چرا بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می دهد؟

[آیدا.ف]

میزی را تصور کنید که میلیاردها بار بزرگتر از اندازۀ معمولی خود است؛ در این حالت اتمهای این میز به اندازه هندوانه خواهند بود. اما با این وجود، هسته واقع در مرکز و الکترون های در حال گردش به دور آن، هنوز قابل مشاهده نخواهند بود. پس چرا هنوز انگشتان ما و حتی نوری از میان فواصل موجود در این اتم ها عبور نمی کند؟

برای فهمیدن آن،ما باید به الکترون ها توجه کنیم. متاسفانه بیشتر آنچه که ما در مدارس آموخته ایم بسیار برای ما ساده سازی شده اند. بر خلاف آنچه که ممکن است در مدارس به شما آموخته باشند، در واقع حرکت الکترون ها به دور هسته اتم، به شکل حرکت زمین به دور خورشید نیست. به جای آن، الکترون ها را مانند دسته ای از زنبورها یا پرندگان تصور کنید که حرکت جداگانه این موجودات قابل مشاهده نمیباشد اما با این وجود شما حرکت کلی آنها را در دسته، مشاهده می کنید.

الکترونها می رقصند!

در حقیقت، الکترون ها می رقصند. کلمۀ بهتری برای توصیف آن وجود ندارد. اما الگوی این رقـ*ـص تصادفی نیست. بلکه چیزی شبیه به سالن رقـ*ـص که در آن الگوی مشخصی برای حرکت زوجین وجود دارد و این الگو با معادله ای به نام معادله شرودینگر مشخص شده است. این الگوها انواع مختلفی دارند. برخی از آنها کند و ملایم مانند حرکات رقـ*ـص والتز و برخی از آنها سریع و پرانرژی مانند حرکات رقـ*ـص چارلستون می باشند.

هر الکترون الگوی خاص به خود را دنبال می کند اما گاهی اوقات این الگو تغییر پیدا می کند و این تغییر زمانی اتفاق می افتد که الکترونی دیگر در حال استفاده از الگوی حرکتی جدید مورد نظر نباشد. هیچ دو الکترونی در یک اتم از الگوی حرکتی یکسانی تابعیت نمی کنند. این قانون با نام اصل طرد پاولی شناخته می شود. با اینکه الکترون ها هیچ وقت خسته نمی شوند، تغییر الگوی حرکت به یکی از انواع سریع تر آن، مصرف انرژی را به دنبال دارد و زمانی که الکترونی الگوی حرکتی کندتری را انتخاب می کند، انرژی از دست می دهد.

پس زمانی که انرژی بصورت تابش نور بر یک الکترون می تابد، الکترون انرژی جذب کرده و الگوی حرکتی سریع تری را انتخاب می کند.از آنجایی که الکترون ها مشتاق جذب انرژی و تغییر الگوی حرکتی خود می باشند، باریکۀ نور قادر به عبور از میان اتم های اشیاء(میز) نمیباشد. بعد از مدت زمان بسیار کوتاهی، الکترون ها این انرژی جذب شده را، احتمالا به شکل نور، از دست می دهند. تغییرات در الگوی حرکتی الکترونها و از دست دادن دوباره انرژی بصورت نور باعث بازتاب نور و رنگ ها شده و ما میز را بصورت جامد مشاهده می کنیم.

مقاومت در زمان لمس

پس چرا وقتی ما میز را لمس می کنیم، محکم به نظر می رسد؟ احتمالا پاسخ بسیاری از پایگاه های اینترنتی این است که دلیل این اتفاق، دافعه می باشد و دو ذره با بار منفی، یکدیگر را دفع می کنند. اما این پاسخ نادرست می باشد و نشان می دهد نباید به دنیای اینترنت اعتماد کرد. دلیل سختی میز، رقـ*ـص الکترون ها می باشد. اگر شما میز را لمس کنید، الکترون های موجود در اتم های دستانتان به الکترون های میز نزدیک می شوند. با نزدیک شدن الکترون های یک اتم به هسته اتمی دیگر، الگوی رقـ*ـص آن دچار تغییر می شود.

دلیل این اتفاق این است که الکترونی در سطح انرژی پایین اتمی، قادر به انجام الگوی حرکتی قبلی در نزدیکی اتم جدید نیست. زیرا آن فضا توسط الکترونی از هسته مقابل گرفته شده است. الکترون تازه وارد باید در نقشی جدید و پرانرژی ظاهر شود. این انرژی توسط نور تامین نمی شود بلکه توسط نیروی وارده توسط انگشتان شما در زمان لمس میز تامین می شود.

بنابراین در نزدیک کردن دو اتم به یکدیگر انرژی مصرف می شود زیرا که تمام الکترون های دو اتم ناچار به تغییر الگوی حرکتی خود به سطحی بالاتر و پرانرژی تر می باشند. نزدیک کردن تمام اتم های انگشت و میز به یکدیگر مقادیر بسیار بالایی از انرژی را می طلبد که این مقدار بیش از توان ماهیچه ای شما می باشد. به این دلیل شما میز را در زمان لمس آن محکم حس می کنید.