Gli atomi si toccano mai?

La risposta dipende da cosa intendi per tocco. Ci sono tre possibili significati del tatto a livello atomico:

1) due oggetti si influenzano a vicenda,

2) due oggetti si influenzano in modo significativo a vicenda

3) due oggetti sono nello stesso posto

Si noti che il concetto di tatto (cioè, i confini netti di due oggetti esistono nello stesso posto) non ha senso a livello atomico, perché gli atomi non hanno confini netti. Gli atomi non sono sfere realmente solide. Queste sono nuvole probabilistiche quantistiche sfocate piene di elettroni sparsi in forme di nuvole simili a onde chiamate orbitali.

Come una nuvola nel cielo, un atomo può avere forma e posizione senza un confine rigido. Ciò è possibile perché l'atomo ha regioni di alta densità e regioni di bassa densità. Quando diciamo che un atomo si trova nel punto A, in realtà intendiamo che una parte della nuvola di probabilità di un atomo con un'alta densità si trova nel punto A.

Se metti un elettrone in una scatola (come si fa nei laser a punti quantici), quell'elettrone è solo per lo più nella scatola. Parte della funzione d'onda dell'elettrone filtra attraverso le pareti della scatola e va all'infinito. Ciò rende possibile l'effetto del tunneling quantistico, che viene utilizzato nei microscopi a tunneling a scansione. Tenendo presente la natura instabile degli atomi, diamo un'occhiata a ciascuno dei possibili significati del tatto.

1. Se per tatto intendiamo che due atomi si influenzano a vicenda, allora gli atomi si toccano sempre. Due atomi distanti un chilometro hanno ancora funzioni d'onda sovrapposte. L'ampiezza della funzione d'onda di un atomo nel punto in cui si interseca con il centro di un altro atomo sarà ridicolmente piccola se sono distanti un chilometro, ma non sarà zero.

Fondamentalmente, due atomi si influenzano a vicenda indipendentemente da dove si trovano nell'universo perché si estendono in tutte le direzioni. In pratica, se due atomi sono distanti più di pochi nanometri, la loro influenza l'uno sull'altro di solito diventa così insignificante da essere oscurata dall'influenza di atomi più vicini. Pertanto, sebbene due atomi a una distanza di un chilometro l'uno dall'altro possano tecnicamente toccarsi (se definiamo il tocco come una sovrapposizione di funzioni d'onda atomiche), questo contatto è solitamente così piccolo che può essere ignorato.

Cos'è questo tocco? Nel mondo fisico, ci sono solo quattro modi principali in cui gli oggetti si influenzano a vicenda: attraverso la forza elettromagnetica, attraverso una forte forza nucleare, attraverso una debole forza nucleare e attraverso la forza di gravità. I neutroni ei protoni che compongono il nucleo di un atomo sono legati l'uno all'altro e reagiscono con due forze nucleari. Gli elettroni che compongono il resto dell'atomo sono legati al nucleo dalla forza elettromagnetica. Gli atomi sono collegati in molecole e le molecole sono collegate in oggetti quotidiani dalla forza elettromagnetica. Infine, i pianeti (così come altri grandi oggetti astronomici) e gli oggetti macroscopici sulla superficie del pianeta sono collegati tra loro dalla gravità.

Se due atomi si trovano a meno di un metro l'uno dall'altro, si toccano attraverso tutte e quattro le forze fondamentali. Tuttavia, per gli atomi tipici, la forza elettromagnetica tende a dominare altre forze. A cosa porta questo tocco? Se due atomi sono troppo distanti, la loro interazione è troppo debole rispetto ad altri corpi circostanti per essere significativa. Quando due atomi sono abbastanza vicini, questa interazione può portare a molte cose. L'intero campo della chimica può essere riassunto come lo studio di tutte le cose interessanti che accadono quando gli atomi si avvicinano abbastanza da influenzarsi a vicenda elettromagneticamente.

Se due atomi non reagiscono e non formano legami covalenti, ionici o idrogeno, la loro interazione elettromagnetica di solito assume la forma di una forza di van der Waals. Nell'effetto van der Waals, due atomi che si avvicinano l'uno all'altro inducono momenti di dipolo elettrico l'uno nell'altro, e questi dipoli sono quindi debolmente attratti l'uno dall'altro attraverso l'attrazione elettrostatica. Mentre l'affermazione che tutti gli atomi del pianeta toccano sempre tutti gli altri atomi del pianeta è strettamente vera secondo questa definizione di tatto, non è molto utile. Invece, possiamo definire arbitrariamente il perimetro effettivo che contiene la maggior parte dell'atomo e quindi dire che qualsiasi parte dell'atomo che si estende oltre quel perimetro è trascurabile. Questo ci porta alla definizione successiva di tatto.

1. Se per tatto intendiamo che due atomi si influenzano in modo significativo a vicenda, allora gli atomi si toccano davvero, ma solo quando sono abbastanza vicini. Il problema è che ciò che è significativo è suscettibile di interpretazione. Ad esempio, possiamo definire il perimetro esterno di un atomo come una superficie matematica contenente il 95% della massa elettronica dell'atomo. Come dovrebbe essere ovvio a questo punto, il perimetro contenente il 100% dell'atomo sarà più grande della Terra.

Con il 95% della densità di probabilità elettronica di un atomo contenuta in questa superficie matematica, potremmo dire che gli atomi non si toccano finché il 95% delle loro regioni non iniziano a sovrapporsi. Un altro modo per assegnare un contatto efficace a un atomo è dire che esiste a metà strada tra due atomi legati in modo covalente. Ad esempio, due atomi di idrogeno che sono legati in modo covalente l'uno all'altro per formare la molecola H2 hanno centri separati da 50 picometri. Possono essere considerati toccanti in questa separazione. Con questo approccio, gli atomi si toccano ogni volta che sono abbastanza vicini da formare potenzialmente un legame chimico.

1. Se per tatto si intende che due atomi sono nello stesso posto, allora due atomi non si toccano mai a temperatura ambiente a causa del principio di esclusione di Pauli. Il principio di esclusione di Pauli è ciò che impedisce a tutti gli atomi del nostro corpo di collassare in un punto. È interessante notare che, a temperature molto basse, alcuni atomi possono essere collocati nello stesso posto. Il risultato è noto come condensato di Bose-Einstein.

Di nuovo, gli atomi non si toccano mai nel senso quotidiano del termine, per il semplice motivo che non hanno confini rigidi. Ma in qualsiasi altro senso della parola tocco, che ha un significato a livello atomico, gli atomi sono certamente toccanti.

Autore: Vitalii Babkin