НаверхСоприкасаются ли атомы на самом деле?
Разбираем фундаментальный вопрос о природе материи
От почти неразрушимых металлов, таких как вольфрам, до нежных облаков в небе — атомы составляют всё, что нас окружает. Но соприкасаются ли эти атомы друг с другом? Как и в большинстве случаев в атомной физике, ответ на этот вопрос сложнее, чем можно было бы ожидать.
Прежде чем мы сможем ответить на этот вопрос, важно определить, что мы подразумеваем под словом «прикосновение», — сказал Кристофер Бэрд, доцент кафедры физики в Университете Западного Техаса A&M.
«В человеческом масштабе, когда мы говорим, что два объекта соприкасаются, мы обычно имеем в виду, что чётко определённая внешняя поверхность одного объекта находится в том же месте, что и чётко определённая внешняя поверхность другого объекта, — сообщил Бэрд в электронном письме. — [Но] на атомном уровне такое соприкосновение не имеет смысла, потому что у атомов нет чётко определённых внешних поверхностей».
Атом — это не твёрдый объект и не самая маленькая частица, известная учёным. Вместо этого атом состоит из множества различных частиц, которые взаимодействуют по определённым правилам. В основе атома лежит ядро, окружённое облаком электронов.
Но при ближайшем рассмотрении оказывается, что это ядро состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из частиц, называемых кварками и глюонами. Атомы разных элементов содержат разное количество протонов, нейтронов и электронов. Например, атом водорода содержит один протон, один электрон и ноль нейтронов, а атом урана — 92 протона, 92 электрона и до 146 нейтронов. (Количество нейтронов в элементе может варьироваться в зависимости от его изотопа.)
По словам Бэрда, из-за электронного облака атома сложно определить точную границу «соприкосновения». Вместо этого лучше определить её как точку, в которой возникает физический или химический эффект, например образование химических связей. По его словам, это может происходить, когда электронные облака атомов значительно перекрываются.
«Они соприкасаются, когда электронные орбитали одного атома достаточно сильно перекрываются с электронными орбиталями другого атома, чтобы начали проявляться физические или химические эффекты», — объяснил Бэрд. «Вероятно, это одно из лучших определений соприкосновения на атомном уровне».
Это «соприкосновение» может быть результатом действия различных сил, в том числе электромагнитных, гравитационных и квантово-механических. По словам Бэрда, жидкости и твёрдые тела обычно соприкасаются за счёт образования химических связей, а газы соприкасаются, отскакивая друг от друга.
Другая форма взаимодействия может происходить при столкновении частиц на высоких скоростях, например в ускорителе частиц, таком как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе в Швейцарии, говорит Чжицюань Сунь, докторант Центра теоретической физики Массачусетского технологического института.
«Когда атомы сталкиваются друг с другом, обладая достаточно высокой энергией, чтобы их электронные облака перекрылись… ядра могут подвергаться упругим или неупругим столкновениям», — сообщил Сан по электронной почте. «Если столкновение упругое, ядро просто меняет направление, снова находит свои электроны и становится тем же атомом, что и был. Если ядра сталкиваются неупруго, они распадаются на протоны и нейтроны, которые могут образовывать другие ядра».
В ЦЕРНе (Европейской организации по ядерным исследованиям) частицы сталкиваются на очень высоких энергиях, что приводит к распаду частиц и даже образованию новых субатомных частиц, таких как бозон Хиггса. Подобные столкновения, вероятно, происходили в ранней Вселенной.
В конце концов, несмотря на то, что атомы не соприкасаются друг с другом так, как это делаем мы, именно атомарное взаимодействие составляет основу жизни, какой мы её знаем, — сказал Бэрд.
«Стул или камень не смогли бы сохранить форму стула или камня, если бы атомы этих объектов не соприкасались друг с другом посредством химических связей, — сказал он. — Все материальные эффекты возникают в результате соприкосновения атомов друг с другом в той или иной форме, включая химические реакции, вибрации, звуковые волны, тепло и так далее».
