原子能彼此接触吗？

撰稿人 Chad Orzel

Apr 27, 2020,11:17am EDT

Science

    我写关于物理、科学、学术和流行文化。

    回到几周前我贴了一个对来自推特追随者的孩子的回答，他问"太空有多强呢？这很有趣，因此这里是另一个回答的孩子的问题，这个来自我自己八岁的孩子，他为"纸牌"上互联网。那天晚上，他问："为什么原子不能彼此接触呢？

    我不确定为什么他问这个的确切原因，但措辞暗示这被关联到似乎在宏观尺度上触及的事物之间几乎总是有一些微小的空的空间的观察有关，可能的它甚至被联系到爱善最近谈到的"原子大多是空的空间"的想法。

原子轨道抽象。 GETTY

    答案的短而简单的版本是来认为将原子视为固体物体如小球能被迫进入与彼此物理接触真的是不正确的。一个原子的大多数"大小"只是围绕原子核的电子云，这不是一个固体的东西------它将对应来自外部施加的电场和磁场四处移动。在日常意义上这些不能被"触摸"的因为它们在我们认为日常物体是固体的方式上不是固体的

    当然，当你开始更挖掘这一点时它变得比它最初看起来的更棘手，因为当然一个日常固体物体是由原子组成的。因此当固体物体不是在一种我们日常意义叫的"接触""接触"时对那些原子正在发生什么呢？

    我们的两个物体"接触"的想法基本上是一个物体的外边界是在另一个物体的外边界的同一位置，因此你能无需经过任何中间空间在它们之间通过。在我们体验宏观世界的尺度上，这是一个可究因的近似：两个正在接触的物体之间没有直觉的间隙。这个的微观模拟会是有一个你能从在一个原子中心的核移动到另一个在原子中心的核不用通过任何不属于两者之一的电子云的空间。

    这往往不发生的，因为原子是由在一个距离相互作用的带电粒子组成的。当你试图把两个物体带近在一起时，一个物体中的原子开始来"看"在另一个物体中的原子不为一个完美的中性单一物体的，而是为一个带正电核和负电子的合成。因为电子环绕在原子外面，这些是首先相互作用的东西，因为它们有相同的电荷，它们彼此排斥。

扫描隧道显微镜 （STM），计算机艺术品。扫描隧道显微镜使用一个带电的细针...... GETTY

    如果你想以极端的细节观察会发生什么，这变得非常复杂，因为在单个原子中的电子云能以复杂的方式重新排列它们自己。然而，最终结果是随着在接触点原子之间的分离减小，每对原子的能量增加，直到它匹配凡是推动它们在一起的能量为止。这通常以一种防止两个扭曲的电子云重叠的方式发生，因此技术上讲，在相邻物体中的原子之间有一些微小的空间。它们被电磁相互作用保持分开，因此来想象这个缝隙为被无数携带力在两者之间来回移动的光子交错不会是太可怕的。

    （应该指出的是即使原子之间技术上存在空的间，你仍然能做我们与"触摸"一个相关的所有事情。扫描隧道显微镜 （STM）能被用来移动原子来回并安排它们成微小的模式，即使技术上总是有一点尖尖和问题的原子之间的空间。

    因此，在大多数情况下，原子在技术上并没有正在接触"，因为它们之间有一些它们不是被两者的电子云所占据的空间。不过，如果这只是一个能量问题，来问一个禁止是多么强并不是没有道理的。它真的被禁止还是在合适的情况下一个原子的电子云和另一个原子的电子云来接触呢？

    这里的回答是"有点的"。事实上，随你从一个原子的原子核移动到一个相邻原子的原子核时有一个其中你不能跨越任何不属于一个电子云的空间的情况。它一直在发生------只是不清楚来叫它"触摸"是有意义的。

举着分子模型的手。 GETTY

    我正在谈论的情况是一个原子间键的形成，其中在大多数情况下涉及具有在同一分子或晶体中原子之间"共享的"电子。从某种意义上说，这些电子不是正在围绕一个原子或另一个原子运行，而是同时围绕两者的。原子之间没有空的空间，但那是因为它们已经中止是完全独立的物体，而相反是一个大分子的成分。你能在分子内谈论这个或那个原子，因为有特定的空间区域其中相互作用被一个特定的原子核主导，而十分明智它不再像来谈论它们为有它们自己的电子云的离散物体的。

    因此，基本上就像与所有的孩子问题一样，对"原子能彼此接触吗？"的回答原来是比你想的更复杂的。最后，我可能会说"是的，但当它们做的时候，它们就不再是独立的原子"。

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    我（Chad Orzel）是联合学院物理和天文学系的副教授，我为非科学家写关于科学的书。我有物理学学士学位，…

https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2020/04/27/can-atoms-touch-each-other/#194873b8407b