Tengo problemas para entender los sólidos < inserte un juego de palabras basado en la física aquí >. Entiendo vagamente que la fuerza electrostática evita que mi mano atraviese mi escritorio (para ser honesto, tampoco entiendo completamente esto, ¿mi mano tiene una carga neta o algo así?), pero ¿por qué esa misma fuerza no evita que mi mano pase? pegado a sí mismo? ¿Por qué mi escritorio tiene forma de escritorio y no de una nube desordenada de moléculas de escritorio? Básicamente, ¿qué fuerza mantiene unidas las cosas? ¿Por qué esa fuerza no hace que mi mano se fusione con el escritorio? Si alguien pudiera explicarlo en términos simples y en términos complejos con matemáticas y demás, sería realmente útil. Nombrar qué fuerza es esta (o qué subpropiedad de otra fuerza) también ayudaría.
Lo que estás preguntando es el rango de una fuerza, y en realidad es un concepto muy interesante.
La física ha dividido con cierta confianza al mundo en aproximadamente cuatro fenómenos fundamentales. Está más familiarizado con ellos como: los núcleos atómicos normalmente se mantienen unidos, los núcleos a veces se desmoronan (radiactividad), las cargas eléctricas similares se repelen y las cargas diferentes se atraen (electromagnetismo) y las cosas caen (gravedad). Las leyes de fuerza que gobiernan estos fenómenos tienen diferentes escalas con la distancia: la primera fuerza es técnicamente aproximadamente constante a lo largo de cualquier distancia, la segunda decae exponencialmente con la distancia y las dos últimas siguen las leyes del cuadrado inverso.
Pero esas reglas básicas son solo una parte de la historia. El único que da una buena imagen general es la gravedad , y eso se debe a que no hay masas negativas que interactúen con las masas positivas y alteren nuestra descripción. Es un poco divertido, la gravedad es una especie de hermana pequeña asmática de estos cuatro fenómenos fundamentales, está muchas, muchas veces por encima del más débil: pero en escalas de larga distancia con sistemas grandes y complicados, siempre gana . Sus planes y maquinaciones se extienden a través de la escala cosmológica, mucho más allá de lo que pueden hacer sus otros hermanos.
Con los otros dos "fuertes", la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos los núcleos y el electromagnetismo, es posible tener "equilibrio de carga" de diferentes tipos. El electromagnetismo, por supuesto, tiene cargas positivas y negativas; pero déjame hablarte primero sobre esta fuerza fuerte de rango infinito, que tiene lo que llamamos "carga de color": hay tres cargas (convencionalmente llamadas "roja", "verde" y "azul", pero los nombres son solo nombres y no corresponden a ningún tipo de color real en ningún sentido real) y sus anti-cargas ("antired", "antigreen", "antiblue"). Un quark dado tiene una de estas 6 cargas, y la partícula de fuerza ("gluón") que las une tiene dos de esos colores. Entonces, un quark rojo podría "convertirse en" un quark verde por "
¿Por qué no sientes esta fuerza súper fuerte? De hecho, esta fuerza es tan fuerte que interactúa con el vacío cuántico, creando una masa hirviente de partículas durante pequeñas fracciones de segundos y luego desapareciendo inmediatamente. Si separa demasiado estos dos quarks, hay más energía potencial en su separación de la que se necesita para crear nuevos quarks: por lo que algún par de quarks-antiquarks que el vacío cuántico crea durante una pequeña fracción de tiempo, se verá desgarrado. a la existencia real por esta abrumadora energía.
De hecho, las únicas partículas que finalmente se ven a escalas del tamaño de un núcleo atómico o más grandes tienen "equilibrio de color": ya sea tres quarks, uno de cada color ("bariones"), o dos quarks: uno de un color y uno de sus anti-color ("mesones"). Pero estos mesones luego crean un nuevo tipo de fuerza entre dos bariones: sigue siendo la misma "fuerza nuclear fuerte", pero ahora vive entre dos partículas de carga de color neutral y disminuye exponencialmente con la distancia. Y así es como se mantienen unidos los núcleos.
Entonces, la fuerza electromagnética tiene una forma similar de desmoronarse, pero es mucho más fácil de entender porque solo hay una dimensión de carga, positiva versus negativa: eso es todo.
Un protón aislado y un electrón aislado sentirán una fuerza de atracción muy fuerte; dos protones aislados sentirán una fuerza de repulsión muy fuerte. Pero si dejas que el protón y el electrón se sienten juntos en una caja, es probable que ese electrón entre en un "orbital" alrededor del protón, donde debido a las leyes de la mecánica cuántica no se puede decir claramente que el electrón está en un lugar o otra, pero es una especie de partícula en una "nube" de posiciones alrededor del núcleo. Ahora ese protón se ha convertido en un "átomo de hidrógeno".
¿Qué ha pasado con el alcance de su fuerza? ¡Ha bajado significativamente! En escalas de larga distancia, un protón será empujado por el protón en el átomo de hidrógeno, exactamente tanto como es atraído por la nube de electrones del átomo de hidrógeno. Solo cuando te acercas mucho notas la diferencia en el efectos de la nube versus la partícula en el medio. Este tipo de cambio en la carga eléctrica efectiva debido al cambio de configuraciones se denomina "pantalla" de la carga, hace que su fuerza parezca más débil, como si se viera a través de una pantalla.
Cuando muchos átomos se juntan, mucho depende de cómo se reorganizan los electrones alrededor de los núcleos. Los núcleos tienen casi toda la masa, por lo que no se mueven tan fácilmente como lo hacen los electrones. La mayoría de los electrones siguen orbitando sus respectivos núcleos en sus diversos orbitales. Por lo general, los electrones más alejados se reconfiguran de alguna manera.
Una posibilidad desagradable es que un átomo simplemente robe el electrón de otro: esto sucede, por ejemplo, con los átomos de cloro y los átomos de sodio en la sal de mesa. Posteriormente, los dos forman iones que se atraen juntos como partículas nuevamente. Más común es si un electrón asume un "orbital compartido" que une los dos átomos, manteniéndolos juntos: esto se llama un "enlace covalente" y los átomos en el interior forman una "molécula". Dentro de un metal, los núcleos se organizan juntos en lo que es localmente una red de núcleos muy periódica , y algunos electrones comienzan a deslocalizarse , se comparten entre muchos átomos en lugar de simplemente mantener pares de ellos juntos: esto se denomina "enlace metálico".
Y a veces las cosas simplemente no se unen, se adhieren entre sí a través de fuerzas interatómicas débiles (fuerzas de "van der Waals" y "enlaces de hidrógeno"), pero en realidad es solo esta carga eléctrica apantallada lo que los mantiene unidos.
De todos modos, el punto es que esto hace que sea difícil empujar estas nubes entre sí y crea distancias mínimas en las que quieren permanecer separadas, porque los núcleos y las nubes de electrones comienzan a repelerse realmente agresivamente a cualquier distancia más cercana.
Así que hemos cubierto que los átomos "toman" una bola de espacio (¡difusa!) debido a sus nubes de electrones, y que a veces esas bolas se "fusionan" a través de enlaces covalentes en estas cosas más grandes llamadas moléculas, donde algunos electrones son ocupando realmente una nube alrededor de ambos átomos. Esto es suficiente para notar la diferencia entre "estas son dos moléculas presionadas una al lado de la otra" y "esta es una molécula". También debo decirte que el enlace covalente es mucho más fuerte que la "pegajosidad" de las moléculas presionadas unas junto a otras, por lo que las moléculas en nuestras escalas casi siempre permanecen juntas; hay cosas como la luz ultravioleta que pueden rasgarlas. aparte (que, cuando daña la molécula de ADN, ¡es por eso que puede contraer cáncer por demasiada luz ultravioleta!se transfieren pero no se dejan el uno al otro .
Más allá de eso: diferentes moléculas se adhieren entre sí con mayor o menor fuerza. Un buen ejemplo, y muy relevante para nuestra discusión, es el agua. Ahora sabes que el agua es un poco asimétrica, luciendo como un ícono de "Mickey Mouse", y puedo decirte por qué es asimétrica si realmente quieres. [1] Pero el punto es que en este H 2Oh, molécula, esta nube de electrones más externa es atraída más por el átomo de oxígeno grande y fuerte que por los dos pequeños e insignificantes protones que están unidos a él. Sigue siendo una molécula, sigue siendo un enlace covalente, sigue siendo difícil de romper: pero hay un poco más de carga positiva cerca del lado con dos átomos de hidrógeno que en el lado opuesto con el extremo del átomo de oxígeno. Esta ligera separación de carga sobre una cierta distancia se llama "momento dipolar", decimos que el agua es una molécula "polar".
Resulta que las moléculas polares, porque las cargas iguales se repelen mientras que las opuestas se atraen, pueden adherirse mejor a otras moléculas polares que a las no polares. Simplemente pueden torcerse unos contra otros en configuraciones de menor energía. Entonces, esto hace que el agua se adhiera a sí misma, digamos, más de lo que se adhiere a algo no polar como el petróleo (que está hecho de enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno altamente no polares).
Su cuerpo usa esto con gran efecto para crear paredes celulares. Entonces, cuando comenzamos a hablar sobre "usted está compuesto de órganos que están compuestos por tejidos que están compuestos por células que están compuestas por orgánulos", puede hablar sobre la bicapa de fosfolípidos alrededor de cada una de sus células. Esta es una membrana delgada formada por dos capas (bicapa) de moléculas (fosfolípidos), cada una con una "cabeza" gruesa que contiene fosfato y dos "colas" de grasa fibrosa (lípidos) que sobresalen del mismo lado.
¿El truco? La "cabeza" de esta cosa es polar, pero está unida covalentemente a estas colas que son estas cadenas de hidrocarburos no polares. En el agua, todas las cadenas de hidrocarburos quieren alejarse del agua, por lo que estas cosas giran naturalmente para formar superficies donde las "cabezas" polares apuntan hacia afuera y las "colas" no polares apuntan hacia adentro. Decimos que se "autoensamblan" en una bicapa, literalmente, el agua preferiría estar tanto alrededor de otra agua que accidentalmente junta estas cosas hasta que los grupos de fosfato están en el exterior; estos, no patean tan fuerte. . ¡Realmente tienes que imaginar el mundo microscópico como una tormenta constante de partículas que chocan entre sí para comprender este proceso de autoensamblaje!
Luego, la célula a menudo incrustará todo tipo de basura dentro de estos límites fríos dándole a esa basura un centro graso con extremos polares, de modo que quiera "pegarse" dentro de la capa. Esto podría incluir un canal para dejar entrar o salir el agua, o cómo las agujas del inyector que las bacterias maliciosas pueden usar para infectar sus células están incrustadas dentro de sus paredes, ¡o cualquier cantidad de otras cosas por el estilo! Las células a menudo tienen "pelos" que sobresalen y ayudan a mantener cerca las moléculas de agua o, a veces, las ayudan a arrastrarse por su entorno.
Entonces, cuando su piel toca la mesa, en realidad es una capa de células muertas de la piel y pelos y demás, con mucho espacio para espacios de aire, tocando la mesa. Incluso si sus propias células se tocaron, probablemente tengan muchas cosas a su alrededor que evitan que sus fosfolípidos reales toquen la célula. E incluso si esos tocan la mesa y algunos de ellos se quedan atrás, el resto de los que están en la celda más cercana querrán espontáneamente, en cualquier condición húmeda (¡y su cuerpo es una gran condición húmeda!) para "arreglar" esa pared.
Simplemente agrega capas de complejidad sobre estas ideas básicas de que "las moléculas permanecen juntas más de lo que se adhieren a otras moléculas, y algunas moléculas atraen a estas otras moléculas con una fuerza diferente a la que se adhieren a esas otras moléculas". Si puedes dominar esas ideas básicas de física, entonces el resto es biología.
De hecho, son básicamente las fuerzas electrostáticas las que mantienen sólidos los sólidos. También mantienen unidos a los átomos y las moléculas, por lo que la pregunta básica es por qué algunos átomos (o moléculas) se agrupan para formar un sólido y otros no. Incluso eso es una simplificación excesiva, porque, por ejemplo, las moléculas de agua son una colección desorganizada (también conocida como "gas") en la fase de vapor, pero si reduce la temperatura lo suficiente, se agrupan para formar hielo. La idea básica subyacente es que hacen lo que es energéticamente más ventajoso: si la energía total puede reducirse formando un cristal sólido, intentarán hacerlo; pero si la temperatura es lo suficientemente alta, su energía cinética no les permitirá "establecerse" en un solo lugar. El cálculo de estas cosas es difícil (y aproximado) y requiere mecánica cuántica: véase, por ejemplo, Anderson's "
Tenga en cuenta que, en general, los objetos son eléctricamente neutros, por lo que no hay atracción electrostática en general: sus manos no se fusionan entre sí ni con la mesa. Pero si pules dos piezas de algo lo suficientemente bien, de modo que cuando las juntas, las moléculas de una pieza estén lo suficientemente cerca de las moléculas de la otra para que puedan "ver" la estructura interna, es como si fueran el misma pieza: se fusionarán . Es solo que las moléculas de tus manos no pueden acercarse lo suficiente a las moléculas de la mesa para que eso suceda.
Esta es solo una descripción aproximada que usa un lenguaje "poético": las cosas son más complicadas de lo que describí, pero creo que la descripción anterior es lo suficientemente precisa como para ser útil.
EDITAR: Un gran componente de la estabilidad de la materia es el principio de exclusión de Pauli. De hecho, sin él, muchas de las cosas que describe (pasar la mano por el escritorio, por ejemplo) podrían ser posibles. No sé si hay una mejor introducción en alguna parte, pero en ausencia de eso, la breve sección sobre la estabilidad de la materia en el artículo de Wikipedia tendrá que ser suficiente. Contiene una referencia a un artículo de Elliott Lieb que debería ser de interés, además de una referencia a un artículo de 1968 de Dyson y Lenard que contiene una prueba "rigurosa" de la estabilidad de la materia (el artículo fue publicado en 1968 y AFAICT no está disponible en línea, pero una búsqueda en Google de "estabilidad de la materia de Dyson Lenard" produjo una serie de resultados interesantes).
EDITAR: Según Dyson , su prueba fue larga y complicada y una "mala" prueba, pero su principal contribución fue que dio coraje a Lieb y Thirring para presentar una prueba mucho más corta y mucho mejor . Consulte el artículo de revisión de Lieb y el artículo de wikipedia sobre las desigualdades de Lieb-Thirring .
Los sólidos se mantienen unidos por enlaces químicos. Hay varios tipos de enlaces químicos y es cierto que la fuerza natural subyacente es la fuerza electrostática (mientras que los efectos cuánticos dictan la forma en que esta fuerza une los átomos).
Su mano puede atravesar una mesa, pero necesitaría suficiente energía para romper las ataduras del material de la mesa.
NickD