“¡Si se eliminara todo el espacio vacío en un átomo, el edificio Empire State se reduciría al tamaño de un grano!”: ¿Qué es exactamente este ‘espacio vacío’ en un átomo?

Es una mierda completa y absoluta , a menos que abandonemos por completo el significado universalmente aceptado de las palabras. El vacío, la plenitud y los estados intermedios tienen definiciones cotidianas simples que se aplican perfectamente aquí y se corresponden bien con nuestro conocimiento de la física. La solidez que experimentamos tiene una explicación física en la existencia de fuerzas nucleares repulsivas.

No hay ningún descubrimiento posible en la física de partículas o la mecánica cuántica que cambie el hecho de que una pieza de acero u hormigón no esté vacía al 100% (bueno, tal vez haya algunas burbujas o bolsas, pero no cambia mucho), porque definimos el vacío en el contexto de piezas de acero u hormigón como la habilidad de poner otras cosas comunes del mundo real como otra pieza de acero u hormigón en un volumen dado de espacio en condiciones normales del mundo real. En el contexto de hablar solo sobre átomos, o bajo condiciones extremas, decir que los átomos tienen un espacio vacío dentro de ellos está bien, pero es completamente incorrecto aplicar ese vacío a otro contexto de escala enormemente mayor en el caso del Empire State Building.

Lo peor de esta aplicación horrible de la ciencia popular es la palabra “principalmente”. Nos dicen que los átomos son en su mayoría espacio vacío, entonces, ¿cuál es la partícula sólida, la bola de billar, que existe dentro del átomo? ¿El neutrón, el electrón o el protón no están definidos por las fuerzas sub-subatómicas y las partículas que también las hacen en su mayoría vacías? A menos que haya un elemento sólido impenetrable básico de tamaño finito, deberíamos decir que los átomos y todo lo demás que los átomos están completamente vacíos, pero eso es tan obviamente obvio que nadie estaría dispuesto a sonar como un idiota para decirlo.

El espacio vacío es literalmente eso. Vacío.

A diferencia del espacio vacío entre los sistemas solares y las galaxias en el espacio exterior, que de todos modos no están completamente vacíos, este espacio interior, en un átomo, no puede llenarse con nada, las cosas más pequeñas posibles ya están dentro y alrededor. Por lo tanto, no es un vacío en ese sentido.

Los electrones rodean ese espacio en una especie de neblina y el núcleo también es una neblina de energía, con tanto espacio (proporcionalmente) en un neutrón y un protón como en el átomo mismo. Pero hay lugares que la bruma no toca, un electrón no se desliza de un lugar a otro, su movimiento es instantáneo. Si se deslizara, esto permitiría que hubiera energías intermedias, y dado que un electrón ya es energía en la cantidad divisible máxima, 1 quanta, no se puede permitir.

Entonces es muy precisamente el espacio vacío. Y mucho de ello.

Es una mierda política que Rutherford solía anunciar su átomo del sistema solar, que se hizo cargo, porque el átomo del sistema solar es la mejor analogía clásica. Entonces Rutherford imaginó que el átomo era como un sistema solar, y el núcleo es el espacio no vacío, y el electrón está orbitando clásicamente.

Esta era la forma en que Rutherford decía “el núcleo tiene la mayor parte de la masa y el núcleo es pequeño”, y esto es cierto. Comprimir el edificio del estado del imperio para que los núcleos que lo tocan lo hagan del tamaño de un grano. Pero es la función de onda del electrón lo que te dice el tamaño de la “materia” y dónde el espacio no está vacío, y la región con una cantidad apreciable de función de onda de electrones es, por definición, el “no vacío del espacio”.

Si pregunta cuál es el más pequeño, puede comprimir el edificio Empire State y hacer que tenga la misma masa, ese es el radio de Schwarzschild. El tamaño de las partículas elementales, los quarks y los gluones, si el concepto tiene sentido como una declaración experimental, es de aproximadamente 10 a 100 veces la longitud de Planck, suponiendo una teoría de cuerdas similar a la heterótica, que es increíblemente pequeña. Para el edificio Empire State, el radio de Schwarzschild es aproximadamente 10000 veces más pequeño que un solo protón.

La gente dice, bueno, las capas de electrones son grandes y los electrones se consideran partículas puntuales, entonces la capa de electrones debe estar en gran parte “vacía”. Eso, sin embargo, es demasiado de una imagen clásica. En la imagen cuántica real, los electrones (o más probablemente, pares de electrones con espines opuestos) ocupan todo el orbital o suborbital.

La probabilidad de encontrar un electrón puntual en cualquier lugar dentro del orbital es bastante pequeña, pero la probabilidad de encontrarlo en algún lugar del orbital es grande, y no se puede predecir dónde.

Si desea una imagen semiclásica, considere un par de depredadores acoplados. Tienen un territorio Aunque físicamente son mucho más pequeños que su territorio, ocupan todo el territorio, y si algún depredador competidor se adentra en él, habrá problemas.

Los átomos consisten en un núcleo rodeado por una nube de electrones. Los electrones orbitan el núcleo dentro de la nube de electrones, pero la mayoría de la nube es un espacio vacío.

Una analogía sería que si un estadio de fútbol fuera un átomo, el núcleo sería un guisante en el medio del campo y los electrones serían polvo flotando.

No, es un espacio vacío.
El espacio dentro de un átomo es el mismo que el espacio entre estrellas y galaxias.