Правда ли, что внутренняя часть атома состоит в основном из вакуума или пустого пространства?

Я отвечу на вопрос, сравнив пустое пространство и вакуум со свойствами внутренностей атома. Я буду писать на уровне школьной физики, чтобы сделать мой ответ доступным. Мой вывод будет заключаться в том, что ответ «нет»: неверно, что внутренняя часть атома состоит в основном из вакуума или пустого пространства, и, кроме того, такая идея дает совершенно вводящую в заблуждение картину природы атомов. Суть в том, что электроны плавно распределены внутри каждого атома, и они несут достаточную массу и заряд, чтобы сравнение ситуации с пустым пространством ввело в заблуждение.

Сначала давайте посмотрим, что мы подразумеваем под пустым пространством. Мы имеем в виду, конечно, «ничего там нет». Чтобы немного конкретизировать это, рассмотрим случай обычного газа при стандартной температуре и давлении (СТД). Это явно не вакуум, так как давление довольно высокое. Мы можем говорить о «вакууме», когда давление ниже миллибара (100 Па); на СТП давление около бара ($10^5$Па). С другой стороны, правильно сказать, что такой газ представляет собой «в основном пустое пространство» в том смысле, что масса сосредоточена в молекулах, между молекулами почти нет массы, а объем, занимаемый молекулами, составляет небольшую долю ( около тысячной) от общего количества. С другой стороны, если вы поместите масс-детектор где-нибудь в газе, то он очень быстро зарегистрирует какую-то массу, потому что молекулы скоро попадут в нее. Таким образом, сказать, что газ — это «в основном пустое пространство», полезно для интуитивного понимания того, что молекулы могут свободно двигаться с большой длиной свободного пробега, но в некоторых отношениях это может ввести в заблуждение.

Плотность обычного газа на СТП около 1 кг/м$^3$.

Теперь давайте подумаем о внутренней части атома. Я имею в виду какой-нибудь обычный атом, такой как углерод, и обычные места внутри атома, то есть не в ядре и не далеко; например, можно выбрать место примерно в половине боровского радиуса от центра. Рассчитаем некоторые свойства.

Во-первых, массовая плотность. Это массовая плотность, обусловленная присутствующими электронами. Их масса распределена по всему атому посредством их расширенных волновых функций, и среднюю плотность массы можно оценить, отметив, что электрон примерно в 2000 раз легче протона, а в типичном атомном ядре столько же нейтронов, сколько и протонов, поэтому электроны вносят свой вклад. примерно одна часть на 4000 от общей массы. Плотность твердого элемента, такого как углерод, составляет около 2000 кг/м.$^3$поэтому мы можем оценить, что плотность электронов в типичном месте атома составляет около$0.5\, {\rm kg}/{\rm m}^3$. Оценка с использованием атомного радиуса углерода дает значение 8 кг/м.$^3$, предполагая, что наше предыдущее значение было занижено, потому что между атомами есть некоторое пространство. В любом случае основной вывод здесь состоит в том, что массовая плотность в типичном месте внутри атома аналогична средней массовой плотности газа при СТП.

Чтобы получить плотность заряда, мы умножаем массовую плотность на$q/m_e$, отношение заряда к массе электрона, что дает около$10^{12}$кулонов на кубический метр. Это огромная плотность заряда по бытовым меркам. (Для сравнения, типичный конденсатор емкостью 1 микрофарад, заряженный до 1 вольта, несет микрокулон объемом порядка$10^{-7}$м$^3$, что дает плотность заряда$10$См$^3$.)

Теперь давайте рассмотрим поток материи — скорость, с которой масса будет приближаться к детектору и сталкиваться с ним, если бы мы смогли разместить детектор массы внутри нашего атома. Электроны имеют скорости порядка в несколько раз$\alpha c$где$\alpha \simeq 1/137$постоянная тонкой структуры и$c$это скорость света. Таким образом, поток (масса, пересекающая единицу площади в единицу времени) составляет около$8 \times 3\times 10^8 / 137 \simeq 10^7$кг в секунду на квадратный метр. Излишне говорить, что это огромная величина в бытовом плане.

Теперь давайте выясним, существует ли «пустое пространство» в том смысле, что есть место для размещения вещей внутри атома. Исходное утверждение, возможно, исходит из желания сравнить атом с газом, используя некоторое представление о том, что электроны в некотором смысле точечны, с пространством между ними.

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужны более продвинутые физические идеи, связанные с принципом запрета Паули. Это важный результат квантовой физики, утверждающий, что такие частицы, как электроны, не могут полностью перекрывать друг друга. Чтобы быть точным, в любой заданной пространственной ситуации может быть не более двух электронов, имеющих эту конкретную комбинацию положения и импульса.

На практике это означает, что в любом атоме больше нет места для низкоэнергетических электронов. Если атом - гостиница, то все номера на нижних этажах заняты --- совсем забиты. Таким образом, пространство внутри атома совершенно недоступно для дальнейших электронов, если они не двигаются быстро. Это настолько далеко от «пустого пространства», насколько это вообще возможно. Это «полное и совершенно заполненное пространство», поскольку речь идет о низкоэнергетических электронах. Но это вовсе не исключает электронов, как я уже сказал. Если они движутся быстро, то есть место для дальнейшего проникновения электронов в атом. Они не останутся там — им придется образовать проходящий луч; они являются посетителями гостей, проживающих в отеле. Для дополнительного электрона, связанного с атомом (образуя отрицательно заряженный ион),

А как насчет других типов частиц, скажем, нейтронов? Им легче войти в атом. Но разве опыт нейтрона, находящегося внутри атома, похож на опыт нейтрона, находящегося в пустом пространстве? Едва ли. Они будут постоянно бомбардироваться тем высоким потоком электронов, который мы только что подсчитали, и они это заметят, потому что, хотя они не несут электрического заряда, нейтроны обладают значительным магнетизмом, и это приводит к электромагнитному взаимодействию между нейтроном и всеми соседними электронами.

Теперь подведем итоги.

Электроны в атомах ведут себя таким образом, который не может объяснить классическая физика; нам нужна квантовая физика. В результате, когда мы говорим об атомах повседневным языком, мы пытаемся передать повседневными терминами то, что, по словам квантовой физики, происходит. Среди вещей, которые квантовая физика говорит нам о внутренней части атома, есть то, что электроны плавно распределены, так что вероятность присутствия электрона в любой данный момент отлична от нуля во всей внутренней части атома. Мы можем немного конкретизировать это, рассчитав такие свойства, как массовая плотность, плотность заряда и поток. Массовая плотность электронного облака типичного атома аналогична средней массовой плотности обычного газа при стандартной температуре и давлении. Поток огромен и плотность заряда огромна. Также, Категорически невозможно ввести дополнительные медленно движущиеся электроны внутрь атома, но возможно прохождение быстро движущихся электронов. Нейтроны также могут проникать в атомы, и внутри они взаимодействуют с находящимися там электронами.

Ввиду вышеизложенного мне кажется, что было бы заблуждением утверждать, что внутренности атомов представляют собой что-то вроде вакуума или пустого пространства. Это действительно не так. Но похоже, что эта идея закрепилась в популярных представлениях о науке. Придется приложить некоторые усилия, чтобы его вытащить.

Теперь мне интересно, откуда вообще взялась эта идея. Я думаю, возможно, оно возникло в ранних попытках моделировать атомы с помощью классических точечных частиц, или, возможно, оно произошло от образа «мухи в соборе», который является правильным утверждением об относительных размерах атомного ядра и весь атом. «Муха в соборе», кажется, подразумевает, что остальная часть «собора» пуста, но это не так. Он полон электронов.

я бы принял твой приговор

Это важно для передачи правильной физической интуиции и, таким образом, поощрения правильного физического понимания.

в качестве основного ориентира в моем ответе, как вы увидите, мои выводы совсем другие.

Происхождение утверждения о почти пустой внутренней части атома восходит к тщательному анализу Резерфордом (1911 г.) [1] эксперимента Гейгера и Марсдена по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Резерфорд не записал такое выражение в явном виде, но ключевой момент его анализа состоял в том, чтобы показать, что модель атома, состоящая из пространственно концентрированной тяжелой частицы, заряд которой должен быть пропорционален атомному весу, способна гораздо лучше объяснить экспериментальные данные. чем диффузная плотность рассеивающей компоненты. Поэтому основной упор в работе Резерфорда делался скорее на «концентрированность» рассеивающей компоненты, чем на наличие «пустого пространства».

Однако такой последний вывод был вполне естественным, если рассматривать положительные ядра как основной источник рассеяния, если вторую атомную составляющую, электроны, считать точечными частицами. Неизбежный шаг более чем за 10 лет до рождения волновой механики.

Итак, с исторической точки зрения предложение соответствует вполне определенной и исторически оправданной точке зрения.

Теперь давайте рассмотрим ситуацию сегодняшними глазами. Какое может быть правильное утверждение? Внутри атом пуст? Он чем-то наполнен? Электроны? Поля?

Здесь, я боюсь, я должен не согласиться с вашей идеей, что

Суть в том, что электроны плавно распределены внутри каждого атома, и они несут достаточную массу и заряд, чтобы сравнение ситуации с пустым пространством ввело в заблуждение.

Я боюсь, что такое утверждение усилило бы распространенное заблуждение, пытающееся сохранить первоначальную идею «волн материи», предложенную де Бройлем и исключенную из возможных интерпретаций КМ со времени анализа процессов рассеяния, проведенного Борном и приведшего к современная вероятностная интерпретация КМ.

С педагогической точки зрения ключевым моментом является настаивание на том, чтобы все существующие эксперименты согласовывались с точечной структурой электрона. Измерение заряда или плотности массы могло бы ввести в заблуждение, поскольку оно передало бы идею о том, что можно обнаружить часть электрона.

Подводя итог, я бы не стал слишком настаивать на предложении о «пустом пространстве» в атоме, если бы оно не было связано с анализом Резерфорда. Но, конечно же, я бы не стал заменять его потенциально неправильными представлениями о протяженном электроне.

[1] Профессор Э. Резерфорд ФРС (1911) LXXIX. Рассеяние α- и β-частиц веществом и структура атома, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 21:125, 669-688, DOI: 10.1080/14786440508637080

Простой способ взглянуть на предложение «внутренняя часть атома в основном состоит из вакуума» — подумать о массовом распределении. В некотором смысле предложение верно: большая часть массы сосредоточена в очень маленьком объеме (ядре). По сравнению с ядром, остальное пространство занято электронными орбиталями, у которых плотность вещества (или, лучше сказать, плотность энергии) на много порядков ниже (так что с этой точки зрения почти «вакуум»).

Это просто нетехнический способ передать идею о том, что структура атома «похожа» на «плотную» планету, которая очень мала, но окружена разреженной атмосферой, которая почти ничего не дает в общей массе. Возможно, для кого-то неэффективная аналогия, но полезная для того, чтобы дать широкой публике представление о том, что вам не нужно быть массивным, чтобы занимать место.

Я не уверен, почему люди пишут такие чрезмерные комментарии к этому... Атом окружен электронным облаком. Но плотность массы электронного облака сравнительно мала по сравнению с плотностью ядра. Большая часть массы, с которой вы взаимодействуете, находится в ядре. На этой картинке электронное облако просто считается «вакуумом». Но электронное облако передает силы, необходимые для взаимодействия с другими объектами.