Соприкасаются ли когда-нибудь атомы друг с другом?

Ответ зависит от того, что вы подразумеваете под «прикосновением». Существует три возможных значения прикосновения на атомарном уровне:

1) два объекта влияют друг на друга,

2) два объекта существенно влияют друг на друга

3) два объекта находятся в одном и том же месте

Обратите внимание, что концепция прикосновения (то есть жесткие границы двух объектов существуют в одном и том же месте) не имеет смысла на атомном уровне, потому что атомы не имеют жестких границ. Атомы на самом деле не являются твердыми сферами. Это нечеткие квантово-вероятностные облака, заполненные электронами, разбросанными в волнообразные облачные формы, называемые «орбиталями».

Подобно облаку в небе, атом может иметь форму и местоположение, не имея жесткой границы. Это возможно, потому что атом имеет области высокой плотности и области низкой плотности. Когда мы говорим, что атом находится в точке А, на самом деле мы имеем в виду, что часть вероятностного облака атома с высокой плотностью расположена в точке А.

Если вы помещаете электрон в коробку (как это делается в лазерах с квантовыми точками), этот электрон находится только в основном в коробке. Часть волновой функции электрона просачивается сквозь стенки коробки и уходит в бесконечность. Это делает возможным эффект квантового туннелирования, который используется в сканирующих туннельных микроскопах. Имея в виду нетвердую природу атомов, давайте рассмотрим каждое из возможных значений прикосновения.

1. Если под «прикосновением» понимать, что два атома влияют друг на друга, то атомы всегда соприкасаются. Два атома, которые находятся на расстоянии километра друг от друга, все еще имеют перекрывающиеся волновые функции. Амплитуда волновой функции одного атома в точке, где она пересекается с центром другого атома, будет смехотворно мала, если они находятся на расстоянии километра друг от друга, но она не будет равна нулю.

В принципе, два атома влияют друг на друга независимо от того, где они находятся во вселенной, потому что они простираются во всех направлениях. На практике, если два атома находятся на расстоянии более нескольких нанометров друг от друга, их влияние друг на друга обычно становится настолько незначительным, что оно затмевается влиянием более близких атомов. Поэтому, хотя два атома на расстоянии километра друг от друга технически могут соприкасаться (если мы определяем соприкосновение как наложение атомных волновых функций), это соприкосновение обычно настолько незначительно, что его можно игнорировать.

Что это за «прикосновение»? В физическом мире существует только четыре основных способа воздействия объектов друг на друга: через электромагнитную силу, через сильную ядерную силу, через слабую ядерную силу и через силу гравитации. Нейтроны и протоны, составляющие ядро атома, связаны друг с другом и подвергаются реакциям с помощью двух ядерных сил. Электроны, составляющие остальную часть атома, связаны с ядром электромагнитной силой. Атомы связаны в молекулы, а молекулы связаны в повседневные предметы электромагнитной силой. Наконец, планеты (а также другие крупные астрономические объекты) и макроскопические объекты на поверхности планеты связаны друг с другом гравитацией.

Если два атома находятся на расстоянии метра друг от друга, они соприкасаются друг с другом через все четыре фундаментальные силы. Однако для типичных атомов электромагнитная сила имеет тенденцию доминировать над другими силами. К чему приводит это прикосновение? Если два атома находятся слишком далеко друг от друга, их взаимодействие слишком слабо по сравнению с другими окружающими телами, чтобы что-то значить. Когда два атома оказываются достаточно близко, это взаимодействие может привести ко многим вещам. Вся область химии может быть обобщена как изучение всех интересных вещей, которые происходят, когда атомы приближаются достаточно близко, чтобы влиять друг на друга электромагнитно.

Если два атома не реагируют и не образуют ковалентных, ионных или водородных связей, то их электромагнитное взаимодействие обычно принимает форму силы Ван-дер-Ваальса. В эффекте Ван-дер-Ваальса два атома, сближенные друг с другом, индуцируют электрические дипольные моменты друг в друге, и эти диполи затем слабо притягиваются друг к другу через электростатическое притяжение. Хотя утверждение, что «все атомы на планете всегда соприкасаются со всеми другими атомами на планете», строго верно в соответствии с этим определением прикосновения, оно не очень полезно. Вместо этого мы можем произвольно определить эффективный периметр, который содержит большую часть атома, а затем сказать, что любая часть атома, которая выходит за пределы этого периметра, не заслуживает внимания. Это подводит нас к следующему определению прикосновения.

2. Если под «прикосновением» понимать, что два атома существенно влияют друг на друга, то атомы действительно соприкасаются, но только когда они достаточно близко. Проблема в том, что то, что составляет «значительное», открыто для интерпретации. Например, мы можем определить внешний периметр атома как математическую поверхность, содержащую 95% электронной массы атома. Как должно быть очевидно в этот момент, периметр, содержащий 100% атома, будет больше, чем Земля.

С 95% электронной плотности вероятности атома, содержащейся в этой математической поверхности, мы могли бы сказать, что атомы не соприкасаются до тех пор, пока их 95% областей не начнут перекрываться. Другой способ назначить эффективное соприкосновение атому — это сказать, что оно существует на полпути между двумя атомами, которые ковалентно связаны. Например, два атома водорода, которые ковалентно связаны друг с другом, образуя молекулу H2, имеют центры, разделенные 50 пикометрами. Их можно считать «соприкасающимися» при этом разделении. При таком подходе атомы соприкасаются всякий раз, когда они находятся достаточно близко, чтобы потенциально образовать химическую связь.

3. Если под «прикосновением» понимать, что два атома находятся в одном и том же месте, то два атома никогда не соприкасаются при комнатной температуре из-за принципа исключения Паули. Принцип исключения Паули — это то, что удерживает все атомы в нашем теле от коллапса в одну точку. Интересно, что при очень низких температурах некоторые атомы могут быть помещены в одно и то же место. Результат известен как конденсат Бозе-Эйнштейна.

Опять же, атомы никогда не соприкасаются в повседневном смысле этого слова по той простой причине, что у них нет жестких границ. Но в любом другом смысле слова «прикосновение», которое имеет значение на атомном уровне, атомы, безусловно, соприкасаются.