¿Es cierto que el interior de un átomo es mayormente vacío o espacio vacío?

Responderé a la pregunta comparando el espacio vacío y el vacío con las propiedades del interior de un átomo. Escribiré al nivel de física de la escuela secundaria para que mi respuesta sea accesible. Mi conclusión será que la respuesta es "no": no es cierto que el interior de un átomo sea principalmente vacío o espacio vacío y, además, tal idea transmite una imagen completamente engañosa de la naturaleza de los átomos. El punto principal es que los electrones se distribuyen suavemente por el interior de cada átomo, y tienen suficiente masa y carga para que sea engañoso comparar la situación con el espacio vacío.

Primero veamos qué entendemos por espacio vacío. Queremos decir, por supuesto, "no hay nada". Para desarrollar esto un poco, considere el caso de un gas ordinario a temperatura y presión estándar (STP). Esto no es un vacío, claramente, ya que la presión es bastante alta. Podríamos hablar de "vacío" una vez que la presión está por debajo de un milibar (100 Pa); en STP la presión es de aproximadamente un bar ($10^5$Pensilvania). Por otro lado, es cierto que dicho gas es "principalmente espacio vacío" en el sentido de que la masa está concentrada en las moléculas, casi sin masa entre las moléculas, y el volumen ocupado por las moléculas es una pequeña fracción ( alrededor de una milésima) del total. Por otro lado, si coloca un detector de masas en cualquier parte del gas, registrará algo de masa muy rápidamente, porque las moléculas pronto lo golpearán. Entonces, decir que un gas es "principalmente espacio vacío" es útil para tener la intuición de que las moléculas pueden moverse libremente con un gran camino libre medio, pero puede inducir a error en algunos aspectos.

La densidad de un gas ordinario en STP es de aproximadamente 1 kg/m$^3$.

Ahora pensemos en el interior de un átomo. Tengo en mente algún átomo ordinario como el carbono, y ubicaciones ordinarias dentro del átomo, por lo tanto, no en el núcleo ni muy lejos; uno podría elegir una ubicación aproximadamente a la mitad de un radio de Bohr desde el centro, por ejemplo. Calculemos algunas propiedades.

Primero, la densidad de masa. Esta es la densidad de masa debido a los electrones que están presentes. Su masa se distribuye por todo el átomo a través de sus funciones de onda extendidas, y la densidad de masa promedio se puede estimar observando que un electrón es aproximadamente 2000 veces más liviano que un protón, y un núcleo atómico típico tiene tantos neutrones como protones, por lo que los electrones contribuyen aproximadamente una parte en 4000 de la masa total. La densidad de un elemento sólido como el carbono es de unos 2000 kg/m$^3$por lo que podemos estimar que la densidad debida a los electrones en un lugar típico en un átomo es de aproximadamente$0.5\, {\rm kg}/{\rm m}^3$. Una estimación utilizando el radio atómico del carbono da el valor de 8 kg/m$^3$, lo que sugiere que nuestro valor anterior fue una subestimación porque hay algo de espacio entre los átomos. De todos modos, la conclusión principal aquí es que la densidad de masa en un punto típico dentro de un átomo es similar a la densidad de masa promedio de un gas en STP.

Para obtener la densidad de carga, multiplicamos la densidad de masa por$q/m_e$, la relación carga/masa de un electrón, que da aproximadamente$10^{12}$culombios por metro cubico. Esta es una densidad de carga enorme para los estándares cotidianos. (A modo de comparación, un condensador típico de 1 microfaradio cargado a 1 volt lleva un microculombio en un volumen del orden$10^{-7}$metro$^3$, dando una densidad de carga$10$Cm$^3$.)

A continuación, consideremos el flujo de materia: la velocidad a la que la masa se acercará y golpeará un detector si pudiéramos colocar un detector de masa dentro de nuestro átomo. Los electrones tienen velocidades del orden de algunas veces$\alpha c$dónde$\alpha \simeq 1/137$es la estructura fina constante y$c$es la velocidad de la luz. El flujo (unidad de área de cruce de masas por unidad de tiempo) es, por lo tanto, alrededor de$8 \times 3\times 10^8 / 137 \simeq 10^7$kg por segundo por metro cuadrado. No hace falta decir que este es un gran valor en términos cotidianos.

A continuación, investiguemos si hay o no un "espacio vacío" en el sentido de que hay espacio para poner cosas dentro de un átomo. La declaración original tal vez proviene de un deseo de comparar un átomo con un gas, usando alguna noción de que los electrones son como puntos en algún sentido, con espacio entre ellos.

Para abordar esta pregunta necesitamos algunas ideas físicas más avanzadas, relacionadas con el principio de exclusión de Pauli. Este es un resultado importante en la física cuántica, que dice que las partículas como los electrones no pueden superponerse entre sí por completo. Para ser precisos, en cualquier situación espacial dada puede haber como máximo dos electrones que tengan esa combinación particular de posición y momento.

Lo que esto significa en la práctica es que ya no hay espacio para electrones de baja energía en ningún átomo. Si el átomo es un hotel, entonces todas las habitaciones de los pisos inferiores están ocupadas, completamente llenas. Por lo tanto, el espacio dentro de un átomo no está disponible para más electrones a menos que se muevan rápidamente. Esto es lo más lejos que puede estar del "espacio vacío". Es un "espacio completo y absolutamente lleno", en lo que respecta a los electrones de baja energía. Pero esto no excluye por completo a los electrones, como ya dije. Si se mueven rápidamente, hay espacio para que más electrones entren en un átomo. No se quedarán allí --- tendrían que formar un rayo que los atraviese; son visitantes de los huéspedes alojados en el hotel. Para un electrón adicional unido a un átomo (haciendo un ion cargado negativamente),

¿Qué pasa con otros tipos de partículas, digamos, neutrones? Pueden entrar más fácilmente en un átomo. Pero, ¿la experiencia de un neutrón sentado dentro de un átomo se parece en algo a la experiencia de un neutrón sentado en el espacio vacío? Difícilmente. Serían bombardeados continuamente por ese alto flujo de electrones que calculamos hace un momento, y lo notarían porque, aunque no tienen carga eléctrica, los neutrones tienen un magnetismo sustancial, y esto conduce a una interacción electromagnética entre el neutrón y todos los electrones cercanos.

Ahora vamos a resumir.

Los electrones en los átomos se comportan de formas que la física clásica no puede explicar; requerimos de la física cuántica. Como resultado, cuando hablamos de átomos en el lenguaje cotidiano, estamos tratando de transmitir en términos cotidianos lo que dice la física cuántica. Entre las cosas que nos dice la física cuántica sobre el interior de un átomo está que los electrones se distribuyen suavemente, de modo que la probabilidad de que un electrón esté presente en un momento dado es distinta de cero en todo el interior de un átomo. Podemos desarrollar esto un poco calculando propiedades como la densidad de masa y la densidad de carga y el flujo. La densidad de masa de la nube de electrones de un átomo típico es similar a la densidad de masa promedio de un gas ordinario a temperatura y presión estándar. El flujo es enorme y la densidad de carga es enorme. También, es estrictamente imposible introducir más electrones de movimiento lento en el interior de un átomo, pero es posible que los electrones de movimiento rápido lo atraviesen. Los neutrones también pueden entrar en los átomos, y cuando están dentro interactúan con los electrones que están allí.

En vista de lo anterior, me parece que es engañoso decir que el interior de los átomos es algo así como el vacío o el espacio vacío. Realmente no lo es. Pero parece que esta idea se ha alojado en presentaciones populares de la ciencia. Tomará un poco de esfuerzo desalojarlo.

Ahora me pregunto de dónde vino esta idea en primer lugar. Creo que posiblemente podría haberse originado en los primeros intentos de modelar átomos a través de partículas puntuales clásicas, o tal vez descienda de la imagen de "volar en una catedral", que es una afirmación correcta sobre los tamaños relativos del núcleo atómico y todo el átomo. El "volar en una catedral" parece dar a entender que el resto de la "catedral" está vacía, pero no es así. Está lleno de electrones.

aceptaría tu sentencia

Es importante para el objetivo de transmitir la intuición física correcta y, por lo tanto, fomentar la percepción física correcta.

como pauta central en mi respuesta, como verá, mis conclusiones son bastante diferentes.

El origen de la afirmación sobre el interior casi vacío de un átomo proviene del minucioso análisis de Rutherford (1911) [1] del experimento de Geiger y Marsden de dispersión de partículas alfa por finas láminas de oro. Rutherford no escribió explícitamente tal expresión, pero el punto clave de su análisis fue mostrar que un modelo del átomo hecho por una partícula pesada espacialmente concentrada cuya carga debería ser proporcional al peso atómico podía explicar mucho mejor los datos experimentales. que una densidad difusa del componente de dispersión. Por lo tanto, el énfasis principal en el artículo de Rutherford estaba más en el carácter "concentrado" del componente de dispersión que en la presencia de un "espacio vacío".

Sin embargo, esta última inferencia era bastante natural una vez que uno considera los núcleos positivos como la principal fuente de dispersión si el segundo componente atómico, los electrones, se consideran partículas puntuales. Un paso ineludible más de 10 años antes del nacimiento de la mecánica ondulatoria.

Entonces, desde una perspectiva histórica, la sentencia corresponde a un punto de vista bien definido e históricamente justificable.

Ahora, examinemos la situación con los ojos de hoy. ¿Cuál podría ser una afirmación correcta? ¿El interior del átomo está vacío? ¿Está lleno de algo? ¿Electrones? ¿Campos?

Aquí, me temo que tengo que estar en desacuerdo con su idea de que

El punto principal es que los electrones se distribuyen suavemente por el interior de cada átomo, y tienen suficiente masa y carga para que sea engañoso comparar la situación con el espacio vacío.

Me temo que tal afirmación reforzaría un concepto erróneo común que intenta mantener la idea original de las "ondas de materia" propuesta por de Broglie y eliminada de las posibles interpretaciones de QM desde el análisis de los procesos de dispersión realizados por Born y que resulta en la interpretación probabilística actual de QM.

Desde un punto de vista pedagógico, el punto clave es insistir en que todos los experimentos existentes coinciden en una estructura puntual del electrón. Medir la carga o la densidad de masa sería engañoso, ya que transmitiría la idea de que es posible detectar parte de un electrón.

En resumen, no insistiría demasiado en la frase sobre el "espacio vacío" en el átomo si no estuviera conectada con el análisis de Rutherford. Pero ciertamente, no lo sustituiría con ideas potencialmente erróneas sobre un electrón extendido.

[1] Profesor E. Rutherford FRS (1911) LXXIX. La dispersión de partículas α y β por la materia y la estructura del átomo, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 21:125, 669-688, DOI: 10.1080/14786440508637080

Una forma sencilla de ver la oración "el interior de un átomo es principalmente vacío" es pensar en la distribución de masa. En cierto sentido, la oración es cierta: la mayor parte de la masa se concentra en un volumen muy pequeño (el núcleo). En comparación con el núcleo, el resto del espacio está ocupado por orbitales de electrones, cuya densidad de materia (o mejor, la densidad de energía) es muchos órdenes de magnitud menor (casi "vacío" desde este punto de vista).

Es solo una forma no técnica de transmitir la idea de que la estructura del átomo es "similar" a un planeta "denso" que es extremadamente pequeño pero está rodeado por una atmósfera enrarecida que casi no contribuye a la masa total. Tal vez una analogía ineficaz para alguien, pero útil para darle al público en general la idea de que no se necesita ser masivo para ocupar espacio.

No estoy seguro de por qué la gente escribe comentarios tan excesivos sobre este... El átomo está rodeado por una nube de electrones. Pero la densidad de masa de la nube de electrones es comparativamente pequeña con respecto a la del núcleo. La mayor parte de la masa con la que interactúas se encuentra en el núcleo. En esta imagen, la nube de electrones se considera simplemente "vacío". Pero la nube de electrones comunica las fuerzas que necesitas para interactuar con otros objetos.