Dacă atomii sunt în esență majoritatea alcătuiți din spațiu gol, de ce obiectele par a fi solide când le atingem?
La prima vedere, acest lucru poate părea un paradox: din cunoștințele științifice moderne, știm că atomii – „cărămizile” fundamentale ale materiei – sunt compuși în principal din spațiu gol. Cu toate acestea, atunci când atingem o masă, o piatră sau chiar o persoană, avem senzația de soliditate, de consistență, sau chiar de duritate. Care este explicația pentru această percepție, având în vedere că în teorie atingem aproape nimic? Răspunsul se află în complexitatea mecanicii cuantice și comportamentul electronilor.
Ce conține un atom?
Conceptul atomului a fost formulat cu aproximativ două secole în urmă, când John Dalton a sugerat că materia este compusă din particule indivizibile. De atunci, știința a evoluat considerabil, iar percepția asupra atomului s-a rafinat. Atomul este alcătuit dintr-un nucleu extrem de mic (format din protoni și neutroni), înconjurat de un nor de electroni. Acest „nor” nu este fizic materia în sensul clasic, ci reprezintă probabilitatea de a localiza electronii într-un anumit punct în jurul nucleului. Între nucleu și norul electronic există un spațiu vast – privit din perspectiva dimensiunii atomice.
Ca o analogie sugestivă: dacă un atom ar fi extins până la dimensiunea unui stadion de fotbal, nucleul ar fi echivalent cu o minge de golf plasată în centrul terenului, iar restul ar consta în mare parte din «spațiu gol». Totuși, surprinzător, acest spațiu aparent gol este de fapt plin de energie și de câmpuri cuantice.
Electronii: dansatori invizibili
În cadrul educației, ni se afirmă uneori că electronii orbitează nucleul la fel cum planetele orbitează în jurul Soarelui. Aceasta este o analogie depășită. În realitate, electronii se comportă mai degrabă ca un nor de probabilitate sau, metaforic, ca un grup de păsări care urmează modele de mișcare dictate de ecuația lui Schrödinger.
Aceste modele se numesc orbitali, iar forma și energia fiecărui orbital sunt clar definite fizic. Fiecare electron respectă reguli stricte în acest dans: două particule cu aceleași trăsături cuantice nu pot ocupa simultan aceeași stare cuantică – o lege cunoscută sub numele de Principiul de excluziune Pauli.
Astfel, electronii dintr-un atom se organizează în jurul nucleului în moduri ordonate, fiecare având o stare cuantică distinctă. Dacă un alt electron dorește să ocupe aceeași „poziție de dans”, va trebui să schimbe nivelul de energie – ceea ce implică o costisitoare energie.
De ce nu putem trece prin obiecte?
Imaginează-ți că încerci să împingi un deget prin suprafața unei mese. În realitate, atomii din degetul tău se apropie de atomii din masa respectivă. Pe plan atomic, ceea ce se primește nu este o coliziune fizică în sensul tradițional, ci o interacțiune între câmpurile electronice ale celor două sisteme atomice.
Pe măsură ce electronii din deget se apropie de electronii din masă, forțele cuantice intervin: pentru ca doi electroni să poată ocupa același spațiu, unul dintre ei ar trebui să „sară” pe un nivel superior de energie, ceea ce nu este posibil fără un aport enorm de energie – mai mult decât pot oferi mușchii noștri.
Astfel, ceea ce percepem ca „rezistență la atingere” este rezultatul respingerii reciproce între electronii de la suprafața degetului și cei de la suprafața mesei. Această respingere este determinată, pe de o parte, de sarcina electrică negativă a electronilor (câmpurile lor se resping) și, pe de altă parte, de legea cuantică care împiedică ocuparea simultană a spațiului.
