Electronii unui atom sunt organizați în orbitali.
Nenumăratele puncte pe care le vedeți nu reprezintă electroni, ci posibile poziții în spațiu pentru un electron, dacă încerci să-l măsori.
În urmă cu trei ani am scris un articol intitulat „De ce obiectele opun rezistență la atingere”, pe care-l începeam așa: „Simplificând un pic, dacă atomul ar fi de dimensiunea unui teren de fotbal, nucleul atomic ar fi de dimensiunea unui nasture. Restul - spaţiu gol”.
Trebuie admis că am simplificat un pic mai mult...
Orbitalii atomici ai electronului în atomul de hidrogen, la energii diferite.
Probabilitatea de a găsi electronul este dată de culoare (cu cât mai strălucitoare, cu atât mai mare probabilitatea).
Credit: wikipedia.org
Atomii sunt constituiți din nucleu și electroni. Nucleul este format din protoni și neutroni, care la rândul lor sunt formați din două tipuri de quarcuri (particule elementare): up și down.
Electronii sunt foarte mici în comparație cu protonii sau neutronii (cam a zecea mia parte), dacă-i privim ca particule.
Dar lucrurile sunt mai complicate. Pentru că, în fapt, înțelegerea electronului și a quarcurilor ca fiind un fel de bile care interacționează misterios între ele, iar între aceste bile este vid - aceasta este o abordare care nu se mai potrivește cu concepția fizicii moderne, mecanica cuantică.
În concepția modernă, conform teoriei câmpurilor cuantice, ceea ce numim particule sunt vibrații locale ale unui câmp cuantic. Toate particulele sunt astfel de oscilații ale unor câmpuri. Există un câmp fotonic, un câmp al quarcurilor, un câmp gluonic, un câmp miuonic șamd.
→ Citiți și: Câmpurile cuantice - cărămizile fundamentale ale universului
Reprezentare a câmpurilor cuantice
Cu cât energiile sunt mai mari, cu atât aceste elemente constitutive ale universului par mai degrabă particule decât unde. Dar la energii joase, acestea se comportă mai degrabă ca unde.
Iată exemplul sugestiv al fotonilor: aceștia pot avea lungimi de undă de zeci de metri ori chiar kilometri (din segmentul undelor radio)!
În cazul electronilor, aflați în structura exterioară a atomilor, nu putem spune că sunt mici bile care orbitează în jurul nucleului. În fapt, după cum puteți observa în imaginea de mai sus (funcția de undă a hidrogenului), electronii se manifestă în ceva numit „nori de probabilitate”: îi poți găsi într-o arie destul de mare în jurul nucleului, în anumite zone cu mai mare probabilitate decât în altele.
Această dualitate (particulă-undă) a constituenților fundamentali ai materiei face ca imaginea noastră „clasică”, de particule-bile, să nu fie corectă.
De aceea, să spunem că atomul este format, în cea mai mare parte, din spațiu gol, este înșelător. În spațiul ăla se află funcția de undă a particulelor, în superpoziție. În spațiul ăla „gol” te poate lovi în cap oricând un electron rătăcit :)
Ce este funcția de undă?
În mecanica cuantică, fiecare sistem este descris de o funcție de undă, pe baza căreia se calculează probabilitatea obținerii unui anume rezultat al măsurării. Fizicienii folosesc litera greacă Psi (Ψ) pentru a referi la funcția de undă. Cu ajutorul funcției de undă, puteți calcula, de exemplu, că o particulă care intră într-un divizor de fascicule prezintă o probabilitate de 50% de a merge la stânga și de 50% de a merge la dreapta. Dar după ce ați măsurat particulele, știți cu o probabilitate de 100% unde se află. Aceasta înseamnă că acum trebuie să actualizați probabilitatea și, odată cu aceasta, funcția de undă. Această actualizare se mai numește colapsul funcției de undă. Colapsul funcției de undă nu este opțional. Este o cerință de observație. Nu observăm niciodată o particulă care este 50% aici și 50% acolo. Dacă o observăm - este aici sau nu este. Vorbind de 50% - are sens doar dacă vorbim despre o predicție.
Dar spațiul este „populat” cu multe altele, nu doar atomi
Dar atomul, oricât de mic ar fi, este mare în comparație cu alte particule care există în univers. De exemplu, neutrino, o particulă atât de mică, încât foarte rar interacționează cu materia, deși este formidabil de abundentă. Neutrino trece în mod constant prin interiorul atomilor, fără a se lovi de protoni, neutroni sau electroni.
Dar în spațiul ocupat de un atom, dacă am putea desena un volum al acestuia pe care-l ocupă prin elementele sale, mai sunt, în fapt, multe altele. Iată compoziția universului:
Întâi de toate: materia întunecată și energia întunecată nu sunt observabile în mod direct, pentru că nu interacționează cu fotonii, „instrumentul” de bază pentru noi în ce privește observarea universului.
Așadar, în univers doar 5% (în fapt) este materie.
Adeseori fizicienii menționează „vidul”. Vidul din laboratoarele chimiștilor din sec. XIX sau XX era departe de a fi vid perfect, în sensul că nici măcar toate moleculele de aer nu erau scoase din recipiente. Dar în spațiul din acele recipiente erau multe altele. Sigur, pe fizicieni / chimiști îi interesa să nu fie nimic care să interfereze cu experimentele lor.
Dar mai vorbim și de vidul cosmic, de vidul intergalactic. Vidul mai este definit şi ca „starea de energie minimă”. Spaţiul intergalactic este o bună aproximare a vidului, dat fiind că distanţele dintre corpurile cereşti sunt enorme în univers, iar în spaţiul dintre galaxii nu există multă materie. Dar există, totuși, ceva.
Chiar dacă scoatem toată materia, inclusiv materia întunecată și energia întunecată, tot mai rămânem cu ceva: particulele virtuale, despre care teoria câmpurilor cuantice spune că reprezintă vibrații ale câmpurilor cuantice (care sunt baza tuturor particulelor).
Pe lângă aceste câmpuri cuantice fluctuante există şi câmpuri nefluctuante, denumite „condensaţi", precum condensatul Sigma şi condensatul Higgs. E posibil să existe şi alte astfel de câmpuri nefluctuante.
Activitate gluonică (particule virtuale) în „vid”
Așadar, universul este un loc complicat și aglomerat... În ce privește atomul, este imposibil de spus de precizie cum arată interiorul acestuia, pentru că nu dispunem de cunoștințele și tehnologia necesare, dar este departe de a fi, în cea mai bună parte, nimic, spațiu gol; în fapt așa ceva nici nu poate fi conceput. Iar acum, după ce ai văzut complexitatea extraordinară a structurii fundamentale a universului, cred că o să-mi dai dreptate :)
→ Citiți și:
• De ce nu cad electronii în nucleul atomului?
• Originea celor mai răspândite 10 elemente chimice din univers
• O vizualizare a atomului mai aproape de realitate
