Почему у атома на самом деле нет ни поверхности, ни формы?

Когда мы пытаемся представить себе атом, многие из нас начинают с довольно упрощённой модели — атом как нечто материальное, шарик, который можно «пощупать» или хотя бы визуализировать. Однако, если углубиться в научные теории, выясняется, что атом не имеет четкой формы или поверхности, как мы привыкли себе это представлять. Давайте разберемся, почему это так.

Атом и современная физика

В рамках школьной программы по физике атом нередко изображают в виде упрощённой сферы, где электроны движутся по орбитам вокруг ядра, подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Эта так называемая планетарная модель атома, впервые выдвинутая Эрнестом Резерфордом, привлекает своей доступностью и наглядностью. Тем не менее, важно понимать, что данное представление является лишь упрощением и не раскрывает всей многогранности и запутанности структуры настоящего атома.

Если обратиться к современной физике, выяснится, что атом на 99% состоит из пустоты. Это может звучать странно, ведь мы воспринимаем атомы как составные части материи, но пустота внутри атома не делает его менее реальным. Вопрос в том, как атом может быть «материальным» в привычном для нас смысле, если внутри него почти нет вещества. Это пересекается с одним из самых частых вопросов — а как же материя вообще может быть плотной на ощупь, если она почти пустая?

Взаимодействие вместо пустоты

Фундаментальным аспектом строения атома является его состав из субатомных элементов: протонов, нейтронов и электронов. Именно взаимодействие этих частиц обеспечивает целостность атомной структуры. Протоны и нейтроны, собранные в ядре, становятся центральным звеном, тогда как электроны, подчиняясь принципам вероятности, занимают определенные энергетические уровни, образуя своего рода «орбитальные облака». Эти мельчайшие частицы, подчиняясь законам притяжения и отталкивания, формируют сложную систему, напоминающую запутанную сеть, где точки пересечения линий — это места локализации субатомных частиц. При этом, пространство внутри атома почти пусто, как бы намекая на отсутствие привычного для нас вещества. Однако взаимодействие частиц формирует плотную, но упругую структуру, аналогичную конструкции старого пружинного матраса, знакомого из прошлого.

Можете ли вы сказать, что каркас от матраса не является материей? Конечно нет! Это некоторая плотная сетка. Её невозможно «протолкнуть», например, через сплошную стену. Аналогичным образом работает и конструкция, выстроенная взаимным притяжением и отталкиванием между субатомными частицами.

В действительности, привычное нам представление о чёткой форме или внешней границе атома не имеет под собой оснований. Субатомные частицы находятся в непрерывном, хаотичном движении, и точное определение их местоположения в каждый момент времени попросту невозможно. Это фундаментальное ограничение исключает саму возможность существования фиксированной «поверхности» атома в нашем обыденном понимании.

Квантовая модель атома Шрёдингера

Чтобы глубже разобраться в устройстве атома, обратимся к модели Шрёдингера, разработанной на основе принципов квантовой механики. В этой модели электроны не следуют по строгим траекториям вокруг ядра, напоминая планетарное движение. Вместо этого, электроны предстают в виде вероятностных облаков, где мы можем лишь оценить вероятность обнаружения электрона в конкретной области пространства. Таким образом, точное определение местоположения электрона в любой момент времени, без проведения измерения, становится принципиально невозможным.

Центральным положением квантовой физики выступает принцип неопределённости Гейзенберга, утверждающий о невозможности одновременного точного измерения как местоположения, так и скорости субатомной частицы. Данное ограничение вносит значительные трудности в формирование наглядного представления об атоме. Более того, электроны в атоме могут демонстрировать состояние квантовой суперпозиции, то есть, способность существовать одновременно в нескольких различных состояниях до момента проведения измерения. Этот феномен ещё больше усложняет любые попытки визуализации атома.

Электронная оболочка и «поверхность» атома

Поверхностью атома можно было бы условно называть ту воображаемую линию, которая образуется при попытке обвести все электроны. Эта граница должна сделать атом некоторым «реальным объектом». Но если обратить внимание на квантовые явления, то становится очевидным, что поверхность атома просто невозможно обвести два раза одинаково.

Мы имеем вероятность нахождения электрона в определённой области вокруг атомного ядра. Вокруг атома существует некая «оболочка» из этой зоны. Но она не имеет фиксированной формы, и её нельзя описать простыми геометрическими фигурами.

Электронная микроскопия и противоречия

Интересно, что несмотря на невозможность точно визуализировать атом, учёные смогли разработать методы, такие как электронная микроскопия, которые позволяют увидеть структуру вещества на атомном уровне. Если вы рассмотрите материал в электронный микроскоп с достаточной разрешающей способностью, то на месте атомов вы будете наблюдать маленькие аккуратные сферические тела. Значит ли это, что атом имеет форму сферы? Вовсе нет.

Такие изображения получаются не за счёт прямого наблюдения атомов, а благодаря «косвенным измерениям», основанным на взаимодействии электронов с атомами. Мы видим не реальное изображение атома, полученное при непосредственном фотографировании, а компьютерную модель, которая ориентируется на способность пучка электронов взаимодействовать с атомами. Опять-таки, наиболее вероятно, что при таком раскладе атом будет выглядеть именно как сфера. Тут сложно привести простой пример, но как, на ваш взгляд, будет выглядеть ёжик, если трогать его в плотной перчатке? Наверное как нечто каплевидное. Но будет ли у ежа форма капли?

Конечно нет. У него есть колючки и сам ёжик будет то клубочком, то каплей, то ежом с ногами и колючками. Примерно также электроны нащупывают какое-то из состояний атома, не имея при этом возможности заглянуть на уровень ниже и довольствуясь только лишь результатом поверхностного взаимодействия. Поэтому, электронный микроскоп не видит поверхность атома.

Изображения, полученные с помощью электронных микроскопов, могут напоминать нам шарики, но это лишь абстракция, созданная на основе сложных взаимодействий.

Вместо заключения

Всё, что мы можем сказать про форму и поверхность атома — это что мы наблюдаем вероятностные облака, в которых находятся электроны, взаимодействующие с окружающим миром. Эта концепция затрудняет визуализацию атома в привычных терминах, и учёные вынуждены работать с абстракциями, моделями и косвенными данными.

Если вы хотите представить себе нечто, похожее на поверхность атома, можно представить себе муравьёв, которые двигаются в беспорядке, случайным образом меняя своё положение. Эти муравьи, как и электроны, будут демонстрировать хаотичное поведение, характерное для квантовых частиц. Если попробовать обвести такой муравейник линией и так описать поверхность этого скопления насекомых, то каждый раз будет получаться нечто странное. Более того, если исходить из модели Шрёдингера, то есть ненулевая вероятность, что электроны, «принадлежащие» конкретному атому, будут находиться на огромном расстоянии от его ядра. Тогда обводка такой системы будет выглядеть как огромная неравномерная клякса.

Атомы существуют, и мы можем их наблюдать, но их природа далека от того, что мы привыкли воспринимать как «материю». Всегда стоит помнить, что мир субатомных частиц принципиально отличается от того мира, который мы воспринимаем глазами.