Si las partículas son puntos, ¿no son los átomos un espacio vacío?

Question

Los puntos de dimensión cero no ocupan espacio, así que entonces ¿no estaría todo el universo literalmente vacío? ¿O hay algo que se me escapa?

Answer 1

Aunque se suele decir que las partículas fundamentales son partículas puntuales hay que tener claro qué significa esto. Para medir el tamaño de la partícula dentro de un cierto error experimental $d$ requiere el uso de una sonda con una longitud de onda de $\lambda=d$ o menos, es decir, con una energía superior a unos $hc/\lambda$ . Cuando decimos que las partículas son puntuales nos referimos a que por muy alta que sea la energía de tu sonda, o por muy pequeña que sea su longitud de onda, nunca medirás un radio de partícula mayor que tu límite experimental $d$ . Es decir, la partícula siempre parecerá puntual por muy preciso que sea su experimento.

Pero esto no significa que las partículas sean realmente puntos de dimensión cero y densidad infinita que zumban. Una partícula elemental no tiene una posición en la forma en que pensamos que un objeto macroscópico tiene una posición. Siempre está deslocalizada hasta cierto punto, es decir, existe en una región de cierto volumen no nulo. Más concretamente, la probabilidad de encontrar la partícula es distinta de cero en cualquier lugar de esa región.

Así que un átomo no es un espacio vacío. La analogía habitual es que es una mancha difusa, y en realidad no es una mala metáfora. Si tomamos cualquier volumen pequeño $\mathrm dV$ dentro del átomo entonces la probabilidad de encontrar el electrón en esa región viene dada por:

$$P = \int \psi^*\psi\,\mathrm dV$$

donde $\psi$ es la función de onda que describe el electrón en el átomo. Y como esta probabilidad es sólo la densidad de carga, eso significa que la densidad de carga varía suavemente en todo el átomo.

Es importante tener claro que no se trata de una media temporal debida a que el electrón zumba por el átomo muy rápido. No se trata de que el electrón tenga una posición precisa en el átomo y nuestra probabilidad sea un promedio temporal. El electrón no tiene realmente ninguna posición en el sentido macroscópico habitual.

Answer 2

Debido a la Principio de exclusión de Pauli es extremadamente difícil comprimir la materia atómica más allá de una determinada densidad. No es imposible, porque siempre hay estados de electrones de mayor energía disponibles, pero hay una fuerza muy fuerte que se opone a ello (llamada presión de degeneración de electrones ).

Esto es lo que significa que el espacio esté lleno. Si se define el "espacio vacío" de forma que los átomos sean espacio vacío, entonces los átomos son espacio vacío, pero también la noción de "espacio vacío" se vuelve inútil porque todo el espacio está vacío. La idea de espacio vacío y ocupado es muy anterior a la comprensión moderna de las partículas fundamentales. El trabajo de la ciencia es explicar por qué el mundo es como es -por ejemplo, por qué no se puede atravesar las paredes-, no dar nuevos significados a las palabras existentes.

Answer 3

Sí, las partículas elementales como los electrones y los quarks (dentro de los protones) son puntuales o, al menos, su estructura interna es incomparablemente más pequeña que el tamaño del átomo. Por tanto, el átomo es en su mayor parte un espacio vacío.

Sin embargo, eso no significa que los átomos puedan penetrar unos en otros. La materia es impenetrable debido a una combinación de

• el principio de incertidumbre que dice que los electrones no pueden estar simultáneamente en/cerca del núcleo y tener una pequeña velocidad (y energía cinética), por lo que la distancia típica de un electrón a un núcleo es finita (comparable a lo que entonces se interpreta como el tamaño del átomo)

• el principio de exclusión de Pauli que dice que los electrones no pueden ocupar el mismo estado. Por esta razón, aunque el espacio del átomo esté "vacío", no es posible que muchos electrones ocupen el mismo espacio.

Por estas razones, los átomos, a pesar de ser un espacio vacío, no permiten que otros átomos se solapen con ellos, y por eso los átomos siempre "empujan" a otros átomos cercanos.

Answer 4

Una partícula cargada como el electrón puede ser puntual (de radio cero), pero es de "mano larga" ya que se "siente" lejos. En este sentido no es tan "puntual".

Answer 5

Lo que intuitivamente consideramos como "objetos sólidos" son en realidad campos de fuerza electromagnéticos que se repelen entre sí. Por lo tanto, tiene razón: los átomos están "vacíos" en el sentido de que no contienen objetos o cosas sólidas. Por otro lado, están "llenos" de campos de fuerza básicos que, en conjunto, a macroescala, crean la ilusión de "solidez" que es lo que percibimos como objetos sólidos.