Nguyên tử trông như tồn tại ở thể rắn vì các electron tự quay rất nhanh xung quanh hạt nhân. Hãy tưởng tượng đến cánh quạt của một chiếc trực thăng. Khi chúng không quay, bạn chỉ thấy hai cánh. Nhưng khi quay, chúng dường như hòa vào nhau để tạo thành một đĩa tròn, phẳng trông rất chắc chắn. Các cánh quạt quay càng nhanh thì trông càng có vẻ chắc chắn. Nếu quay đủ nhanh, bạn thực sự có thể chạm vào nó vì tay không thể chạm vào khoảng không giữa các cánh quạt được nữa; nó sẽ giống như một vật rắn. Điều này không bao giờ xảy ra được vì cánh quạt sẽ vỡ vụn trước khi đạt được tốc độ đó, nhưng một electron thì có thể.
Việc nguyên tử phần lớn là trống rỗng không có nghĩa là các vật không thể tồn tại ở thể rắn. Một lý do cho việc đó là cách mà các nguyên tử và các tạo nên chúng tương tác với nhau.
Các electron trong nguyên tử liên tục chuyển động quanh hạt nhân, tạo ra một cấu trúc giống như đám mây. Tuy nhiên, các electron này không phân bố ngẫu nhiên khắp nguyên tử mà chiếm các mức năng lượng cụ thể (orbital), và chịu tác động của lực điện từ giữa các electron tích điện âm và hạt nhân tích điện dương.
Khi hai vật tiếp xúc với nhau, các electron trong nguyên tử của vật này đẩy các electron trong nguyên tử của vật kia. Lực đẩy này ngăn không cho các nguyên tử đi qua nhau, tạo nên cảm giác rắn, đặc của một số vật thể.
Các electron ở mức năng lượng ngoài cùng của nguyên tử (các electron hóa trị) chịu trách nhiệm cho sự tương tác giữa các nguyên tử trong các vật thể. Các electron hóa trị này có thể được chia sẻ giữa các nguyên tử, tạo thành liên kết hóa học giữ các nguyên tử lại với nhau trong một cấu trúc vững chắc.
Lực điện từ là một trong những lực cơ bản của tự nhiên và tạo ra sự tương tác giữa các hạt tích điện. Trong nguyên tử, các electron tích điện âm bị hút về phía hạt nhân tích điện dương. Lực hút này giữ các electron trên quỹ đạo quanh hạt nhân, tạo nên cấu trúc của nguyên tử.
Lực điện từ cũng đóng vai trò quan trọng trong tương tác giữa các nguyên tử. Khi hai nguyên tử tiếp xúc với nhau, các electron ở mức năng lượng ngoài cùng của chúng sẽ đẩy nhau do cùng tích điện âm. Lực đẩy này ngăn cản các nguyên tử đi qua nhau, đem lại cảm giác về sự rắn chắc của vật thể.
Tuy nhiên, không phải tất cả các vật đều tồn tại ở thể rắn. Ví dụ, chất khí có cấu trúc lỏng lẻo hơn chất rắn nhiều vì chúng có thể tự do di chuyển và có thể nén hoặc giãn dễ dàng.
Ngoài lực điện từ, một tác nhân khác tạo nên tính rắn chắc biểu kiến của các vật là Nguyên lý loại trừ Pauli, nói rằng không tồn tại 2 fermion có cùng các trạng thái lượng tử. Điều này nghĩa là khi các nguyên tử tiếp xúc với nhau, các electron ở mức năng lượng ngoài cùng của chúng buộc phải chuyển sang mức năng lượng cao hơn. Rào cản năng lượng này khiến các nguyên tử khó đi qua nhau hơn, góp phần tạo thêm cảm giác chắc chắn cho các vật thể.
Vì vậy, dù nguyên tử phần lớn là trống rỗng thì lực điện từ và Nguyên lý loại trừ Pauli khiến cho các vật có vẻ rắn chắc bằng cách ngăn không cho các nguyên tử đi qua nhau.
Theo: Hoàng Hải Đăng
