¿Más del 99% del interior de un átomo es vacío? Hay un misterio más profundo escondido en el interior.

Todo en el universo está compuesto de átomos. Hace más de cien años, la gente creía que los átomos eran las partículas indivisibles más pequeñas. Pero ahora sabemos que incluso los átomos más pequeños tienen su propia estructura.

Los átomos están compuestos por un núcleo y los electrones fuera del núcleo. Los electrones son partículas básicas. Los protones y los neutrones forman el núcleo, y tanto los protones como los neutrones están formados por quarks (tres quarks), que también son partículas elementales.

Sin embargo, debido a la existencia de confinamiento de quarks, los quarks no pueden existir solos y las personas no pueden observar directamente su existencia.

Entonces, ¿cómo se distribuye la estructura interna de los átomos? Esto se puede ver intuitivamente dando un ejemplo macro.

Suponiendo que el átomo se agranda hasta el tamaño de un campo de fútbol, ​​¿qué tamaño tienen el núcleo y los electrones?

La respuesta seguro que te sorprenderá. El núcleo tiene el tamaño de un frijol y se encuentra en medio de un campo de fútbol. ¡Y los electrones son aún más pequeños, más pequeños que una mota de polvo en las gradas de un estadio de fútbol!

Dado que el núcleo y los electrones son tan pequeños, ¿está vacío el resto del átomo excepto el núcleo y los electrones?

Parece que el interior del átomo está realmente vacío, pero el vacío no significa nada. Al contrario, ¡está muy "activo" allí!

El núcleo está cargado positivamente y los electrones están cargados negativamente. Esto significa que el núcleo atómico tiene un campo eléctrico muy fuerte a su alrededor, al igual que los propios electrones.

Otro punto más importante es que los electrones no se mueven con un movimiento circular fijo como la tierra alrededor del sol. Los electrones no tienen una órbita fija, sino que aparecen de forma muy aleatoria alrededor del núcleo, como una gran bola. Nubes como ésta se llaman "nubes de electrones".

Por tanto, no penséis que el interior de un átomo es un vacío, y no penséis que los objetos pueden entrar en el interior de un átomo a voluntad. La existencia de la nube de electrones parece la construcción de capas de "capas duras" alrededor del núcleo. Es difícil que las partículas ordinarias entren a menos que las partículas descargadas como los neutrinos puedan entrar a voluntad, otras partículas básicamente quedan atrapadas.

Por eso en teoría el interior de un átomo está muy vacío, pero parece muy denso y duro. Los átomos son tan duros que las fuerzas ordinarias no pueden comprimirlos. Para penetrar la "cáscara dura" en la periferia de los átomos se requiere un objeto masivo, como la región central de una estrella, donde la temperatura y la presión son enormes.

Aunque el tamaño del núcleo atómico es muy pequeño, ocupa más del 99,9% de la masa de todo el átomo. La densidad del núcleo atómico es muy alta. La masa de un centímetro cúbico del átomo. ¡El núcleo atómico alcanza los 100 millones de toneladas!

Los protones y neutrones que forman el núcleo se mantienen unidos gracias a esta poderosa fuerza. Lo que solemos decir "la masa de los protones más los neutrones es igual a la masa del núcleo" en realidad no es riguroso. El primero es más pequeño que el segundo porque la energía combinada de protones y neutrones ocupa parte de la masa.

Dividiéndolo aún más, los protones y los neutrones están compuestos de quarks. El protón está compuesto por dos quarks arriba y un quark abajo, mientras que el neutrón está compuesto por un quark arriba y dos quarks abajo.

Los diferentes quarks se combinan entre sí mediante la fuerza fuerte (interacción fuerte) transmitida por los "gluones". De hecho, la masa de los tres quarks sólo representa menos del 1% de la masa del protón (neutrón). ), el otro 99% de la masa es la masa producida por la interacción fuerte.

Los gluones son propagadores, similares a los fotones, que propagan la fuerza electromagnética, y no tienen masa (masa estática).

Entonces, ¿se pueden seguir subdividiendo los quarks más pequeños?

Los científicos aún no tienen forma de saberlo. Debido al confinamiento de los quarks, los quarks no pueden existir solos. Los científicos ni siquiera pueden observarlos, al menos no todavía, y mucho menos subdividirlos.

Una teoría más avanzada, la teoría de cuerdas, cree que todas las partículas elementales, como los quarks, están compuestas de cuerdas vibrantes. Diferentes direcciones y frecuencias de vibración constituyen diferentes partículas elementales. Además de la teoría de cuerdas, también existen teorías como la del universo brana, el espacio-tiempo de alta dimensión y el multiverso.

Sin embargo, la teoría anterior es difícil de verificar, y actualmente permanece en etapa de razonamiento y conjetura.