Berühren sich Atome jemals?

Die Antwort hängt davon ab, was Sie unter Berührung verstehen. Auf atomarer Ebene gibt es drei mögliche Bedeutungen der Berührung:

1) zwei Objekte beeinflussen sich gegenseitig,

2) zwei Objekte beeinflussen sich erheblich

3) zwei Objekte befinden sich am selben Ort

Beachten Sie, dass das Konzept der Berührung (dh die harten Grenzen zweier Objekte befinden sich an derselben Stelle) auf atomarer Ebene keinen Sinn ergibt, da Atome keine harten Grenzen haben. Atome sind keine wirklich festen Kugeln. Dies sind Fuzzy-Quantenwahrscheinlichkeitswolken, die mit Elektronen gefüllt sind, die in wellenförmigen Wolkenformen, sogenannten Orbitalen, gestreut sind.

Wie eine Wolke am Himmel kann ein Atom Form und Position ohne starre Grenze haben. Dies ist möglich, weil das Atom Regionen mit hoher Dichte und Regionen mit niedriger Dichte aufweist. Wenn wir sagen, dass sich ein Atom am Punkt A befindet, meinen wir tatsächlich, dass sich ein Teil der Wahrscheinlichkeitswolke eines Atoms mit hoher Dichte am Punkt A befindet.

Wenn Sie ein Elektron in eine Box legen (wie dies bei Quantenpunktlasern der Fall ist), befindet sich dieses Elektron nur größtenteils in der Box. Ein Teil der Wellenfunktion des Elektrons sickert durch die Wände der Box und geht ins Unendliche. Dies ermöglicht den Effekt des Quantentunnelns, das in Rastertunnelmikroskopen verwendet wird. Schauen wir uns angesichts der Unstetigkeit der Atome jede der möglichen Bedeutungen der Berührung an.

1. Wenn wir durch Berührung meinen, dass sich zwei Atome gegenseitig beeinflussen, dann berühren sich die Atome immer. Zwei Atome, die einen Kilometer voneinander entfernt sind, haben immer noch überlappende Wellenfunktionen. Die Amplitude der Wellenfunktion eines Atoms an dem Punkt, an dem es sich mit dem Zentrum eines anderen Atoms schneidet, ist lächerlich klein, wenn sie einen Kilometer voneinander entfernt sind, aber nicht Null.

Grundsätzlich beeinflussen sich zwei Atome gegenseitig, egal wo sie sich im Universum befinden, da sie sich in alle Richtungen erstrecken. Wenn zwei Atome mehr als ein paar Nanometer voneinander entfernt sind, wird ihr Einfluss auf einander in der Praxis normalerweise so unbedeutend, dass er durch den Einfluss näherer Atome überschattet wird. Obwohl sich zwei Atome in einem Abstand von einem Kilometer voneinander technisch berühren können (wenn wir Berührung als Überlappung von Atomwellenfunktionen definieren), ist dieser Kontakt normalerweise so klein, dass er ignoriert werden kann.

Was ist das für eine Berührung? In der physischen Welt gibt es nur vier Hauptwege, auf denen sich Objekte gegenseitig beeinflussen: durch die elektromagnetische Kraft, durch eine starke Kernkraft, durch eine schwache Kernkraft und durch die Schwerkraft. Die Neutronen und Protonen, aus denen der Kern eines Atoms besteht, sind aneinander gebunden und reagieren mit zwei Kernkräften. Die Elektronen, aus denen der Rest des Atoms besteht, sind durch elektromagnetische Kraft an den Kern gebunden. Atome sind zu Molekülen verbunden, und Moleküle sind durch elektromagnetische Kraft zu Alltagsgegenständen verbunden. Schließlich sind Planeten (sowie andere große astronomische Objekte) und makroskopische Objekte auf der Planetenoberfläche durch die Schwerkraft miteinander verbunden.

Wenn zwei Atome innerhalb eines Meters voneinander liegen, berühren sie sich durch alle vier Grundkräfte. Bei typischen Atomen dominiert jedoch die elektromagnetische Kraft tendenziell andere Kräfte. Wozu führt diese Berührung? Wenn zwei Atome zu weit voneinander entfernt sind, ist ihre Wechselwirkung im Vergleich zu anderen umgebenden Körpern zu schwach, um sinnvoll zu sein. Wenn zwei Atome nahe genug sind, kann diese Wechselwirkung zu vielen Dingen führen. Das gesamte Gebiet der Chemie kann als Untersuchung aller interessanten Dinge zusammengefasst werden, die passieren, wenn Atome nahe genug kommen, um sich elektromagnetisch zu beeinflussen.

Wenn zwei Atome nicht reagieren und keine kovalenten, ionischen oder Wasserstoffbrückenbindungen bilden, nimmt ihre elektromagnetische Wechselwirkung normalerweise die Form einer Van-der-Waals-Kraft an. Beim Van-der-Waals-Effekt induzieren zwei nahe beieinander liegende Atome elektrische Dipolmomente ineinander, und diese Dipole werden dann durch elektrostatische Anziehung schwach voneinander angezogen. Während die Aussage, dass alle Atome auf dem Planeten immer alle anderen Atome auf dem Planeten berühren, gemäß dieser Definition von Berührung streng wahr ist, ist sie nicht sehr nützlich. Stattdessen können wir willkürlich den effektiven Umfang definieren, der den größten Teil des Atoms enthält, und dann sagen, dass jeder Teil des Atoms, der sich über diesen Umfang hinaus erstreckt, vernachlässigbar ist. Dies bringt uns zur nächsten Definition von Berührung.

1. Wenn wir durch Berührung meinen, dass sich zwei Atome signifikant gegenseitig beeinflussen, dann berühren sich die Atome wirklich, aber nur, wenn sie nahe genug sind. Das Problem ist, dass das Wesentliche interpretiert werden kann. Zum Beispiel können wir den Außenumfang eines Atoms als eine mathematische Oberfläche definieren, die 95% der Elektronenmasse des Atoms enthält. Wie an dieser Stelle offensichtlich sein sollte, ist der Umfang, der 100% des Atoms enthält, größer als die Erde.

Mit 95% der Elektronenwahrscheinlichkeitsdichte eines Atoms in dieser mathematischen Oberfläche können wir sagen, dass sich Atome erst berühren, wenn 95% ihrer Regionen anfangen, sich zu überlappen. Eine andere Möglichkeit, einem Atom einen effektiven Kontakt zuzuweisen, besteht darin, zu sagen, dass er auf halbem Weg zwischen zwei kovalent gebundenen Atomen existiert. Beispielsweise haben zwei Wasserstoffatome, die kovalent aneinander gebunden sind, um das H2-Molekül zu bilden, Zentren, die durch 50 Pikometer voneinander getrennt sind. Sie können bei dieser Trennung als berührend angesehen werden. Bei diesem Ansatz berühren sich die Atome jedes Mal, wenn sie nahe genug sind, um möglicherweise eine chemische Bindung zu bilden.

1. Wenn wir durch Berührung meinen, dass sich zwei Atome an derselben Stelle befinden, berühren sich zwei Atome aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips niemals bei Raumtemperatur. Das Pauli-Ausschlussprinzip verhindert, dass alle Atome in unserem Körper zu einem Punkt zusammenfallen. Interessanterweise können bei sehr niedrigen Temperaturen einige Atome an derselben Stelle platziert werden. Das Ergebnis ist als Bose-Einstein-Kondensat bekannt.

Wiederum berühren sich Atome niemals im alltäglichen Sinne des Wortes, aus dem einfachen Grund, dass sie keine starren Grenzen haben. Aber in jedem anderen Sinne des Wortes Berührung, das auf atomarer Ebene eine Bedeutung hat, berühren sich die Atome mit Sicherheit.

Autor: Vitalii Babkin