вівторок, 28 березня 2017 р.

Чому окремі речі тверді на дотик?



Хімік Дальтон Джон запропонував теорію, згідно якої всі матеріальні об'єкти складаються частинок – атомів, – і ця теорія донині прийнята науковим співтовариством, хоч з того часу минуло понад двісті років. Кожен з атомів, як відомо із шкільного курсу фізики, складається з малесенького ядра і ще менших електронів, які рухаються на відносно великій відстані навколо нього. Якщо уявити, наприклад, більярдну кульку, збільшивши її в мільярд раз, та атоми будуть виглядати розміром з кавун. А навіть тоді ядро в центрі буде все ще занадто маленьким, щоб його можна було розгледіти, не кажучи вже про електрони. 
Чому ж тоді наші пальці не проходять крізь атоми? 
Чому світло не проникає через ці щілини?
Щоб зрозуміти це, розглянемо що ж воно таке електрон. На жаль, в школі нам дали про них спрощене поняття – електрони насправді не обертається навколо центру атома, як планети навколо сонця. Хоча говорили нам саме так. Замість цього електрони можна уявити у вигляді рою бджіл чи зграї птахів, окремі руху яких занадто швидкі, щоб їх можна було вловити, але ви все ще бачите загальну форму цього рою.
«Танець» електронів
Насправді, електрони танцюють – і краще проілюструвати їх рух, щоб описати його складно. Але це не випадковий танець – швидше це нагадує бальний танець, в якому електрони рухаються за певними схемами, крокуючи за встановленим математичним рівнянням імені Ервіна Шредінгера траєкторіями.
 Ці схематичні моделі можуть відрізнятися – окремі з них повільні і ніжні, як вальс, інші швидкі та енергійні, як твіст. Кожен електрон дотримується однієї і тієї ж схеми, хоч іноді може переключитися на іншу, якщо жоден інший електрон ще цю схему НЕ виконує. Ніколи два електрони в атомі не можуть рухатися однаково: це правило називається принципом заборони, принципом Паулі.
Хоча електрони ніколи не втомлюються, перехід на пришвидшений крок вимагає додаткової енергії. А коли електрон переходить на повільніший темп, він втрачає енергію. Отже коли енергія у вигляді, наприклад, світла падає на електрон, він здатен поглинути деяку її частку і перейти до пришвидшеного «танцю». Промінь світла не проходить через вашу кульку, тому що електрони усіх її атомів намагаються забрати у нього частку енергії.
Через деякий час вони втрачають отриману енергію, іноді у вигляді того ж світлового випромінювання, чи, наприклад, тепла тощо. Зміни в характері поглинання і відбиття світла дає нам зображення і колір – тому ми бачимо кульку у вигляді твердого об'єкта.
Опір при дотику
Чому ж кулька тверда на дотик? 
Можливо, ви чули, що це відбувається через сили притягання-відштовхування: нас вчили, що   що два негативно заряджений об'єкт повинен взаємно відштовхувати один одного. Але це не так. Твердою наша кулька є завдяки танцюючим електронам.
Якщо торкнутися до кульки, електрони атомів в ваших пальцях наблизяться до електронів в атомах кульки  А коли електрони одного атома наближаються до ядра іншого, схема їх танців змінюється. Електрон в низькоенергетичному стані біля одного ядра не може робити те ж саме біля іншої –  це місце вже зайнято. Новоприбулому доводиться переходити в незайнятий стан, а надлишкову енергію потрібно кудись подіти, і на цей раз  вона відображається не як світлова, а у вигляді сили від дотику вашої руки.
Тому процес зближення атомів вимагає енергії, оскільки всі їх електрони повинні перейти в інший, незайнятий на момент дотику, високоенергетичний стан. Спроба поєднати всі атоми кульки і руки разом вимагає колосальну кількість енергії – значно більше, ніж можуть забезпечити ваші м'язи. Ви відчуваєте опір руці, а кулька відчуває твердість вашого тіла при дотику.
         Фізика –це просто, якщо її знати! 

Немає коментарів:

Дописати коментар