Якщо атоми здебільшого пусті, чому речі тверді на дотик і на вигляд?

Хімік Джон Дальтон запропонував теорію, що вся матерія і об'єкти складаються частинок — атомів, — і ця теорія досі прийнята науковим співтовариством, через двісті років. Кожен з цих атомів складається з неймовірно маленького ядра і ще менших електронів, які рухаються на відносно великій відстані від центру. Якщо уявити стіл, який в мільярд разів більше, його атоми будуть розміром з кавуни. Але навіть тоді ядро в центрі буде все ще занадто маленьким, щоб його можна було розгледіти, не кажучи вже про електронах. Чому ж тоді наші пальці не проходять крізь атоми? Чому світло не проникає через ці щілини?

Щоб зрозуміти це, нам потрібно розглянути електрони. На жаль, в школі нас вчили спрощеним поняттям — електрони насправді не обертаються навколо центра атома, як планети навколо сонця. Хоча нам казали саме так. Замість цього електрони можна представити у вигляді рою бджіл чи зграї птахів, окремі рухи яких надто швидкі, щоб їх можна було вловити, але ви все ще бачите загальну форму цього роя.

«Танець» електронів

На ділі, електрони танцюють — і ні слова краще, щоб описати цей процес. Але це не випадковий танець — швидше, бальний танець, в якому електрони рухаються за певними схемами, слідуючи кроків, установленим математичним рівнянням імені Ервіна Шредінгера.

Ці схеми, моделі можуть відрізнятися — деякі повільні і ніжні, як вальс, інші швидкі та енергійні, як бугі. Кожен електрон дотримується однієї і тієї ж схеми, але іноді може переключитися на іншу, якщо ніякий інший електрон ще цю схему не виконує. Ніякі два електрони в атомі не можуть рухатися однаково: це правило називається принципом заборони, принципом Паулі.

Хоча електрони ніколи не втомлюються, перехід на більш швидкий крок вимагає енергії. І коли електрон переходить на повільну схему, він втрачає енергію. Тому коли енергія у вигляді світла падає на електрон, він може поглинути деяку енергію і перейти до більш швидкого, високому «танцю». Промінь світла проходить через ваш стіл, тому що електрони у всіх атомах намагаються захопити трохи енергії світла.

Через деякий час вони втрачають отриману енергію, іноді у вигляді того ж світу. Зміни в характері поглинання і відбиття світла дає нам відображення і кольору — тому ми бачимо стіл у вигляді твердого об'єкта.

Опір при дотику

Чому ж стіл твердий і на дотик? Можливо, ви чули, що це відбувається через відштовхування — що два негативно заряджених об'єкта повинні відштовхувати один одного. Але це не так. Твердий він теж з-за танцюючих електронів.

Якщо доторкнутися до столу, електрони з атомів у ваших пальцях опиняться близько до електронів в атомах столу. І коли електрони в одному атомі наближаються до ядра в іншому, схема їх танців змінюється. Тому що електрон в низкоэнергетическом стані біля одного ядра не може робити те ж саме біля іншого — це місце вже зайняте. Новоприбулого доводиться переходити в зайняте положення. І надлишкову енергію треба кудись подіти, не у формі світла в цей раз, а в формі сили від вашого чіпати пальця.

Тому процес близького підведення атомів вимагає енергії, оскільки всі їх електрони повинні перейти в інші, незайняті, високоенергетичні стану. Спроба поєднати всі атоми столу і пальця разом зажадає колосальну кількість енергії — більше, ніж можуть забезпечити ваші м'язи. Ви відчуваєте опір пальця, а стіл відчуває твердість вашого тіла при дотику.