Daca atomii sunt in mare parte spatiu gol, de ce obiectele arata si se simt solide?

Acum doua secole, chimistul John Dalton a propus ideea ca toate corpurile sunt alcatuite din particule numite atomi. Fiecare atom este compus dintr-un nucleu incredibil de mic si din electroni, care sunt chiar si mai mici.

Daca va imaginati o masa normala, dar de 1 miliard de ori mai mare, atunci atomii sai ar fi de dimensiunea pepenilor. Dar chiar si asa, nucleul din centrul atomilor ar fi in continuare mult prea mic pentru a fi observat cu ochiul liber. Iar restul, spatiu gol. Imaginati-va ca va sprijiniti cu mana de masa. De ce nu trec degetele noastre prin atomi daca majoritatea spatiului ce formeaza atomul este gol? Ei bine, in primul rand, atomii nu sunt goi. Potrivit electrodinamicii cuantice, spatiul este umplut de un camp de electroni in jurul nucleului care neutralizeaza sarcina si umple spatiul care defineste dimensiunea atomului.

Pentru a explica de ce obiectele se simt solide la atingere, trebuie sa ne uitam la electroni. Din pacate, o mare parte din ceea ce este predat in scoala generala este simplificat – electronii nu orbiteaza centrul unui atom asa cum planetele orbiteaza in jurul Soarelui. Trebuie sa ne gandim la electroni ca la un roi de albine sau pasari, unde miscarile individuale sunt prea rapide pentru a le urmari, insa putem vedea urmele lasate, precum in imaginea de mai sus.

Dansul electronilor

Electronii practic danseaza in jurul atomului. Insa nu danseaza intr-un mod haotic, ci seamana mai mult cu un dans in sala de bal, urmand sabloane si pasi precisi, stabiliti de o ecuatie matematica, numita dupa Erwin Schrodinger.

Aceste sabloane pot varia – unele sunt lente, precum un vals, in timp ce altele sunt rapide si energice. Fiecare electron pastreaza acelasi sablon, dar din cand in cand si-l poate schimba, atata timp cat niciun alt electron nu danseaza deja dupa acel sablon. Doi electroni dintr-un atom nu pot dansa in acelasi pas, iar aceasta regula se numeste Principiul de excluziune.

Principiul de excluziune, numit si Principiul Pauli, este un principiu din mecanica cuantica, formulat de Wolfgang Pauli in 1925. Acesta afirma ca doi fermioni identici nu pot ocupa aceeasi stare cuantica simultan. Pentru electronii dintr-un singur atom, inseamna ca doi electroni nu pot avea aceleasi patru numere cuantice. Deoarece electronii sunt fermioni, acest principiu le interzice sa ocupe aceeasi stare cuantica, astfel ca electronii trebuie sa “se adune unii peste altii” in cadrul unui atom.

Desi electronii nu obosesc niciodata, trecerea la un pas mai rapid necesita energie.

Rezistenta la atingere

De ce o masa se simte solida la atingere? Multe site-uri web va vor spune ca acest lucru se datoreaza respingerii – ca doua lucruri incarcate negativ trebuie sa se respinga reciproc. O explicatie mai realista este ca masa se simte solida datorita dansului electronilor despre care am mentionat mai sus.

Atunci cand atingi masa, electronii din degetele tale se apropie de electronii din atomii mesei. Pe masura ce electronii dintr-un atom se apropie destul de mult de nucleul celuilalt, dansul se schimba. Un electron aflat pe un nivel energetic inferior nu se poate afla pe acelasi nivel energetic in jurul unui alt nucleu, dat fiind ca acest nivel este deja ocupat de unul dintre electronii celuilalt atom. Asadar, electronul primului atom trebuie sa ocupe un nivel energetic mai ridicat in jurul celui de-al doilea. Aceasta energie suplimentara este generata de forta de respingere a degetului asupra atomilor mesei.

Asadar, pentru a impinge doi atomi aproape unul de celalalt necesita energie pentru ca toti electronii lor trebuie sa treaca pe un nivel energetic superior neocupat. Incercarea de a apropia atomii din deget de masa necesita o cantitate mult mai mare decat cea furnizata de muschii nostri.

Ceea ce atingem este de fapt un camp creat de electroni si a carei masa este creata de nuclee. Masa, in general, se datoreaza fortei nucleare tari, generata prin ruperea simetriei.

Cand se ating doi atomi sau doua molecule, se ating campurile lor de electroni si se resping reciproc. Intr-o mica masura se si atrag, numita atractia van der Walls, responsabila de formarea lichidelor. Astfel, atingerea este un efect real.

Traducere si adaptare dupa:
https://theconversation.com
https://www.mat.univie.ac.at

LĂSAȚI UN MESAJ