Dacă atomul este aproape în întregime spațiu gol, de ce simţim că obiectele sunt solide?

Chimistul John Dalton a propus teoria atomică, conform căreia toată materia este formată din particule denumite atomi. Atomii sunt compuşi la rândul lor dintr-un nucleu incredibil de mic și din mai mulţi electroni care se mișcă în jurul nucleului la o anumită distanţă de acesta.

Dacă ne-am imagina un obiect, cum ar fi o masă, mărit de aproximativ un miliard de ori, atunci atomii săi ar fi de mărimea unor pepeni. Dar chiar și așa, atomul ar fi încă mult prea mic pentru a vedea electronii care se mişcă în jurul nucleului.

De ce materia nu poate trece prin materie şi de ce nu putem vedea spațiul gol dintre electroni?

Pentru a putea răspunde la aceste întrebări, trebuie să înţelegem cum se mişcă în realitate electronii în jurul nucleului atomic. Din păcate, dificultăţile de înţelegere se datorează în parte şi faptului că la şcoală cei mai mulţi dintre noi am învăţat despre un model simplificat al atomului (n.t. Modelul atomic Bohr) în care electronii se mişcă în jurul nucleului atomic asemenea planetelor în jurul Soarelui.

Modelul atomic Bohr. Credit: Shutterstock

Mişcarea electronilor în jurul nucleului atomic nu este similară cu mişcarea planetelor din Sistemul Solar. Este mult mai corect să ne gândim la electroni ca la un stol de păsări, în care mișcarea fiecărei păsări este mult prea rapidă pentru a putea fi urmărită. Cu toate acestea, putem vedea forma de ansamblu a stolului.

 „Dansul” electronilor

În realitate, mişcarea electronilor în jurul nucleului atomic este similară unui dans. Dar acest dans nu este la întâmplare, ci este mai degrabă asemănător celor din sălile de dans. Mişcarea electronilor din norul electronic este descrisă de nivelul lor de energie şi de orbitalul electronic din care fac parte, iar „dansul” electronilor urmează o serie de „paşi” care respectă o ecuație matematică care poartă numele fizicianului Erwin Schrödinger.

Mişcarea electronilor în jurul nucleului atomic este similară cu cea a păsărilor dintr-un stol. Credit: John Holmes/Wikimedia Commons, CC BY-SA

Orbitalii sunt volume spaţiale care descriu probabilitatea prezenţei electronilor şi în timp forma acestora poate varia, dar niciun orbital nu conţine electroni identici, adică având aceleaşi numere cuantice, în baza Principiului de Excluziune al lui Wolfgang Pauli. Unii orbitali caracterizează o mişcare mai lentă a electronilor, ca un vals, în timp ce alţii caracterizează o mişcare rapidă, ca un Charleston.

Deşi electronii nu se opresc niciodată din mişcarea lor, pentru ca aceştia să se deplaseze mai repede trebuie să primească energie din exterior. În consecinţă, atunci când electronul primeşte energie sub formă de radiaţie electromagnetică el poate absorbi o parte din această energie pentru a trece pe un nivel energetic mai ridicat, adică se va muta pe un orbital unde mişcarea electronului este mai rapidă.

O rază de lumină nu va străbate o distanță prea mare printr-un obiect, deoarece în atomii din materie există numeroşi electroni care captează energia radiaţiei electromagnetice. Cu toate acestea, după un scurt timp electronii pot pierde această energie acumulată tot sub formă de radiaţie electromagnetică.

De ce obiectele opun rezistență la atingere?

De ce simţim că obiectele sunt solide, dacă atomul este aproape în întregime spațiu gol?

Multă lume vă va spune că acest lucru se datorează forţei electromagnetice de respingere dintre electroni. Dar această explicaţie este greșită.

De ce simtim că obiectele sunt solide? Credit: Shutterstock

Dacă atingeți cu degetul o masă, electronii din atomii din deget se apropie de electronii din atomii ce formează masa. Dacă electronii dintr-un atom se apropie destul de mult de nucleul unui alt atom, mişcarea electronilor din norul electronic se modifică. Acest lucru se datorează faptului că un electron aflat pe un nivel energetic scăzut în jurul unui anumit nucleu nu se poate afla pe acelaşi nivel energetic în jurul unui alt nucleu, acest loc fiind deja ocupat de unul dintre electronii celuilalt atom. Electronul nou-venit trebuie să ocupe un nivel energetic mai ridicat, iar această energie suplimentară nu se va manifesta de data aceasta prin emiterea de radiaţie electromagnetică, ci printr-o forţă de respingere asupra degetului.

În consecinţă, avem nevoie de energie pentru a apropia doi atomi unul de celălalt, deoarece toți electronii lor trebuie să ajungă pe nivele superioare de energie neocupate. Încercarea de a apropia toţi atomii din deget de atomii dintr-un obiect necesită o cantitate mare de energie, mai mare decât cea furnizată de mușchii noştri. Din acest motiv simţim că obiectele pe care le atingem sunt solide.

Traducere şi adaptare după If atoms are mostly empty space, why do objects look and feel solid?