Если атомы по большей части пустые, почему вещи твердые на ощупь и на вид?
Химик Джон Дальтон предложил теорию, что вся материя и объекты состоят частиц — атомов, — и эта теория до сих пор принята научным сообществом, спустя двести лет. Каждый из этих атомов состоит из невероятно маленького ядра и еще меньших электронов, которые движутся на относительно большом расстоянии от центра. Если представить стол, который в миллиард раз больше, его атомы будут размером с арбузы. Но даже тогда ядро в центре будет все еще слишком маленьким, чтобы его можно было разглядеть, не говоря уж об электронах. Почему же тогда наши пальцы не проходят сквозь атомы? Почему свет не проникает через эти щели?
Чтобы понять это, нам нужно рассмотреть электроны. К сожалению, в школе нас учили упрощенным понятиям — электроны на самом деле не вращаются вокруг центра атома, как планеты вокруг солнца. Хотя говорили нам именно так. Вместо этого электроны можно представить в виде роя пчел или стаи птиц, отдельные движения которых слишком быстрые, чтобы их можно было уловить, но вы все еще видите общую форму этого роя.
«Танец» электронов
На деле, электроны танцуют — и нет слова лучше, чтобы описать этот процесс. Но это не случайный танец — скорее, бальный танец, в котором электроны движутся по определенным схемам, следуя шагам, установленным математическим уравнением имени Эрвина Шредингера.
Эти схемы, модели могут отличаться — некоторые медленные и нежные, как вальс, другие быстрые и энергичные, как буги. Каждый электрон придерживается одной и той же схемы, но иногда может переключиться на другую, если никакой другой электрон еще эту схему не выполняет. Никакие два электроны в атоме не могут двигаться одинаково: это правило называется принципом запрета, принципом Паули.
Хотя электроны никогда не устают, переход на более быстрый шаг требует энергии. И когда электрон переходит на медленную схему, он теряет энергию. Поэтому когда энергия в виде света падает на электрон, он может поглотить некоторую энергию и перейти к более быстрому, высокому «танцу». Луч света не проходит через ваш стол, потому что электроны во всех атомах пытаются захватить немного энергии у света.
Через некоторое время они теряют полученную энергию, иногда в виде того же света. Изменения в характере поглощения и отражения света дает нам отражения и цвета — поэтому мы видим стол в виде твердого объекта.
Сопротивление при прикосновении
Почему же стол твердый и на ощупь? Возможно, вы слышали, что это происходит из-за отталкивания — что два отрицательно заряженных объекта должны отталкивать друг друга. Но это не так. Твердый он тоже из-за танцующих электронов.
Если прикоснуться к столу, электроны из атомов в ваших пальцах окажутся близко к электронам в атомах стола. И когда электроны в одном атоме приближаются к ядру в другом, схема их танцев меняется. Потому что электрон в низкоэнергетическом состоянии возле одного ядра не может делать то же самое возле другого — это место уже занято. Новоприбывшему приходится переходить в незанятое положение. И избыточную энергию нужно куда-то деть, не в форме света в этот раз, а в форме силы от вашего трогающего пальца.
Поэтому процесс близкого подведения атомов требует энергии, поскольку все их электроны должны перейти в другие, незанятые, высокоэнергетические состояния. Попытка совместить все атомы стола и пальца вместе потребует колоссальное количество энергии — больше, чем могут обеспечить ваши мышцы. Вы чувствуете сопротивление пальца, а стол чувствует твердость вашего тела при прикосновении.