Os átomos alguma vez se tocam?

A resposta depende do que você entende por toque. Existem três significados possíveis de toque no nível atômico:

1) dois objetos influenciam um ao outro,

2) dois objetos afetam significativamente um ao outro

3) dois objetos estão no mesmo lugar

Observe que o conceito de toque (ou seja, os limites rígidos de dois objetos existem no mesmo lugar) não faz sentido no nível atômico, porque os átomos não têm limites rígidos. Os átomos não são realmente esferas sólidas. Essas são nuvens probabilísticas quânticas difusas, cheias de elétrons espalhados em formas de nuvens onduladas chamadas orbitais.

Como uma nuvem no céu, um átomo pode ter forma e localização sem uma fronteira rígida. Isso é possível porque o átomo possui regiões de alta densidade e regiões de baixa densidade. Quando dizemos que um átomo está localizado no ponto A, na verdade queremos dizer que uma parte da nuvem de probabilidade de um átomo com alta densidade está localizada no ponto A.

Se você colocar um elétron em uma caixa (como é feito nos lasers de pontos quânticos), esse elétron estará apenas na maior parte da caixa. Parte da função de onda do elétron se infiltra pelas paredes da caixa e vai para o infinito. Isso torna possível o efeito do tunelamento quântico, que é usado em microscópios de tunelamento de varredura. Com a natureza instável dos átomos em mente, vamos examinar cada um dos possíveis significados do toque.

1. Se por toque queremos dizer que dois átomos influenciam um ao outro, então os átomos sempre se tocam. Dois átomos separados por um quilômetro ainda têm funções de onda sobrepostas. A amplitude da função de onda de um átomo no ponto onde ele se cruza com o centro de outro átomo será ridiculamente pequena se eles estiverem separados por um quilômetro, mas não será zero.

Basicamente, dois átomos afetam um ao outro, não importa onde estejam no universo, porque se estendem em todas as direções. Na prática, se dois átomos estão separados por mais de alguns nanômetros, a influência mútua deles geralmente se torna tão insignificante que é ofuscada pela influência de átomos mais próximos. Portanto, embora dois átomos a uma distância de um quilômetro um do outro possam tocar tecnicamente (se definirmos o toque como uma sobreposição de funções de onda atômica), esse contato é geralmente tão pequeno que pode ser ignorado.

Que toque é esse? No mundo físico, existem apenas quatro maneiras principais de os objetos afetarem uns aos outros: por meio da força eletromagnética, por meio de uma força nuclear forte, por meio de uma força nuclear fraca e por meio da força da gravidade. Os nêutrons e prótons que constituem o núcleo de um átomo estão ligados entre si e reagem com duas forças nucleares. Os elétrons que constituem o resto do átomo estão ligados ao núcleo pela força eletromagnética. Os átomos estão ligados em moléculas e as moléculas estão ligadas aos objetos do dia-a-dia por força eletromagnética. Finalmente, os planetas (bem como outros grandes objetos astronômicos) e objetos macroscópicos na superfície do planeta estão conectados uns aos outros pela gravidade.

Se dois átomos estiverem a menos de um metro um do outro, eles se tocam por meio de todas as quatro forças fundamentais. No entanto, para átomos típicos, a força eletromagnética tende a dominar outras forças. A que esse toque leva? Se dois átomos estão muito distantes, sua interação é muito fraca em comparação com outros corpos circundantes para ser significativa. Quando dois átomos estão próximos o suficiente, essa interação pode levar a muitas coisas. Todo o campo da química pode ser resumido como o estudo de todas as coisas interessantes que acontecem quando os átomos se aproximam o suficiente para influenciar um ao outro eletromagneticamente.

Se dois átomos não reagem e não formam ligações covalentes, iônicas ou de hidrogênio, então sua interação eletromagnética geralmente assume a forma de uma força de van der Waals. No efeito van der Waals, dois átomos próximos um do outro induzem momentos de dipolo elétrico um no outro, e esses dipolos são então fracamente atraídos um pelo outro por meio da atração eletrostática. Embora a afirmação de que todos os átomos do planeta sempre tocam todos os outros átomos do planeta seja estritamente verdadeira de acordo com esta definição de toque, não é muito útil. Em vez disso, podemos definir arbitrariamente o perímetro efetivo que contém a maior parte do átomo e, então, dizer que qualquer parte do átomo que se estenda além desse perímetro é desprezível. Isso nos leva à próxima definição de toque.

1. Se por toque queremos dizer que dois átomos afetam significativamente um ao outro, então os átomos realmente se tocam, mas apenas quando estão próximos o suficiente. O problema é que o que é significativo está aberto à interpretação. Por exemplo, podemos definir o perímetro externo de um átomo como uma superfície matemática contendo 95% da massa do elétron do átomo. Como deveria ser óbvio neste ponto, o perímetro contendo 100% do átomo será maior do que a Terra.

Com 95% da densidade de probabilidade do elétron de um átomo contido nesta superfície matemática, poderíamos dizer que os átomos não se tocam até que 95% de suas regiões comecem a se sobrepor. Outra maneira de atribuir contato efetivo a um átomo é dizer que ele existe a meio caminho entre dois átomos que estão ligados covalentemente. Por exemplo, dois átomos de hidrogênio que estão covalentemente ligados um ao outro para formar a molécula de H2 têm centros separados por 50 picômetros. Eles podem ser considerados se tocando nesta separação. Com essa abordagem, os átomos se tocam cada vez que estão próximos o suficiente para formar uma ligação química.

1. Se por toque queremos dizer que dois átomos estão no mesmo lugar, então dois átomos nunca se tocam à temperatura ambiente devido ao princípio de exclusão de Pauli. O Princípio de Exclusão de Pauli é o que impede que todos os átomos de nosso corpo se colapsem em um único ponto. Curiosamente, em temperaturas muito baixas, alguns átomos podem ser colocados no mesmo lugar. O resultado é conhecido como condensado de Bose-Einstein.

Novamente, os átomos nunca se tocam no sentido comum da palavra, pela simples razão de que eles não têm limites rígidos. Mas em qualquer outro sentido da palavra toque, que tem significado no nível atômico, os átomos certamente estão se tocando.

Autor: Vitalii Babkin