Responderé a la pregunta comparando el espacio vacío y vacío con las propiedades del interior de un átomo. Escribiré al nivel de la 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 es en su mayor parte vacío, y además tal idea transmite una imagen totalmente engañosa de la naturaleza de los átomos. El punto principal es que los electrones están repartidos suavemente por el interior de cada átomo, y llevan y llevan suficiente masa y carga como para que sea engañoso comparar la situación con el espacio vacío.
Primero veamos qué entendemos por espacio vacío. Nos referimos, por supuesto, a que "no hay nada". Para precisar un poco esto, consideremos el caso de un 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 es inferior a un milibar (100 Pa); a STP la presión es de aproximadamente un bar ( $10^5$ Pa). Por otro lado, es cierto que un gas de este tipo es "mayoritariamente espacio vacío", ya que la masa se concentra en las moléculas, sin apenas masa entre ellas, y el volumen ocupado por las moléculas es una pequeña fracción (una milésima) del total. Por otra parte, si se coloca un detector de masa en cualquier lugar del gas, éste registrará rápidamente algo de masa, porque las moléculas no tardarán en chocar con él. Así que decir que un gas es "mayoritariamente espacio vacío" sirve para intuir que las moléculas pueden moverse libremente con un gran recorrido libre medio, pero puede inducir a error en algunos aspectos.
La densidad de un gas ordinario a STP es de aproximadamente 1 kg/m $^3$ .
Ahora pensemos en el interior de un átomo. Pienso en un átomo ordinario, como el carbono, y en lugares ordinarios dentro del átomo, es decir, no en el núcleo y no muy lejos; se podría elegir un lugar a medio radio de Bohr del centro, por ejemplo. Vamos a calcular algunas propiedades.
Primero, la densidad de masa. Se trata de la densidad de masa debida a los electrones presentes. Su masa se reparte por todo el átomo a través de sus funciones de onda extendidas, y la densidad de masa media puede estimarse teniendo en cuenta que un electrón es unas 2000 veces más ligero que un protón, y un núcleo atómico típico tiene tantos neutrones como protones, por lo que los electrones contribuyen a una parte de cada 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 de un átomo es de aproximadamente $0.5\, {\rm kg}/{\rm m}^3$ . Una estimación utilizando el radio atómico del carbono da el valor 8 kg/m $^3$ lo que sugiere que nuestro valor anterior era una subestimación porque hay algo de espacio entre los átomos. En cualquier caso, la principal conclusión es que la densidad de masa en un punto típico dentro de un átomo es similar a la densidad de masa media de un gas a 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 alrededor de $10^{12}$ culombios por metro cúbico. Se trata de una densidad de carga enorme para los estándares cotidianos. (Para comparar, una tapa típica de condensador de 1 microfaradio cargado a 1 voltio transporta un microculombios en un volumen del orden de $10^{-7}$ m $^3$ , dando una densidad de carga $10$ C/m $^3$ .)
A continuación, consideremos el flujo de la materia: la velocidad a la que la masa se acercará y golpeará un detector si fuéramos capaces de colocar un detector de masa dentro de nuestro átomo. Los electrones tienen velocidades del orden de unas pocas veces $\alpha c$ donde $\alpha \simeq 1/137$ es la constante de estructura fina y $c$ es la velocidad de la luz. El flujo (masa que atraviesa la unidad de superficie por unidad de tiempo) es, por tanto, de alrededor de $8 \times 3\times 10^8 / 137 \simeq 10^7$ kg por segundo y por metro cuadrado. No hace falta decir que se trata de un enorme valor en términos cotidianos.
A continuación, vamos a preguntar si hay o no "espacio vacío" en el sentido de que hay espacio para poner cosas dentro de un átomo. La afirmación original proviene quizás del deseo de comparar un átomo con un gas, usando alguna noción de que los electrones son puntuales en algún sentido, con espacio entre ellos.
Para abordar esta cuestión necesitamos algunas ideas físicas más avanzadas, para que tienen que ver con el principio de exclusión de Pauli. Se trata de un importante resultado de la física cuántica, que dice que las partículas, como los electrones, no pueden superponerse completamente entre sí. Para ser precisos, en cualquier situación espacial puede haber como máximo dos electrones que tengan esa combinación concreta de posición y momento.
Lo que esto significa en la práctica es que no hay más espacio para los electrones de baja energía en cualquier átomo. Si el átomo es un hotel, entonces todas las habitaciones de los plantas 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 alejado del "espacio vacío" que se puede conseguir. Es un "espacio completo y totalmente lleno", en lo que respecta en lo que respecta a los electrones de baja energía. Pero esto no excluye del todo a los electrones, como ya he dicho. Si se mueven rápidamente entonces hay espacio para que más electrones entren en un átomo. Ellos no se quedarán allí tendrían que formar un haz de paso; son visitantes de los huéspedes que se alojan en el hotel. Para un electrón extra unido a un átomo (formando un ion cargado negativamente), la función de onda de electrón adicional entra un poco en el átomo (penetra en el núcleo, como decimos) y en el núcleo, como decimos), y esto puede compararse con un visitante que visitando una y otra vez.
¿Y qué pasa con otros tipos de partículas, por ejemplo, los neutrones? Pueden ser más entrar fácilmente en un átomo. Pero la experiencia de un neutrón sentado dentro de dentro de un átomo como la experiencia de un neutrón sentado en el espacio vacío? Difícilmente. Serían continuamente bombardeados por ese alto flujo de electrones que acabamos de calcular, y lo notarían porque aunque no llevan carga eléctrica, los neutrones llevan un magnetismo magnetismo, y esto lleva a una interacción electromagnética entre el neutrón y todos los electrones cercanos.
Ahora vamos a resumir.
Los electrones en los átomos se comportan de manera que la física clásica no puede explicar; necesitamos la física cuántica. En consecuencia, cuando hablamos de Cuando hablamos de átomos en el lenguaje cotidiano, intentamos transmitir en términos cotidianos lo que la física cuántica dice que ocurre. Entre las cosas que la física cuántica nos dice sobre el interior de un átomo está que los electrones están que la probabilidad de que un electrón esté presente en un momento dado es distinta de cero en todo el interior de un átomo. un átomo. Podemos profundizar un poco en esto calculando propiedades como como la densidad de masa y la densidad y flujo de carga. La densidad de masa de la nube de electrones de un átomo típico es similar a la densidad de masa densidad de masa de un gas ordinario a temperatura y presión estándar. El flujo es enorme y la densidad de carga es enorme. Además, es estrictamente imposible introducir más electrones de movimiento lento en el interior de un átomo, pero sí es posible que pasen electrones rápidos. 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 parecido al vacío o al espacio vacío. Realmente no lo es. Pero parece que esta idea se ha alojado en las presentaciones populares presentaciones populares de la ciencia. Habrá que hacer un esfuerzo para desalojarla.
Ahora me pregunto de dónde salió esta idea en primer lugar. Creo que posiblemente se originó en los primeros intentos de modelar los átomos a través de partículas puntuales clásicas, o quizás es descendiente de la imagen de la "mosca en la catedral", que es una sobre los tamaños relativos del núcleo atómico y del átomo entero. del átomo. La "mosca en una catedral" parece implicar que el resto de la "catedral" está vacío, pero no es así. Está llena de electrones.
