Te doy la bienvenida a nuestro sitio, ahora hallarás la respuesta a lo que necesitas.
Solución:
Lo que estás preguntando es el distancia de una fuerza, y en realidad es un concepto muy interesante.
Los fenómenos fundamentales y sus leyes de fuerza
La física ha dividido con cierta confianza al mundo en aproximadamente cuatro fenómenos fundamentales. Usted está más familiarizado con ellos como: los núcleos atómicos normalmente se juntan, los núcleos a veces se deshacen (radiactividad), las cargas eléctricas similares se repelen y las cargas diferentes se atraen (electromagnetismo) y las cosas se caen (gravedad). Las leyes de fuerza que gobiernan estos fenómenos tienen diferentes escalas con la distancia: la primera fuerza es técnicamente aproximadamente constante en cualquier distancia, la segunda decae exponencialmente con la distancia y las dos últimas siguen las leyes del cuadrado inverso.
Pero esas reglas básicas son solo una parte de la historia. El único del que esto da una buena imagen general es gravedad, y eso es porque no hay masas negativas para interactuar con las masas positivas y meterse con nuestra descripción. Es un poco gracioso, la gravedad es una especie de hermana pequeña asmática de estos cuatro fenómenos fundamentales, ella está muchas, muchas veces por encima de los más débiles: pero en escalas de larga distancia con grandes sistemas complicados, ella siempre gana. Sus planes y maquinaciones se extienden a través de la escala cosmológica, mucho más allá de cualquier cosa que puedan hacer sus otros hermanos.
Cargas de equilibrio, por ejemplo, en la fuerza fuerte
Con los otros dos “fuertes”, la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos los núcleos y el electromagnetismo, es posible tener “equilibrio de carga” de diferentes tipos. El electromagnetismo, por supuesto, tiene cargas positivas y negativas; pero déjame contarte primero acerca de esta fuerza fuerte de rango infinito, que tiene lo que llamamos “carga de color”: hay tres cargas (llamadas convencionalmente “rojo”, “verde” y “azul”, pero los nombres son solo nombres y no corresponden a ningún tipo de color real en ningún sentido real) y sus anti-cargas (“antired”, “antigreen”, “antiblue”). Un quark dado tiene una de estas 6 cargas, y la partícula de fuerza (“gluón”) que las une tiene dos de esos colores. Por lo tanto, un quark rojo podría “convertirse en” un quark verde “disparando” un “gluón” rojo-antverde que luego puede ser “absorbido” por un quark verde, convirtiéndolo en un quark rojo: el efecto neto de todos estos interacciones en la mecánica cuántica es esta “fuerza fuerte” de rango infinito entre estos quarks.
¿Por qué no sientes esta fuerza superfuerte? De hecho, esta fuerza es tan fuerte que interactúa con el vacío cuántico, una masa hirviente de partículas que se crea durante minúsculas fracciones de segundos y luego desaparece inmediatamente. Si separa estos dos quarks demasiado lejos, hay más energía potencial en su separación de la que se necesita para crear nuevos quarks: por lo que algún par quark-antiquark que crea el vacío cuántico durante una pequeña fracción de tiempo, se romperá. a la existencia real por esta abrumadora energía.
De hecho, las únicas partículas que finalmente ves a escalas del tamaño de un núcleo atómico o más grandes son todas “de color equilibrado”, ya sea tres quarks, uno de cada color (“bariones”) o dos quarks: uno de un color y uno de sus anti-color (“mesones”). Pero estos mesones crean un nuevo tipo de fuerza entre dos bariones: sigue siendo la misma “fuerza nuclear fuerte”, pero ahora vive entre dos partículas de color neutro con carga y disminuye exponencialmente con la distancia. Y así es como se mantienen unidos los núcleos.
Carga de pantalla en la fuerza electromagnética
Entonces, la fuerza electromagnética tiene una forma similar en la que se desmorona, pero es mucho más fácil de entender porque solo hay una dimensión de carga, positiva frente a negativa: eso es todo.
Un protón aislado y un electrón aislado sentirán una fuerza de atracción muy fuerte; dos protones aislados sentirán una fuerza repulsiva muy fuerte. Pero si deja que el protón y el electrón se asienten juntos en una caja, entonces es probable que ese electrón entre en un “orbital” alrededor del protón, donde debido a las leyes de la mecánica cuántica no se puede decir claramente que el electrón esté en un lugar o otro, pero es una especie de partícula en una “nube” de posiciones alrededor del núcleo. Ahora ese protón se ha convertido en un “átomo de hidrógeno”.
¿Qué ha pasado con el rango de su fuerza? ¡Ha caído significativamente! En escalas de larga distancia, un protón será empujado por el protón en el átomo de hidrógeno, exactamente tanto como es atraído por la nube de electrones del átomo de hidrógeno. Solo cuando te acercas mucho, notas la diferencia en los efectos $ 1 / r ^ 2 $ de la nube frente a la partícula en el medio. Este tipo de cambio en la carga eléctrica efectiva debido al cambio de configuraciones se llama “apantallar” la carga, hace que su fuerza parezca más débil, como si se viera a través de una pantalla.
Vinculación
Cuando muchos átomos se unen, mucho depende de cómo se reorganizan los electrones alrededor de los núcleos. Los núcleos tienen casi toda la masa, por lo que no se mueven con tanta facilidad como los electrones. La mayoría de los electrones siguen orbitando sus respectivos núcleos en sus diversos orbitales. Por lo general, los electrones más alejados se reconfiguran de alguna manera.
Una posibilidad desagradable es que un átomo simplemente le robe el electrón a otro: esto sucede, por ejemplo, con los átomos de cloro y los átomos de sodio en la sal de mesa. Luego los dos forman iones que se vuelven a atraer como partículas. Más común es si un electrón asume un “orbital compartido” que une los dos átomos, manteniéndolos juntos: esto se llama un “enlace covalente” y los átomos en su interior forman una “molécula”. Dentro de un metal, los núcleos se organizan juntos en lo que localmente es un período muy periódico. enrejado de núcleos, y algunos electrones comienzan a ser deslocalizado, compartido a través de muchos átomos en lugar de mantener pares de ellos juntos: esto se llama un “enlace metálico”.
Y a veces las cosas simplemente no se unen, se adhieren entre sí a través de fuerzas interatómicas débiles (fuerzas de “van der Waals” y “enlaces de hidrógeno”), pero en realidad es solo esta carga eléctrica apantallada lo que los mantiene unidos.
De todos modos, el punto es que esto hace que sea difícil empujar estas nubes entre sí y crea distancias mínimas que quieren mantener separadas, porque los núcleos y las nubes de electrones comienzan a repeler realmente agresivamente a una distancia más cercana.
Cómo estos lazos te componen
Así que hemos explicado que los átomos “toman” una (¡borrosa!) Bola de espacio debido a sus nubes de electrones, y que a veces esas bolas se “fusionan” a través de enlaces covalentes en estas cosas más grandes llamadas moléculas, donde se encuentran algunos electrones. realmente ocupando una nube alrededor ambos átomos. Esto es suficiente para diferenciar entre “estas son dos moléculas presionadas una al lado de la otra” y “esta es una molécula”. También necesito decirte que el enlace covalente es mucho más fuerte que la “pegajosidad” de las moléculas presionadas una al lado de la otra, por lo que las moléculas en nuestras escalas casi siempre permanecen juntas; hay cosas como la luz ultravioleta que pueden romperlas. aparte (que, cuando daña la molécula de ADN, ¡es la razón por la que puede contraer cáncer por demasiada luz ultravioleta!), pero simplemente presionando contra su escritorio, las moléculas pueden ser transferido pero no lo son dejando el uno al otro.
Más allá de eso: diferentes moléculas se adhieren entre sí más o menos fuerte. Un buen ejemplo, y muy relevante para nuestra discusión, es el agua. Ahora sabes que el agua es un poco asimétrica, parece un ícono de “Mickey Mouse”, y puedo decirte por qué es asimétrica si realmente quieres.[1] Pero el caso es que en este H2Oh molécula, esta nube de electrones más externa es atraída más por el átomo de oxígeno grande y fuerte que por los dos pequeños protones que están unidos a él. Sigue siendo una molécula, sigue siendo un enlace covalente, todavía es difícil de romper: pero hay un poco más de carga positiva cerca del lado con dos átomos de hidrógeno que en el lado opuesto con el extremo del átomo de oxígeno. Esta ligera separación de carga sobre una cierta distancia se llama “momento dipolar”, decimos que el agua es una molécula “polar”.
Resulta que las moléculas polares, porque las cargas iguales se repelen mientras que las opuestas se atraen, pueden adherirse mejor a otras moléculas polares que a las no polares. Simplemente pueden retorcerse entre sí en configuraciones de menor energía. Entonces, esto hace que el agua se adhiera a sí misma, digamos, más de lo que se adhiere a algo no polar como el aceite (que está hecho de enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno altamente no polares).
Celdas y sus paredes
Su cuerpo usa esto con gran efecto para crear paredes celulares. Así que cuando empezamos a hablar de “usted está formado por órganos que están formados por tejidos que están formados por células que están formadas por orgánulos”, puede hablar sobre el bicapa de fosfolípidos alrededor de cada una de sus células. Esta es una membrana delgada formada por dos capas (bicapa) de moléculas (fosfolípidos), cada una con una “cabeza” gruesa que contiene fosfato y dos “colas” grasosas (lípidas) fibrosas que sobresalen del mismo lado.
¿El truco? La “cabeza” de esta cosa es polar, pero está unida covalentemente a estas colas que son estas cadenas de hidrocarburos no polares. En el agua, todas las cadenas de hidrocarburos quieren alejarse del agua, por lo que estas cosas naturalmente se retuercen para formar superficies donde las “cabezas” polares apuntan hacia afuera y las “colas” no polares apuntan hacia adentro. Decimos que se “autoensamblan” en una bicapa, literalmente, el agua preferiría estar alrededor de otra agua tanto que accidentalmente golpea estas cosas juntas hasta que los grupos de fosfato están en el exterior; estos, no patean tan fuerte . ¡Realmente tienes que imaginar el mundo microscópico como una tormenta constante de partículas chocando entre sí para comprender este proceso de autoensamblaje!
Entonces, la célula a menudo incrusta todo tipo de basura dentro de estos límites fríos dándole a esa basura un centro graso con lados exteriores polares, de modo que quiere “pegarse” dentro de la capa. Esto podría incluir un canal para dejar entrar o salir el agua, o cómo las agujas del inyector que las bacterias maliciosas pueden usar para infectar sus células están incrustadas dentro de sus paredes, ¡o cualquier otra cosa por el estilo! Las células a menudo tienen “pelos” que sobresalen que ayudan a mantener las moléculas de agua cerca o, a veces, las ayudan a arrastrarse por su entorno.
Entonces, cuando su piel toca la mesa, en realidad es una capa de células muertas de piel y pelos y demás, con mucho espacio para espacios de aire, tocando la mesa. Incluso si sus propias células se tocaron, probablemente tengan muchas cosas a su alrededor que mantienen su fosfolípidos reales al tocar la célula. E incluso si esos tocan la mesa y algunos de ellos se quedan atrás, el resto de los que están en la celda más cercana querrán espontáneamente, en cualquier condición de humedad (¡y su cuerpo es una gran condición de humedad!) Para “arreglar” esa pared.
Solo se agregan capas de complejidad a estas ideas básicas de que “las moléculas permanecen juntas más de lo que se adhieren a otras moléculas, y algunas moléculas atraen a estas otras moléculas con una fuerza diferente a la que se adhieren a esas otras moléculas”. Si puede dominar esas ideas básicas de física, el resto es biología.
- Viene de una especie de situación extraña en la que la capa más externa del átomo de oxígeno tiene 8 pares de electrones diferentes y todos quieren extenderse simétricamente alrededor del átomo de oxígeno, por lo que se extienden como las esquinas de un tetraedro: y 2 de esos los pares envuelven estos protones, por lo que esos dos están básicamente en los puntos del tetraedro, y no hay dos puntos de un tetraedro que estén 100% opuestos entre sí.
De hecho, son básicamente las fuerzas electrostáticas las que mantienen sólidos a los sólidos. También mantienen juntos los átomos y las moléculas, por lo que la pregunta básica es por qué algunos átomos (o moléculas) se agrupan para formar un sólido y otros no. Incluso eso es una simplificación excesiva, porque, por ejemplo, las moléculas de agua son una colección desorganizada (también conocida como “gas”) en la fase de vapor, pero si reduce la temperatura lo suficiente, se agrupan para formar hielo. La idea básica subyacente es que hacen lo que es energéticamente más ventajoso: si la energía total puede reducirse formando un cristal sólido, intentarán hacerlo; pero si la temperatura es lo suficientemente alta, su energía cinética no les permitirá “asentarse” en un solo lugar. El cálculo de estas cosas es difícil (y aproximado) y requiere mecánica cuántica: ver, por ejemplo, “Conceptos en sólidos” de Anderson para eso. En cambio, la gente asume que hay una estructura sólida (generalmente un cristal, aunque hay sólidos amorfos, así como vidrios, que son líquidos muy viscosos aunque se sientan “sólidos”) y proceden a calcular a partir de ahí.
Tenga en cuenta que, en general, los objetos son eléctricamente neutros, por lo que no hay atracción electrostática en general: sus manos no se fusionan ni se unen a la mesa. Pero si pule dos piezas de algo lo suficientemente bien, de modo que cuando las junte, las moléculas de una pieza estén lo suficientemente cerca de las moléculas de la otra para que puedan “ver” la estructura interna, es como si fueran la misma pieza: ellos voluntad fusionarse. Es solo que las moléculas de tus manos no pueden acercarse lo suficiente a las moléculas de la mesa para que eso suceda.
Esta es solo una descripción aproximada usando un lenguaje “poético”: las cosas son más complicadas de lo que describí, pero creo que la descripción anterior es lo suficientemente precisa como para ser útil.
EDITAR: Un gran componente de la estabilidad de la materia es el principio de exclusión de Pauli. De hecho, sin él, muchas de las cosas que usted describe (por ejemplo, meter la mano en el escritorio) podrían ser posibles. No sé si hay una mejor introducción en alguna parte, pero si no, la sección corta sobre la estabilidad de la materia en el artículo de Wikipedia tendrá que ser suficiente. Contiene una referencia a un artículo de Elliott Lieb que debería ser de interés, además de una referencia a un artículo de 1968 de Dyson y Lenard que contiene una prueba “rigurosa” de la estabilidad de la materia (el artículo se publicó en 1968 y AFAICT no está disponible en línea, pero una búsqueda en Google de “estabilidad de la materia de Dyson Lenard” produjo una serie de resultados interesantes).
EDITAR: Según Dyson, su prueba era larga y complicada y una prueba “mala”, pero su principal contribución fue que dio coraje a Lieb y Thirring para llegar a una mucho más corta y mucho mejor prueba. Consulte el artículo de revisión de Lieb y el artículo de wikipedia sobre las desigualdades de Lieb-Thirring.
Sección de Reseñas y Valoraciones
Nos puedes añadir valor a nuestro contenido colaborando tu experiencia en las anotaciones.