El electrón y el átomo de hidrógeno

El electrón

Después de sorprender al lector con la visión del neutrino, que esta teoría ha dejado de considerar una partícula fundamental ínfima, para ser descrito como un pequeño giroscopio con estructura tridimensional que sigue el esquema especial simple; no ha de sorprender ya, que otra “partícula”: el electrón, considerado igualmente fundamental e ínfimo, sea la rueda que ha adquirido carga eléctrica negativa con la centrifugación del trío y después ha sido liberada en la desintegración beta del neutrón. Una rueda que, como todas, genera su propio momento lineal (su propia cantidad de movimiento) que alimenta con la energía de los fotones y cuya masa es, aproximadamente, la mitad de la del protón. Volveré a explicar por qué esto es así.

 

electrón
Los electrones se mueven a velocidades relativistas, debido al impulso proporcionado por su propio sistema de funcionamiento, que remueve el campo H a su paso. A los ojos de un observador en relativo reposo, sería un ente con forma de arandela plana, con el mismo diámetro que el protón pero con un espesor tendente a cero conforme su velocidad se acerca a la de la luz. Por tanto, debemos aplicar las transformaciones de Lorentz para calcular el valor de su masa en reposo; pues, como adelanté al especular sobre el concepto la masa relativista aparente, los físicos de la Universidad de Rutgers han calculado la verdadera magnitud de la masa en reposo del electrón, han descubierto que cuando se enfrían, hasta cerca del cero absoluto, algunos compuestos metálicos cristalinos hechos de cerio, indio e iridio; los electrones reducen su actividad y forman un fluido de “electrones pesados” cuya masa individual han calculado que llega a ser unas mil veces mayor que la masa calculada de un electrón en movimiento; que es aproximadamente 0,511 MeV/c². La masa de un protón, que consta de dos ruedas, es 938,272 MeV/c²-aunque ya hemos visto que en realidad este valor, en un estado de mínima energía, será algo mayor-; la masa de su mitad (una rueda) se acercará entonces sospechosamente al valor de la masa en movimiento del electrón multiplicada por mil, tal y como fue calculada para el equipo de Rutgers. Esto también nos permite calcular con bastante aproximación a qué velocidad se movía el electrón cuando fue calculada la masa que se acepto por consenso. Para ello partimos de su masa aparente (0,511 MeV/c²) y le aplicamos las transformaciones de Lorentz, calculando previamente el valor de su masa en reposo en función de la suma de las masas de los quarks que lo forman y de la transferencia de masa que se produjo junto con la transferencia de carga eléctrica. De esto pondré un ejemplo más adelante, cuando calculemos también la masa de otros entes del nivel subatómico y su velocidad en el instante de la medición.

 

No quiero terminar mi argumentación, respecto a la masa y la carga eléctrica del electrón, sin citar lo dicho por Helge Kragh en su obra “Generaciones Cuánticas”:

Helge Kragh
Helge Kragh

«El objetivo de una teoría unificada es entender la riqueza y diversidad del mundo en términos de un único esquema teórico. La masa y carga del electrón, por ejemplo, se consideran generalmente propiedades contingentes, es decir, simplemente resulta que las cantidades son las que son («cosas dadas»). No se siguen de manera única de ninguna ley física y, por esta razón, es posible que pudieran ser distintas de lo que son. De acuerdo al punto de vista de los unificacionistas, la masa y la carga de un electrón (y, en general, las propiedades de todas las partículas elementales) deben derivarse en última instancia de la teoría; deben dejar de ser cantidades contingentes para convertirse en cantidades gobernadas por leyes.»

 

El electrón posee una cualidad especial, el momento magnético anómalo, relacionada con el cambio de espín, que explicaré después de ver el modelo del átomo de hidrógeno, para que se pueda entender mejor. También explicaré entonces su momento orbital angular.

 

El átomo de hidrógeno

El átomo más básico está compuesto por un protón y un electrón (hidrógeno, 1H), que se han asociado para ocupar un volumen determinado en el espacio (ver las figura siguientes). El protón permanece en el centro de ese volumen, acompañado a veces por un neutrón (deuterio, 2H) o, muy rara vez, por dos (tritio, 3H); mientras que el electrón se mueve muy rápidamente en un constante ir y venir. Va en dirección al núcleo atraído por la fuerza electrostática opuesta del protón, para terminar rebotando en un choque elástico, debido a los efectos de impulsión de ambos que son muy potentes a corta distancia. El rebote manda lejos al electrón (se suma esta impulsión a la cantidad de movimiento que genera en todo momento) y empuja más discretamente al protón, desplazándolo y haciéndolo girar, lo que mantiene en constante vibración al átomo entero. Durante el alejamiento se volverá a imponer la atracción electrostática, el electrón se frenará y se dirigirá otra vez hacia el núcleo para rebotar nuevamente. La distancia a la que llega el electrón en sus rebotes determina el volumen que ocupa el átomo, y está directamente relacionado con la energía disponible en el entorno.

 

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Figura 20b
Figura 20a

Esta hipótesis encaja con la teoría cinético molecular y, además, sirve para explicar, tanto el espectro atómico del hidrógeno, como el de cualquier otro elemento. Este último asunto, que está relacionado con mi idea de lo que son los fotones, lo desarrollaré un poco más adelante.

 

Los orbitales

Siguiendo con el átomo de hidrógeno, la energía disponible en el entorno hará que tanto el protón como el electrón incrementen o disminuyan su actividad. Si el nivel de energía es bajo, los electrones rebotarán siempre a distancias parecidas cerca del núcleo, pero si la energía aumenta, los efectos de impulsión serán mayores y es entonces cuando se hacen más evidentes las zonas del núcleo con mayor intensidad de estos efectos, porque son los lugares hacia donde, con mayor probabilidad, será impulsado el electrón después de rebotar. Son vórtices con forma de superficies cónicas con el vértice insertado perpendicularmente en las zonas magnéticas sur del protón y toman la forma de rosquillas cerca de la zona de absorción, porque aquí el electrón, que ha sido atraído hacia el núcleo, tendrá que estar girando hasta tener la oportunidad de encontrar las zonas de impulsión de nuevo. Todo esto es lo que conocemos como “orbitales”.

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Imagen de Wikipedia

Esta hipótesis también encaja con lo que sabemos gracias a la experimentación y a la observación, pues en las gráficas de la función de densidad electrónica de los orbitales s, que tienen simetría esférica, la probabilidad de encontrar al electrón en el núcleo o muy cerca de él es muy alta, los picos más altos de probabilidad reflejan los momentos en los que el electrón se frena en sus alejamientos y en sus aproximaciones al núcleo. Los estudios sobre la densidad electrónica reflejan que, conforme la energía disponible en el entorno va siendo mayor, también es mayor la probabilidad de encontrar al electrón en los orbitales p, d, f…, a mayor distancia del núcleo y sobre las superficies cónicas de los efectos de impulsión del protón.

Sirvan estas cinco últimas viñetas, representativas de un átomo de hidrógeno, para dar una explicación gráfica simplificada a las dinámicas responsables de los orbitales electrónicos con forma de rosquilla.

 

 

 

 

 

Figura 20b
Figura 20b

 

El cambio de espín del electrón

El cambio en el espín del electrón, llamado también momento angular intrínseco o momento magnético anómalo, es el giro a derechas o izquierdas en relación con la dirección en una trayectoria. Una vez visto el modelo del átomo de hidrógeno (ver figura 20a), observamos que no se trata de una cualidad extraña que no se pueda explicar con la mecánica clásica. El electrón cambia constantemente de espín debido a los rebotes. Siempre gira en el mismo sentido, con el mismo momento magnético. Pero cuando es impulsado se mueve en sentido opuesto a cuando es atraído; por tanto, en el primer caso gira a favor; y en el segundo, en contra de lo que sería de esperar según fuera su momento lineal; o, dicho de otra forma, con helicidad opuesta.

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El momento orbital angular del electrón

Ahora podemos explicar el momento orbital angular del electrón, donde la relación giromagnética “g” es igual a 2,00232, como se predijo por la mecánica cuántica relativista en la ecuación de Paul Dirac. Pues, el electrón debe cambiar su dirección de movimiento dos veces antes de volver a estar como al principio, esto coincide plenamente con este modelo; pero, como hemos visto, no se trata de una órbita sino de un rebote. El hecho de que el valor de “g” no sea exactamente 2 se debe a que los vórtices, de los efectos de impulsión del electrón y del protón, hacen que la dirección de rebote no sea la perpendicular a los ejes de ambos; sino, más bien, cualquier dirección sobre la superficie con forma de cono donde se dan los efectos de impulsión. El electrón vuelve casi sobre la misma trayectoria que trazó en la impulsión y, conforme se acerca de nuevo al núcleo, tiene que alinearse con la nueva posición del protón, que tiene su propio movimiento oscilatorio; esto hace que el electrón se desvíe ligeramente. En los átomos con más de un protón, los sucesivos rebotes del electrón se pueden dar en protones distintos, lo que también explicaría el valor no exacto de “g”.

 

La dualidad onda-corpúsculo del electrón

 

Para seguir defendiendo lo expuesto en esta teoría, ahora debo rebatir la idea de dualidad del electrón. Para ello empezaremos recordando lo que Heisenberg escribió sobre su encuentro con Einstein, tras su intervención en el coloquio organizado en Berlín, en 1926:

 

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Werner Heisenberg

 

«Me hizo notar que en mi descripción matemática no aparecía para nada el concepto de “órbita de un electrón”, mientras que en una cámara de niebla uno podía observar directamente su trayectoria. Se le antojaba absurdo afirmar que la trayectoria del electrón existía en esa cámara de niebla, pero no en el interior del átomo.».*

 

(*) Cita extraída del libro de José Manuel Sánchez Ron: “Historia de la física cuántica I”

 

 

En sintonía con lo argumentado por Einstein, el modelo que presento aquí muestra un electrón sin dualidades, ya sea dentro o fuera del átomo, en cualquier situación funcionará como un pequeño giroscopio material que se mueve gracias a la energía almacenada en su interior y la que es capaz de ir capturando. Dentro de un átomo, las trayectorias más o menos alargadas de los rebotes de sus electrones harán que éste ocupe un volumen mayor o menor, en función de la energía disponible en su entorno. De manera análoga, de un electrón aislado (no ligado a un átomo) debe esperarse que describa trayectorias diferentes, y que su alcance sea distinto, en función de la existencia o no, de alguna fuente energética en el medio por el cual se mueva. Por eso, si tenemos lo anterior en cuenta, cuando disparamos electrones sobre un blanco, reproduciendo el experimento de la doble rendija de Thomas Young, tendremos que distinguir los resultados según sean las condiciones ambientales, porque podrán darse una de las dos situaciones siguientes:

1.- Que el electrón pueda capturar fotones durante el trayecto, porque existe una fuente lumínica ambiental.

En este caso la trayectoria será recta y clara. Los electrones impactarán en el sitio previsto, como se podría esperar de una partícula o corpúsculo, porque los fotones ambientales le aportan la energía necesaria para recuperar la consumida durante su desplazamiento. Es como si a una peonza (un giroscopio) pudiéramos aplicarle velocidad angular aún estando en movimiento, esta se mantendrá siempre recta, no se observará en ella precesión alguna.

2.- Que el electrón no pueda capturar fotones durante el trayecto, porque no existe ninguna fuente lumínica en el entorno.

En este segundo caso el electrón tendrá cada vez menos energía; consecuentemente se producirá una precesión, que tiene frecuencia y amplitud, lo que da apariencia de onda a su movimiento y tendrá como resultado la aparición de un patrón característico en la zona de impactos.

 

Esta hipótesis, argumentada de forma sencilla, sirve también para explicar los resultados del experimento y muestra que las conclusiones, que surgieron en el siglo XX, pueden ser incorrectas; porque partieron de la idea preconcebida de que los electrones debían ser corpúsculos (simples esferas con carga eléctrica negativa) y, al ser esto refutado por una parte de la experiencia, se idearon explicaciones creativas; como la que propuso que la materia podría permutar entre una naturaleza corpuscular y una ondulatoria, en función de que fuese observada o no, dando al observador un papel protagonista en las acciones. Lo sorprendente es que este tipo de ideas fueran aceptadas mayoritariamente por una comunidad que se define como “científica”. Creo que ahora viene a cuento citar de nuevo a Albert Einstein porque, en su libro “Notas autobiográficas”, también escribió:

Albert Einstein
Albert Einstein

“Esa doble naturaleza de la radiación (y de los corpúsculos materiales) es una propiedad capital de la realidad que la mecánica cuántica interpretó de manera ingeniosa y con éxito pasmoso. Esta interpretación, que casi todos los físicos contemporáneos tienen por esencialmente definitiva, se me antoja una salida meramente temporal;”

 

 

 

Por otro lado, cuando se estudian los electrones por su función de onda, en el sentido que le dio Schrödinger, en los inicios de la mecánica ondulatoria, lo que se describe es su comportamiento de manera probabilista; y, aunque Dirac fue un paso más allá, incorporando el espín del electrón a su ecuación, para hacerla compatible con la mecánica cuántica y con la teoría de la relatividad especial, lo que genera modelos matemáticos muy precisos; hasta ahora no había un modelo que explicara cómo es un átomo y mucho menos que definiera la estructura de sus componentes. Con esta teoría de ruedas podemos entender la realidad física del átomo completo, desde la corteza hasta el núcleo; e ir mucho más allá del átomo de hidrógeno, podremos visualizar cualquier átomo de cualquier elemento. Y, como veremos enseguida, en lo que respecta al electrón, podremos explicar más fácilmente los efectos: Stark, Zeeman, fotoeléctrico, Compton, Josephson, túnel, etc. Pero antes hagamos una parada para intentar entender qué es un fotón.