La matèria és gairebé espai buit (i tu també)
Com de petit és un àtom i per què la realitat microscòpica desafia la nostra intuïció
Introducció
La realitat que percebem sembla compacta i sòlida. Una paret ens atura, una pedra pesa i una taula sembla completament plena. Però la física moderna va descobrir una idea sorprenent: gairebé tota la matèria de l'univers és espai buit.
Els àtoms que formen el nostre cos, els planetes o les estrelles són extraordinàriament petits. I encara més desconcertant és saber que el nucli central ocupa només una part diminuta de l'àtom, mentre que la resta és pràcticament buit.
Dit d'una altra manera: si poguéssim eliminar tot l'espai buit que hi ha dins dels àtoms del cos humà, una persona sencera podria arribar a tenir una mida microscòpica.
En aquest article intentarem entendre com de petit és realment un àtom i per què la matèria és molt menys sòlida del que sembla.
Com de petit és un àtom?
La mida d'un àtom és tan petita que costa molt imaginar-la amb xifres normals. Per això, sovint els científics recorren a comparacions sorprenents per intentar fer-nos entendre aquestes escales microscòpiques.
En només un gram d'hidrogen hi ha aproximadament 600.000 trilions d'àtoms. És una quantitat tan enorme que pràcticament escapa a la imaginació humana.
Ara imaginem una situació impossible però molt visual: suposem que cada àtom d'hidrogen creix fins a convertir-se en una simple gota d'aigua. Només una gota petita, com les que cauen d'una aixeta.
Quanta aigua obtindríem?
La quantitat seria tan immensa que podria cobrir tota la Península Ibèrica amb una capa d'aigua de desenes de quilòmetres d'alçada. I si aquesta mateixa aigua caigués sobre el desert del Sàhara, arribaria a formar un oceà de diversos quilòmetres de profunditat.
Tot això sortiria només dels àtoms continguts en un únic gram d'hidrogen.
Aquestes comparacions ens donen una idea del vertigen de les escales atòmiques. Els àtoms són tan extraordinariment petits que fins i tot una quantitat minúscula de matèria conté un nombre pràcticament inimaginable d'ells.
L'àtom és gairebé tot espai buit
Quan imaginem un àtom, tendim a pensar en una petita esfera compacta, semblant a una bola microscòpica. Però la realitat és molt diferent. Un àtom està format sobretot per espai buit.
Al centre de l'àtom hi ha el nucli, on es concentra gairebé tota la seva massa. Aquest nucli és extraordinàriament petit. Al seu voltant es mouen els electrons, situats proporcionalment molt lluny del centre.
La part sorprenent és que entre el nucli i els electrons pràcticament no hi ha res.
Per entendre-ho millor, imaginem de nou l'àtom ampliat fins a la mida d'un estadi de futbol. El nucli seria només una petita canica situada al centre del camp. Els electrons es trobarien prop de les grades més allunyades. Tot l'espai intermedi seria gairebé completament buit.
Això significa que la matèria que percebem com a sòlida està formada, en realitat, per estructures immenses i buides a escala microscòpica.
Fins i tot el nostre cos està compost principalment d'aquest espai buit. Els àtoms de la pell, dels ossos o dels òrgans tenen aquesta mateixa estructura gairebé buida.
La solidesa que percebem no prové d'un contacte "compacte" entre àtoms, sinó de les forces elèctriques que impedeixen que els electrons dels diferents àtoms s'interpenetrin entre si.
Els àtoms i el cos humà
Si poguéssim eliminar tot l'espai buit que hi ha dins dels àtoms del cos humà, la matèria quedaria comprimida d'una manera extraordinària. Un cos humà sencer podria arribar a ocupar un volum comparable al d'un gra de sorra, o fins i tot menor.
La densitat seria tan enorme que una simple culleradeta d'aquesta matèria comprimida pesaria milions de tones. De fet, una situació semblant existeix realment a l'univers: les estrelles de neutrons, restes ultra denses d'estrelles gegants que han explotat.
Això ens dona una idea del paper immens que juga l'espai buit dins dels àtoms. La major part del volum del nostre cos no correspon a matèria "compacta", sinó a les enormes distàncies microscòpiques que separen les partícules subatòmiques.
Electrons, protons i dimensions difícils d'imaginar
Dins dels àtoms també hi trobem diferències enormes d'escala entre les partícules que els formen. Els electrons, per exemple, són molt més petits i lleugers que els protons i neutrons del nucli.
Un protó té una massa aproximadament 1.836 vegades superior a la d'un electró. Dit d'una altra manera: si un electró tingués la massa d'una moneda petita, un protó tindria una massa semblant a la d'una motocicleta.
Per això gairebé tota la massa de l'àtom es concentra al nucli. Els electrons ocupen molt poc pes dins del conjunt, encara que siguin fonamentals per determinar les propietats químiques dels elements.
La diferència també és espectacular quan parlem de dimensions. El nucli atòmic és extraordinàriament petit comparat amb la mida total de l'àtom. Si l'àtom tingués la mida d'un estadi, el nucli seria una petita boleta al centre, mentre que els electrons ocuparien les zones més externes.
Els electrons no giren al voltant del nucli com petits planetes perfectament ordenats, tal com mostraven alguns dibuixos antics. En realitat, la física quàntica descriu els electrons com regions de probabilitat: zones on és més probable trobar-los.
Aquesta idea encara fa més estranya la realitat microscòpica. A escala atòmica, les partícules no es comporten exactament com objectes sòlids i definits, sinó segons unes lleis molt diferents de les que observem en el món quotidià.
Què manté unides les partícules dins de l'àtom?
Una de les preguntes més fascinants de la física és entendre per què l'àtom no es desmunta. Si els protons tenen càrrega positiva, haurien de repel·lir-se mútuament amb molta força dins del nucli. I, tanmateix, els nuclis atòmics són sorprenentment estables.
La resposta es troba en les forces fonamentals de la natura.
Els electrons es mantenen units a l'àtom gràcies a la força electromagnètica. Com que els electrons tenen càrrega negativa i els protons càrrega positiva, existeix una atracció elèctrica que manté els electrons vinculats al nucli.
Però dins del nucli passa una cosa encara més extraordinària. Els protons es repel·leixen entre si perquè tenen la mateixa càrrega positiva. Malgrat això, existeix una força molt més intensa anomenada força nuclear forta.
Aquesta força és una de les més potents de l'univers conegut. Actua a distàncies extremadament petites i és capaç de "enganxar" protons i neutrons dins del nucli atòmic, superant la repulsió elèctrica.
Sense la força nuclear forta, els nuclis es desintegrarien instantàniament i la matèria tal com la coneixem no podria existir.
Els físics també han descobert que una part de la massa del nucli es transforma en energia per mantenir aquesta unió. És el que s'anomena energia d'enllaç nuclear.
Aquesta idea està relacionada amb la famosa equació d'Einstein: E = mc2
Això significa que massa i energia són, en certa manera, dues formes diferents d'una mateixa realitat física.
Quan un nucli atòmic es trenca —com passa en la fissió nuclear— o quan diversos nuclis s'uneixen en una fusió nuclear —com a l'interior del Sol— una petita part de la massa es converteix en enormes quantitats d'energia.
La llum i la calor del Sol existeixen precisament gràcies a aquests processos nuclears que tenen lloc contínuament al seu interior.
Algunes partícules relacionades amb l'àtom
Les dimensions de les partícules subatòmiques són molt difícils de mesurar. En alguns casos, com els protons o neutrons, es pot estimar una mida aproximada. En canvi, els electrons i altres partícules elementals es consideren puntuals segons els coneixements actuals, és a dir, sense una mida detectable.
| Partícula | On es troba | Massa aproximada | Mida aproximada |
|---|---|---|---|
| Electrò | Al voltant del nucli | 9,11 × 10⁻³¹ kg | Sense mida detectable |
| Protó | Nucli atòmic | 1,67 × 10⁻²⁷ kg | ~0,84 femtòmetres |
| Neutró | Nucli atòmic | 1,67 × 10⁻²⁷ kg | ~0,84 femtòmetres |
| Quark | Interior de protons i neutrons | Variable | Sense mida detectable |
| Positró | Antimatèria de l'electró | Igual a l'electró | Sense mida detectable |
| Neutrí | Travessa la matèria constantment | Extremadament petita | Desconeguda |
| Fotó | Partícula de la llum | Sense massa | Sense mida detectable |
Un femtòmetre és una unitat extraordinàriament petita: una milionèsima de nanòmetre. Els nuclis atòmics tenen dimensions d'aquest ordre.
El més sorprenent és que, fins i tot després de més d'un segle investigant l'interior de l'àtom, moltes d'aquestes partícules continuen sent força misterioses. Els neutrins, per exemple, poden travessar planetes sencers gairebé sense interactuar amb la matèria.
La física moderna ens mostra així un univers microscòpic molt més estrany i fascinant del que imaginaven els primers models atòmics.
Curiositats sorprenents sobre els àtoms
El nostre cos renova constantment molts dels seus àtoms. Això significa que una gran part dels àtoms que tenim avui no són exactament els mateixos que teníem fa uns anys.
Alguns dels àtoms del nostre cos podrien haver format part d'estrelles antigues. Els elements químics més pesants, com el carboni, l'oxigen o el ferro, es formen a l'interior de les estrelles i es dispersen per l'univers després de grans explosions estel·lars. En certa manera, tots estem formats amb "pols d'estrelles".
Els electrons es mouen a velocitats enormes. En alguns àtoms poden arribar a superar els dos milions de metres per segon.
Els neutrins, unes partícules gairebé invisibles relacionades amb els àtoms, travessen contínuament el nostre cos. Cada segon, bilions de neutrins provinents del Sol passen a través nostre sense que ho notem.
Els àtoms estan formats principalment per espai buit, però les forces elèctriques fan que la matèria sembli sòlida. Si aquestes forces desapareguessin, els àtoms podrien travessar-se mútuament.
L'àtom més senzill de l'univers és l'hidrogen, format només per un protó i un electró. Tot i la seva simplicitat, és també l'element més abundant de l'univers.
Conclusió
Quan observem el món que ens envolta, tot sembla sòlid, compacte i estable. Però la física moderna ens revela una realitat molt diferent: la matèria està formada per àtoms immensament petits i gairebé completament buits.
Dins d'aquests àtoms hi trobem nuclis microscòpics, electrons extraordinarament lleugers i partícules encara més misterioses que desafien la intuïció humana. Les distàncies i dimensions són tan extremes que el cervell gairebé no és capaç d'imaginar-les.
I malgrat això, tota la realitat visible —persones, oceans, muntanyes, planetes o estrelles— està construïda a partir d'aquestes estructures microscòpiques.
Els científics encara continuen investigant l'interior de la matèria. Les partícules subatòmiques descobertes durant el segle XX han obert preguntes enormes sobre l'origen de l'univers i les lleis fonamentals de la física.
Entendre l'àtom no només ens ajuda a comprendre la física moderna. També ens recorda fins a quin punt l'univers és més estrany, complex i fascinant del que percebem a simple vista.
Referències i enllaços
Imatges reals d'àtoms i microscòpia
- IBM i el microscopi d'efecte túnel
- Imatge atòmica d'alta resolució — Scientific American
- Microscopi d'efecte túnel — Viquipèdia
- IBM escrit amb àtoms reals
- A Boy and His Atom — pel·lícula creada movent àtoms
- Galeria científica STM i AFM
Bibliografia i divulgació
Vídeos
- A Boy and His Atom — IBM Research (YouTube)
- How a Scanning Tunneling Microscope Works
- El tamaño de los átomos
- ¿Cómo es realmente un átomo?
- Los átomos no tienen superficie ni forma sólida ¿Cómo es posible？
- ¡Intenta imaginar el tamaño de un átomo!
- El átomo no es como nos lo muestran ¡El mayor engaño de la ciencia!
- Electrón, la partícula más extraña del universo
Podcasts
Interpretació artística moderna de l’estructura d’un àtom segons els models actuals de la física quàntica.