Les atomes se touchent-ils jamais?

La réponse dépend de ce que vous entendez par toucher. Il existe trois significations possibles du toucher au niveau atomique:

1) deux objets s'influencent mutuellement,

2) deux objets s'influencent de manière significative

3) deux objets sont au même endroit

Notez que le concept de toucher (c'est-à-dire que les frontières dures de deux objets existent au même endroit) n'a pas de sens au niveau atomique, car les atomes n'ont pas de frontières dures. Les atomes ne sont pas vraiment des sphères solides. Ce sont des nuages ​​probabilistes quantiques flous remplis d'électrons dispersés dans des formes de nuages ​​ondulatoires appelées orbitales.

Comme un nuage dans le ciel, un atome peut avoir une forme et un emplacement sans frontière rigide. Cela est possible parce que l'atome a des régions de haute densité et des régions de faible densité. Quand on dit qu'un atome est situé au point A, on veut dire en fait qu'une partie du nuage de probabilité d'un atome à haute densité est située au point A.

Si vous mettez un électron dans une boîte (comme cela se fait dans les lasers à points quantiques), cet électron n'est que la plupart du temps dans la boîte. Une partie de la fonction d'onde de l'électron s'infiltre à travers les parois de la boîte et va à l'infini. Cela rend possible l'effet du tunnel quantique, qui est utilisé dans les microscopes à effet tunnel. En gardant à l'esprit la nature instable des atomes, examinons chacune des significations possibles du toucher.

1. Si par le toucher nous entendons que deux atomes s'influencent l'un l'autre, alors les atomes se touchent toujours. Deux atomes distants d'un kilomètre ont encore des fonctions d'onde qui se chevauchent. L'amplitude de la fonction d'onde d'un atome au point d'intersection avec le centre d'un autre atome sera ridiculement petite s'ils sont distants d'un kilomètre, mais elle ne sera pas nulle.

Fondamentalement, deux atomes s'influencent mutuellement où qu'ils se trouvent dans l'univers car ils s'étendent dans toutes les directions. En pratique, si deux atomes sont distants de plus de quelques nanomètres, leur influence l'un sur l'autre devient généralement si insignifiante qu'elle est éclipsée par l'influence d'atomes plus proches. Par conséquent, bien que deux atomes à une distance d'un kilomètre l'un de l'autre puissent techniquement se toucher (si nous définissons le toucher comme un chevauchement de fonctions d'onde atomique), ce contact est généralement si petit qu'il peut être ignoré.

Quelle est cette touche? Dans le monde physique, il n'y a que quatre principales façons dont les objets s'influencent mutuellement: par la force électromagnétique, par une force nucléaire forte, par une force nucléaire faible et par la force de gravité. Les neutrons et les protons qui composent le noyau d'un atome sont liés les uns aux autres et réagissent avec deux forces nucléaires. Les électrons qui composent le reste de l'atome sont liés au noyau par la force électromagnétique. Les atomes sont liés en molécules et les molécules sont liées aux objets du quotidien par la force électromagnétique. Enfin, les planètes (ainsi que d'autres grands objets astronomiques) et les objets macroscopiques à la surface de la planète sont reliés les uns aux autres par gravité.

Si deux atomes sont à moins d'un mètre l'un de l'autre, ils se touchent par les quatre forces fondamentales. Cependant, pour les atomes typiques, la force électromagnétique a tendance à dominer les autres forces. À quoi mène ce contact? Si deux atomes sont trop éloignés l'un de l'autre, leur interaction est trop faible par rapport aux autres corps environnants pour être significative. Lorsque deux atomes sont suffisamment proches, cette interaction peut conduire à bien des choses. L'ensemble du domaine de la chimie peut être résumé comme l'étude de toutes les choses intéressantes qui se produisent lorsque les atomes se rapprochent suffisamment pour s'influencer électromagnétiquement.

Si deux atomes ne réagissent pas et ne forment pas de liaisons covalentes, ioniques ou hydrogène, leur interaction électromagnétique prend généralement la forme d'une force de van der Waals. Dans l'effet van der Waals, deux atomes se rapprochant l'un de l'autre induisent des moments dipolaires électriques l'un dans l'autre, et ces dipôles sont alors faiblement attirés l'un vers l'autre par attraction électrostatique. Bien que l'affirmation selon laquelle tous les atomes de la planète touchent toujours tous les autres atomes de la planète est strictement vraie selon cette définition du toucher, elle n'est pas très utile. Au lieu de cela, nous pouvons définir arbitrairement le périmètre effectif qui contient la majeure partie de l'atome, puis dire que toute partie de l'atome qui s'étend au-delà de ce périmètre est négligeable. Cela nous amène à la prochaine définition du toucher.

1. Si par le toucher nous entendons que deux atomes se touchent de manière significative, alors les atomes se touchent vraiment, mais seulement lorsqu'ils sont suffisamment proches. Le problème est que ce qui est significatif est sujet à interprétation. Par exemple, nous pouvons définir le périmètre extérieur d'un atome comme une surface mathématique contenant 95% de la masse électronique de l'atome. Comme cela devrait être évident à ce stade, le périmètre contenant 100% de l'atome sera plus grand que la Terre.

Avec 95% de la densité de probabilité électronique d'un atome contenue dans cette surface mathématique, on pourrait dire que les atomes ne se touchent que lorsque 95% de leurs régions commencent à se chevaucher. Une autre façon d'attribuer un contact efficace à un atome est de dire qu'il existe à mi-chemin entre deux atomes liés de manière covalente. Par exemple, deux atomes d'hydrogène qui sont liés de manière covalente l'un à l'autre pour former la molécule H2 ont des centres séparés par 50 picomètres. Ils peuvent être considérés comme touchant dans cette séparation. Avec cette approche, les atomes se touchent à chaque fois qu'ils sont suffisamment proches pour former potentiellement une liaison chimique.

1. Si par le toucher nous entendons que deux atomes sont au même endroit, alors deux atomes ne se touchent jamais à température ambiante en raison du principe d'exclusion de Pauli. Le principe d'exclusion de Pauli est ce qui empêche tous les atomes de notre corps de s'effondrer en un seul point. Fait intéressant, à des températures très basses, certains atomes peuvent être placés au même endroit. Le résultat est connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein.

Encore une fois, les atomes ne se touchent jamais dans le sens quotidien du mot, pour la simple raison qu'ils n'ont pas de frontières rigides. Mais dans tout autre sens du mot toucher, qui a un sens au niveau atomique, les atomes se touchent certainement.

Auteur: Vitalii Babkin