• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: Meus átomos realmente se “tocam”?

Quando você junta dois dedos, pode senti-los 'tocar' um no outro. Mas seus átomos estão realmente se tocando e, em caso afirmativo, como?

Principais conclusões

• A sensação do toque permite que você experimente como os outros objetos realmente são, pois seus átomos experimentam as sensações da experiência.
• Mas quando você aproxima os objetos um do outro, e mesmo quando os sente se tocando, eles claramente não estão unidos, então o que você está sentindo?
• Ao contrário do que você poderia esperar, a sensação de toque não envolve dois átomos em contato um com o outro. A física do 'toque' é mais complicada do que você imagina.

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Uma das coisas mais contraintuitivas sobre a existência é a noção de forças. Para experimentar uma força – ou seja, sentir a influência de outra coisa sobre nós – dois objetos não precisam necessariamente se tocar ou estar em contato um com o outro. Os objetos na superfície da Terra sentem a gravidade da Terra, mas também os aviões, satélites e até a Lua. Um objeto eletricamente carregado atrai e repele outras cargas elétricas, independentemente da distância entre elas. E, de uma maneira mais familiar, dois ímãs giram de modo que seus pólos nortes se defrontam e se repelem mutuamente com tanta força que mesmo os humanos mais fortes não conseguem uni-los completamente.

Então, o que acontece quando você tenta juntar o polegar e o indicador? Quão perto eles realmente chegam, e eles realmente “tocam” um ao outro? Isso é o que Peter Mead quer saber, escrevendo para perguntar:

“Quando ergo as duas mãos à minha frente com os dois indicadores apontados um para o outro e depois os aproximo, o espaço entre meus dedos fica cada vez menor. Posso vê-los e segurá-los a menos de um milímetro de distância antes de se tocarem. Existe um instante, pouco antes de eles se tocarem, em que meus dedos estão separados apenas pela largura de um átomo (ou subatômico)? Ou o espaço de alguma forma se comporta de maneira diferente em uma escala tão pequena?”

Claramente, há um grande intervalo entre o que podemos ver (pouco menos de um milímetro) e o tamanho de um átomo (cerca de um décimo de bilionésimo de metro). Vamos descobrir o que acontece nessas pequenas escalas.

Embora, em volume, um átomo seja principalmente um espaço vazio, dominado pela nuvem de elétrons, o núcleo atômico denso, responsável por apenas 1 parte em 10^15 do volume de um átomo, contém ~99,95% da massa de um átomo. As reações entre os componentes internos de um núcleo podem ser mais precisas e ocorrer em escalas de tempo mais curtas, bem como em diferentes energias, do que as transições restritas aos elétrons de um átomo.

Embora desçamos a escalas muito pequenas para abordar essa questão por completo, é importante reconhecer que “pequeno” não significa necessariamente “quântico” da maneira que você pode intuir. Sim, os efeitos quânticos normalmente surgem em sistemas isolados de partículas únicas ou poucas e tendem a desaparecer se houver muitas partículas interagindo com frequência, o que é uma marca registrada da (maioria) fenômenos macroscópicos. No entanto, embora os efeitos quânticos normalmente apareçam em escalas atômicas ou abaixo, os efeitos mais clássicos – incluindo efeitos gravitacionais e eletromagnéticos – nunca podem ser ignorados e frequentemente dominam mesmo os inerentemente quânticos, mesmo nas menores escalas de todas.

Portanto, o primeiro passo é reconhecer que seu corpo é feito de átomos e que, embora os átomos dentro de seus dedos estejam unidos em moléculas que compõem as organelas que compõem suas células, ainda é fundamentalmente todos os átomos: elétrons orbitando núcleos atômicos. Mesmo que seja um longo caminho desde o mundo macroscópico (dedos) até os átomos e as partículas subatômicas que compõem até mesmo os átomos, é assim que a estrutura da matéria realmente se parece.

A jornada das escalas macroscópicas para as subatômicas abrange muitas ordens de magnitude, mas descer em pequenos passos pode tornar cada nova mais acessível em relação à anterior. Os humanos são feitos de órgãos, células, organelas, moléculas, átomos, depois elétrons e núcleos, depois prótons e nêutrons, e depois quarks e glúons dentro deles. Este é o limite até onde já sondamos a natureza.

Os átomos que estão unidos – em moléculas e depois em estruturas maiores – têm restrições sobre como seus elétrons podem se mover. Mesmo quando compartilhados entre vários átomos, os elétrons orbitam em conchas semelhantes a nuvens e têm uma distribuição espalhada ao longo do tempo, dependendo de qual nível de energia específico (e orbitais moleculares/atômicos) eles ocupam. Esteja você olhando para um único átomo ou para uma estrutura maior feita de átomos, essa é a imagem básica: há uma nuvem de elétrons com carga negativa orbitando em torno de um único ou uma série de múltiplos núcleos/núcleos atômicos com carga positiva.

Então, o que acontece quando você aproxima dois átomos um do outro, como você pode imaginar que acontece quando você aproxima o polegar e o indicador um do outro, mas não tão perto que eles se toquem?

É um problema interessante que a maioria dos estudantes de física aprende a resolver na pós-graduação, onde todos obtemos as mesmas respostas se fizermos nossos cálculos corretamente: a forma da nuvem de elétrons que orbita ao redor do núcleo atômico muda em resposta à presença do outro átomo próximo. Mesmo que os próprios átomos (e moléculas) sejam entidades neutras, o fato de serem feitos de componentes carregados negativamente e positivamente permite que eles façam algo extremamente importante: polarizar.

Quando um campo elétrico externo é aplicado a um átomo neutro, ele faz com que o átomo se polarize, comportando-se como um dipolo geral: com um lado mais carregado positivamente e outro lado mais carregado negativamente. O átomo também parte de uma forma esférica, conforme mostrado abaixo.

A polarização é um fenômeno eletromagnético clássico, que ocorre onde quer que você tenha cargas positivas e negativas juntas e a capacidade de fazer com que essas cargas se movam e se redistribuam umas em relação às outras, dependendo das forças externas que atuam sobre elas. Acontece que, embora ter uma carga positiva ou negativa próxima seja uma “força externa” fácil de visualizar, simplesmente aproximar dois objetos não carregados, mas polarizáveis, pode, de fato, resultar não apenas na polarização de ambos os objetos, mas em uma rede força sendo criada entre os dois.

Por exemplo, vamos pensar em dois átomos simples que são aproximados um do outro. Cada um tem um núcleo atômico carregado positivamente e uma nuvem difusa de carga negativa ao seu redor. Se você aproximar um do outro, eles inicialmente permanecerão esféricos: sem força atrativa ou repulsiva líquida. No entanto, quanto mais você os aproximar, mais as nuvens de elétrons se distorcerão em sua forma, criando um minúsculo dipolo: onde um núcleo carregado positivamente está ligeiramente fora do centro em relação à distribuição esférica carregada negativamente das cargas negativas.

Neste diagrama, dois átomos são aproximados e (i) eles são inicialmente despolarizados. Se um dos átomos (ii) se polarizar, o átomo adjacente experimentará as forças eletrostáticas dos componentes positivo e negativo do átomo próximo (iii), fazendo com que ele também se polarize, o que resulta em uma força atrativa de Van der Waals.

Assim que você faz com que um átomo se comporte como um dipolo elétrico - para ser polarizado -, ele começa a gerar seu próprio campo elétrico, que polariza todos os átomos em sua vizinhança. Se a extremidade “positiva” estiver mais próxima do outro átomo, ela empurra o núcleo “positivo” para mais longe e atrai a nuvem de elétrons “negativa” para mais perto dele, levando a uma força atrativa entre os dois átomos. Essa força de atração, que pode ser sentida a curtas distâncias, é conhecida como Força de Van der Waal , e explica por que, quando você esfrega um balão inflado em sua camisa (e transfere alguns elétrons para ele), você pode “grudar” o balão na parede onde o esfregou: porque o balão carregado polarizou os átomos em a parede.

Mas essa foi a história de dois átomos livres e não ligados. E se os átomos estiverem unidos em uma rede de átomos - ou seja, em uma estrutura molecular ou maior - onde os elétrons não são totalmente livres para se mover, mas têm algumas restrições sobre onde podem/não podem ir? Quando um se aproxima do outro, eis o que acontece:

• Os elétrons carregados negativamente, onde as “nuvens” de elétrons se sobrepõem, se afastam, criando uma distribuição de forma oval que se projeta no lado “afastado um do outro”.
• Os núcleos carregados positivamente, porque agora estão relativamente “mais próximos” um do outro devido à polarização das nuvens de elétrons, também se afastam um do outro.
• E quanto mais você os força, mais aumenta esse efeito, fazendo com que as forças repulsivas aumentem ainda mais.

Quando dois átomos fazem parte de uma estrutura maior onde cada um está fortemente ligado, os elétrons e núcleos nos átomos mais externos não são necessariamente livres para polarizar como fariam se não estivessem unidos. Nesse caso, pode surgir uma força eletrostática repulsiva, que pode se tornar cada vez mais forte à medida que os átomos se aproximam uns dos outros.

Pode parecer contra-intuitivo, mas quando você aproxima o polegar e o indicador, faz com que eles se toquem e os empurre um contra o outro com quantidades cada vez maiores de força, é exatamente isso que está acontecendo no nível atômico/molecular. No entanto, há uma ressalva extremamente importante aqui: isso só funciona, no que diz respeito ao “toque”, porque os átomos dentro do seu polegar estão ligados uns aos outros com muito mais força e segurança do que podem ser “tocados” pelos átomos do seu dedo indicador. . Da mesma forma, os átomos em seu dedo indicador estão ligados uns aos outros - em moléculas, membranas celulares, etc. - mais fortemente do que são 'tocados' pelo seu polegar.

Esta é a principal razão pela qual, quando você toca dois objetos típicos, eles permanecem como dois objetos independentes, em vez de se fundirem ou se fundirem. Objetos sólidos, como seu dedo, têm ligações atômicas fortes – ligações moleculares covalentes, onde os elétrons são compartilhados entre os átomos – que são fáceis de permanecer intactas e difíceis de destruir. Quando você junta dois objetos separados, é muito mais provável que cada objeto se agarre aos seus próprios elétrons do que troque elétrons entre eles ou forme novas ligações covalentes de um lado para o outro.

Embora dois átomos possam facilmente ter suas funções de onda de elétrons sobrepostas e unidas, isso geralmente é verdade apenas para átomos livres. Quando cada átomo está unido como parte de uma estrutura muito maior, as forças intermoleculares podem frequentemente manter os átomos separados por distâncias substanciais, impedindo a formação de ligações fortes, exceto em circunstâncias muito especiais.

Há exceções a isso, no entanto. Se você sair em temperaturas frias e abaixo de zero e lamber o dedo e, em seguida, tocar o dedo em uma superfície de metal frio (não não lamber a superfície com a língua!), a água vai congelar, com a água congelada ligada ao metal e às moléculas de água em seu dedo. Depois de começar a formar esses laços fortes, incluindo:

• ligações ionicas,
• ligações covalentes,
• ou, mais fortemente, formando uma estrutura de treliça que se sobrepõe a ambos os objetos,

não é mais uma certeza que objetos individuais manterão sua integridade.

Isso pode parecer um exemplo extremo que não poderia acontecer simplesmente tocando o polegar no dedo indicador, mas se você já fez uma quantidade extraordinária de atividade física com os pés comprimidos por serem amarrados ou presos em um local muito apertado sapato - como uma dançarina de balé - você pode realmente estar familiarizado com esse fenômeno. Seus dedos individuais, neste caso, podem acabar se unindo de várias maneiras dolorosas, e é por isso que muitos dançarinos começaram a usar espaçadores de dedos: para combater as deformidades dos pés que podem surgir desses estresses mecânicos.

Embora os bailarinos sejam conhecidos por sua elegância, graça e por fazer tudo parecer sem esforço, a realidade é que os dedos e os pés do bailarino muitas vezes sofrem traumas graves, frequentemente deixando o bailarino com lesões ao longo da vida e até mesmo deformidades.

Felizmente, isso não é algo com que a maioria das pessoas deva se preocupar quando fazem algo mundano, como juntar o polegar e o indicador. Embora você possa perceber visualmente as distâncias de separação até um décimo de milímetro (0,0001 metros), há um longo caminho até o tamanho de uma nuvem de elétrons de um átomo típico, que atinge um ångström, ou um décimo bilionésimo de metro (0,0000000001 metros).

Se você quiser saber o quão perto você tem que trazer dois átomos para que um comece a se polarizar, ou “responder” de alguma forma à presença de outro, podemos estimar isso como sendo cerca de um centésimo de milionésimo de metro: 0,00000001 metros , ou ~10 nanômetros: a escala de uma molécula relativamente grande. Nesta escala, as ligações de hidrogênio podem se formar, o que significa que os átomos que são polarizados em uma direção ou outra dentro das moléculas podem exercer forças que você pode muito bem “sentir” com seu corpo.

À medida que você empurra os dedos cada vez com mais força, no entanto, os átomos do polegar e do indicador não chegam muito mais perto do que isso.

Quando seus dois dedos se tocam, os átomos em seus dois dedos nunca ficam tão próximos um do outro quanto os átomos reais que compõem cada dedo. A pressão, ou força sobre uma área, permanece pequena em quase todos os casos.

Em vez disso, as estruturas ligadas dentro de cada um de seus dedos – suas moléculas, as células que elas compõem e toda a estrutura celular que compõe cada dedo – são fortemente (covalentemente) ligadas entre si. Quando você empurra o polegar e o indicador juntos, o que você está fazendo é aproximar cada vez mais esses átomos da superfície uns dos outros, e esses átomos, estando conectados a tudo o mais dentro do polegar e do indicador, respectivamente, pressionam um contra o outro. uns aos outros.

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Mesmo que você possa pressionar e exercer uma força substancial em seu polegar e indicador ao pressioná-los um contra o outro - o suficiente para fazer sua pele mudar de cor, visivelmente - essa força é distribuída em uma área significativa: a área sobre a qual seu polegar e seu dedo indicador se tocam. As forças que atuam sobre uma área fazem uma pressão e, embora a força seja muito grande, porque a área também é grande, a pressão é relativamente pequena. Como resultado, os átomos individuais que compõem o seu polegar e os átomos que compõem o seu dedo indicador nunca ficam extremamente próximos em comparação com o comprimento da ligação entre os átomos do polegar e do indicador individualmente.

Embora, em um nível fundamental, o Universo seja composto de partículas quânticas pontuais, elas se juntam para criar objetos de tamanhos e massas finitos, ocupando quantidades específicas de volume.

Isso também responde a uma pergunta que muitas pessoas costumam fazer: se meu os átomos são principalmente espaços vazios , por que meu polegar e meu indicador nunca passam um pelo outro quando os coloco juntos? Embora muitas pessoas se apressem para uma regra quântica - a Princípio de Exclusão de Pauli - isso não é realmente necessário. A integridade dos átomos, o fato de estarem covalentemente (fortemente) ligados uns aos outros nas moléculas e o fato de que cargas negativas de elétrons são distribuídas por um grande volume de espaço é mais do que suficiente para impedir que duas estruturas baseadas em átomos passem. um através do outro. As ligações químicas baseadas em elétrons e a grande distribuição espacial que os elétrons ocupam são suficientes para fazer com que a matéria ocupe espaço.

Mas essa é a chave: quando dizemos “tocar” um ao outro, na verdade queremos dizer apenas “Quão perto algo precisa chegar para que suas propriedades se tornem algo meu sentido do tato ou os nervos dentro do meu corpo que são sensíveis a isso sensação, responda a ela?” E embora tenhamos diferentes neurônios sensíveis à temperatura, pressão e dor, todos eles são acionados por elétrons ou fótons interagindo com a matéria em nossos corpos. No caso do toque baseado em pressão, uma distância significativamente menor do que o olho pode ver, mas ainda substancialmente maior do que o tamanho de um átomo, é tudo o que é necessário para instigar uma resposta!

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