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!
