci è 0 assoluto?
Non proprio. Ho messo tra virgolette la parola "cade", nel post precedente, perchè di fatto non ha senso dire che l'elettrone "cade". L'elettrone non è una biglia che può "precipitare" sul nucleo. La posizione di un elettrone, fino a quando non la misuri, è completamente indefinita: l'elettrone non sta da nessuna parte. L'interazione elettromagnetica tra nucleo ed elettrone non "tira" l'elettrone verso il nucleo, ma impone delle condizioni sulle configurazioni di energia che la funzione d'onda può assumere.
Queste configurazioni si chiamano autofunzioni dell'energia, o anche orbitali. E poichè i valori di energia corrispondenti sono discreti (ok, lo dico: quantizzati), il sistema atomico è legato e stabile. Ma questi orbitali non hanno niente a che vedere con le orbite degli oggetti classici. Tanto per capirci, la funzione d'onda di un elettrone può assumere valori non nulli entro il raggio medio nucleare. Ripeto, per maggiore chiarezza: l'elettrone può avere una probabilità diversa da zero di essere trovato dentro al nucleo.
"milzar":
ad esempio si pensi al principio di indeterminazione di Hisemberg, sul quale non c'è univocitá di interpretazione neppure tra i fisici: alcuni lo formulano in modo più intuitivo, nella forma originaria di Hisemberg, che a me sembra più sensato, secondo cui non é possibile conoscere la posizione e la velocità di un elettore perché esso é talmente piccolo che il fascio di luce necessario ad osservarlo ne farebbe modificare la sua posizione
Be', ma questo non è il principio di indeterminazione, è il cosiddetto "observer effect". Cioè, non è questione di interpretazione, sono proprio due cose diverse.
Non c'è nessun disaccordo tra i fisici sul significato del principio di indeterminazione all'interno dell'interpretazione minimale (quella di Born). Il disaccordo c'è eventualmente sull'interpretazione della meccanica quantistica (Copenaghen, Many Worlds, relazionale, etc.), ma questo è un problema filosofico, non fisico.
Off topic: ci tengo a ribadirlo, perchè parlare di astrofisica a spezzoni, parallelamente ad una discussione sugli atomi, significa che questo thread diventerà presto un delirio. Per sensibilizzarvi alla questione, metto in spoiler.
), che possono spiegare l'omogeneità e l'isotropia osservata.
"v3ct0r":
L'elettrone non è una biglia che può "precipitare" sul nucleo. La posizione di un elettrone, fino a quando non la misuri, è completamente indefinita: l'elettrone non sta da nessuna parte. L'interazione elettromagnetica tra nucleo ed elettrone non "tira" l'elettrone verso il nucleo, ma impone delle condizioni sulle configurazioni di energia che la funzione d'onda può assumere.
É proprio questo il punto: per quale motivo il nucleo non attrae l'elettrone, quando poi essi hanno carica elettrica opposta? Nella teoria quantistica la forza attrattiva elettrica che dovrebbe intercorrere tra nucleo ed elettroni viene completamente ignorata, perché?
Ho risposto ad una domanda molto simile qui, qualche giorno fa: viewtopic.php?f=19&t=179464
Il fatto è che il nucleo e l'elettrone si attraggono solo se pensi che siano delle "biglie". Ma in realtà non lo sono. Sono onde di probabilità. L'interazione elettromagnetica, tra due onde di probabilità, non può essere pensata in termini di attrazione, perchè queste non hanno una posizione e una velocità ben definite. La teoria quantistica non ignora l'interazione elettromagnetica tra nucleo ed elettrone, semplicemente la inquadra in modo diverso dalla fisica classica. L'interazione non è più una forza (cioè un vettore) che tira o spinge, ma un hamiltoniano (cioè un operatore) che agisce sulle funzioni d'onda, ovvero modifica la normale evoluzione delle onde di probabilità.
Nel caso dell'interazione elettromagnetica tra un nucleo (anzi semplifichiamo: un protone) e un elettrone, le possibili evoluzioni che "escono fuori" dall'equazione di Schrodinger sono due: o il protone e l'elettrone formano un atomo, oppure l'elettrone viene diffuso (= deviato) e continua per la propria strada.
Volendo un immagine intuitiva, ecco una simulazione dell'atomo: https://www.youtube.com/watch?time_cont ... pJFJd0Zg-c
La reazione in cui un protone e un elettrone si "fondono" insieme (formando un neutrone), può comunque avvenire, e si chiama "cattura elettronica" $p + e^{-} -> n + nu$, ma non è un processo elettromagnetico, perchè l'equazione di Schrodinger con interazione puramente elettromagnetica non lo prevede. E' un processo mediato dall'interazione debole (e in effetti, non è troppo diverso dal decadimento beta, di cui si parlava nell'altro thread)
Weird, right? Beh, non tanto in fin dei conti. Il motivo è che c'è di mezzo un neutrino (e il neutrino deve esserci per forza, altrimenti il processo violerebbe la conservazione del numero leptonico), e quando c'è di mezzo un neutrino c'è sempre di mezzo l'interazione debole, è una sorta di firma.
In ogni caso è un processo estremamente raro, nella maggior parte degli atomi non avviene praticamente mai.
Il fatto è che il nucleo e l'elettrone si attraggono solo se pensi che siano delle "biglie". Ma in realtà non lo sono. Sono onde di probabilità. L'interazione elettromagnetica, tra due onde di probabilità, non può essere pensata in termini di attrazione, perchè queste non hanno una posizione e una velocità ben definite. La teoria quantistica non ignora l'interazione elettromagnetica tra nucleo ed elettrone, semplicemente la inquadra in modo diverso dalla fisica classica. L'interazione non è più una forza (cioè un vettore) che tira o spinge, ma un hamiltoniano (cioè un operatore) che agisce sulle funzioni d'onda, ovvero modifica la normale evoluzione delle onde di probabilità.
Nel caso dell'interazione elettromagnetica tra un nucleo (anzi semplifichiamo: un protone) e un elettrone, le possibili evoluzioni che "escono fuori" dall'equazione di Schrodinger sono due: o il protone e l'elettrone formano un atomo, oppure l'elettrone viene diffuso (= deviato) e continua per la propria strada.
Volendo un immagine intuitiva, ecco una simulazione dell'atomo: https://www.youtube.com/watch?time_cont ... pJFJd0Zg-c
La reazione in cui un protone e un elettrone si "fondono" insieme (formando un neutrone), può comunque avvenire, e si chiama "cattura elettronica" $p + e^{-} -> n + nu$, ma non è un processo elettromagnetico, perchè l'equazione di Schrodinger con interazione puramente elettromagnetica non lo prevede. E' un processo mediato dall'interazione debole (e in effetti, non è troppo diverso dal decadimento beta, di cui si parlava nell'altro thread)
Weird, right? Beh, non tanto in fin dei conti. Il motivo è che c'è di mezzo un neutrino (e il neutrino deve esserci per forza, altrimenti il processo violerebbe la conservazione del numero leptonico), e quando c'è di mezzo un neutrino c'è sempre di mezzo l'interazione debole, è una sorta di firma.
In ogni caso è un processo estremamente raro, nella maggior parte degli atomi non avviene praticamente mai.
Ma come possono due cariche elettriche opposte non attirarsi?
Forse entra in gioco il fatto che l'elettrone, come il fotone, ha natura duale, cioè non é né una particella, né un'onda, ma entrambe le cose?
Solo così io mi riesco a spiegare il motivo per cui tra nucleo ed elettrone non c'è attrazione.
Cioè la natura duale dell'elettrone potrebbe essere la causa del differente operare dell'interazione elettromagnetica col nucleo, esplicantesi come una funzione d'onda, rispetto all'ipotesi in cui essa intercorre tra due corpi (o particelle) dotati di cariche elettriche opposte, che dá luogo invece ad attrazione.
Forse entra in gioco il fatto che l'elettrone, come il fotone, ha natura duale, cioè non é né una particella, né un'onda, ma entrambe le cose?
Solo così io mi riesco a spiegare il motivo per cui tra nucleo ed elettrone non c'è attrazione.
Cioè la natura duale dell'elettrone potrebbe essere la causa del differente operare dell'interazione elettromagnetica col nucleo, esplicantesi come una funzione d'onda, rispetto all'ipotesi in cui essa intercorre tra due corpi (o particelle) dotati di cariche elettriche opposte, che dá luogo invece ad attrazione.
"milzar":
Ma come possono due cariche elettriche opposte non attirarsi?
"v3ct0r":
Il fatto è che il nucleo e l'elettrone si attraggono solo se pensi che siano delle "biglie". Ma in realtà non lo sono. Sono onde di probabilità. L'interazione elettromagnetica, tra due onde di probabilità, non può essere pensata in termini di attrazione, perchè queste non hanno una posizione e una velocità ben definite. La teoria quantistica non ignora l'interazione elettromagnetica tra nucleo ed elettrone, semplicemente la inquadra in modo diverso dalla fisica classica. L'interazione non è più una forza (cioè un vettore) che tira o spinge, ma un hamiltoniano (cioè un operatore) che agisce sulle funzioni d'onda, ovvero modifica la normale evoluzione delle onde di probabilità.
Si ma il nucleo non é un'onda di probabilità, avendo una massa enorme rispetto ell'elettrone.
Qui non si tratta di interazione tra due elettroni, ma di interazione tra nucleo (particella carica positivamente) e particella/onda (caricata negativamente), quindi non si tratta di interazione elettromagnetica tra due onde di probabilità, come dice Vector.
Qui non si tratta di interazione tra due elettroni, ma di interazione tra nucleo (particella carica positivamente) e particella/onda (caricata negativamente), quindi non si tratta di interazione elettromagnetica tra due onde di probabilità, come dice Vector.
"milzar":
Si ma il nucleo non é un'onda di probabilità, avendo una massa enorme rispetto ell'elettrone.
Anche il nucleo è un'onda di probabilità, anche se generalmente nello studiare un atomo non ci si preoccupa tanto di ciò che fa il nucleo, ma solo del comportamento degli elettroni. Puoi notare che in un mio post precedente ho parlato di raggio medio nucleare, proprio perchè anche il nucleo è descritto da una funzione d'onda, e quindi il raggio nucleare non è quantità ben definita. Per ovviare al problema, si introduce una definizione operativa di raggio, cioè appunto il raggio medio $R$, che è inteso come la distanza in cui la densità nucleare si riduce del $50%$ rispetto al suo valore massimo, e si esprime come $R = R_0 A^{1/3}$, dove $R_0 = 1,2 fm$ (femtometri = $10^-15$ metri) e $A$ è il numero totale di nucleoni
(un'altra dimensione caratteristica, spesso usata in fisica nucleare, è la cosiddetta "skin thickness", intesa come la distanza in cui la densità nucleare passa dal $90%$ al $10%$ del suo valore massimo)
Guarda, se proprio ci tieni a mantenere un'analogia con le interazioni classiche, puoi pensare che l'attrazione del protone sull'elettrone si manifesta come un "addensamento" della funzione d'onda dell'elettrone intorno al nucleo, cioè che il campo elettrico del protone "confina" la funzione d'onda dell'elettrone all'interno del raggio atomico (anche se questa immagine in realtà non è del tutto corretta, perchè di fatto la funzione d'onda non si annulla al di fuori del raggio atomico)
"milzar":
Forse entra in gioco il fatto che l'elettrone, come il fotone, ha natura duale, cioè non é né una particella, né un'onda, ma entrambe le cose?
Solo così io mi riesco a spiegare il motivo per cui tra nucleo ed elettrone non c'è attrazione.
Cioè la natura duale dell'elettrone potrebbe essere la causa del differente operare dell'interazione elettromagnetica col nucleo, esplicantesi come una funzione d'onda, rispetto all'ipotesi in cui essa intercorre tra due corpi (o particelle) dotati di cariche elettriche opposte, che dá luogo invece ad attrazione.
Esatto, è proprio questo. Tuttavia, in questo caso, il dualismo onda-particella in realtà pende molto a favore dell'onda. Un'onda, per quanto "schiacciata", non si riduce mai ad essere realmente una biglia, cioè esattamente localizzata nello spazio. L'elettrone è essenzialmente un'onda, che talvolta si comporta in maniera molto simile a ciò che, classicamente, intendiamo come una particella.
Per quanto ho capito, non si studia il moto degli elettroni nel campo particellare perché per il principio di indeterminazione non è "possibile" avere risultati accettabili, ma lo si studia nel campo ondulatorio perché in questo caso non influisce, o almeno non in modo così negativo, lo stesso principio detto sopra. Giusto così?
Come dire tipo "è inutile che studio l'elettrone nel campo particellare perché i risultati non sono accettabili, meglio studiarlo nel campo ondulatorio".
Come dire tipo "è inutile che studio l'elettrone nel campo particellare perché i risultati non sono accettabili, meglio studiarlo nel campo ondulatorio".
"CaMpIoN":
Per quanto ho capito, non si studia il moto degli elettroni nel campo particellare perché per il principio di indeterminazione non è "possibile" avere risultati accettabili, ma lo si studia nel campo ondulatorio perché in questo caso non influisce, o almeno non in modo così negativo, lo stesso principio detto sopra. Giusto così?
Ho capito cosa intendi, ma bisogna fare una precisazione: l'indeterminazione influisce sempre, perchè è insita nella natura dell'elettrone. Il punto è che il concetto di particella (che è per sua natura localizzata) non riesce a rappresentare questa indeterminazione, mentre il concetto di onda (che è per sua natura delocalizzata) ci riesce
"CaMpIoN":
Come dire tipo "è inutile che studio l'elettrone nel campo particellare perché i risultati non sono accettabili, meglio studiarlo nel campo ondulatorio".
Esatto, questa è un'ottima sintesi
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