原子曾经接触过彼此吗？(2013)

两个氢原子相互靠近的艺术渲染。他们在什么时候触摸？这取决于你所说的触摸是什么意思。公共领域图像，来源：克里斯托弗·S·贝尔德(Christopher S.Baird)。

答案取决于你所说的触摸是什么意思。在原子水平上，触摸有三种可能的含义：1)两个物体相互影响，2)两个物体相互显著影响，或3)两个物体位于完全相同的位置。请注意，日常的触摸概念(即两个物体的硬边界存在于同一位置)在原子水平上没有意义，因为原子没有硬边界。原子并不是真正的实心球体。它们是模糊的量子概率云，充满电子，散布成波浪形的云状，称为轨道。就像天空中的云一样，原子可以有一个形状和位置，而没有硬边界。这是可能的，因为原子有高密度的区域和低密度的区域。当我们说一个原子坐在A点时，我们真正的意思是原子的概率云的高密度部分位于A点。如果你把一个电子放在盒子里(就像量子点激光器所做的那样)，那么这个电子大部分都在盒子里。电子的波函数的一部分通过盒子的壁泄漏出来，直到无限大。这使得用于扫描隧道显微镜的量子隧道效应成为可能。考虑到原子的非固体性质，让我们来看看触摸的每一种可能的含义。

1.如果把接触理解为两个原子相互影响，那么原子总是接触的。相距一英里的两个原子的波函数仍然重叠。如果一个原子与另一个原子的中心相距一英里，那么它与另一个原子中心重叠处的波函数的振幅会小得离谱，但不会是零。原则上，两个原子无论在宇宙中的哪个位置都会相互影响，因为它们向四面八方延伸。在实践中，如果两个原子的距离超过几纳米，它们对彼此的影响通常会变得非常小，以至于被更近的原子的影响所掩盖。因此，尽管从技术上讲，相距一英里的两个原子可能是接触的(如果我们将接触定义为原子波函数的重叠)，但这种接触通常是微不足道的，可以忽略不计。

这是什么感人的东西？在物理世界中，物体相互影响的基本方式只有四种：通过电磁力、通过强核力、通过弱核力、通过引力。构成原子核的中子和质子相互束缚，并通过这两种核力发生反应。组成原子其余部分的电子被电磁力束缚在原子核上。原子被束缚在分子中，分子被电磁力束缚在日常物品中。最后，行星(以及其他大型天文物体)和行星表面的宏观物体由于重力而结合在一起。如果两个原子相距一米，它们就会通过所有四种基本力相互接触。然而，对于典型的原子来说，电磁力往往会凌驾于其他力之上。这种触摸会导致什么呢？如果两个原子相距太远，与周围的其他物体相比，它们的相互作用太弱，不会有任何结果。当两个原子足够接近时，这种相互作用可以导致很多事情。整个化学领域可以归结为研究当原子接近到足以相互影响时发生的所有有趣的事情。如果两个原子是非反应性的，并且不形成共价键、离子键或氢键，那么它们的电磁相互作用通常采用范德瓦力的形式。在范德墙效应中，相互靠近的两个原子在彼此之间产生电偶极矩，然后这些偶极子通过静电吸引而相互弱吸引。虽然根据触摸的定义，地球上的所有原子总是接触到地球上的所有其他原子的说法是严格正确的，但这并不是很有帮助。相反，我们可以任意定义一个包含大部分原子的有效周长，然后说原子的任何部分超出这个周长都不值得注意。这就把我们带到了我们对触摸的下一个定义。

2.如果触摸意味着两个原子相互影响很大，那么原子确实会接触，但只有当它们足够近的时候。问题是，什么构成了重要的意义是可以解释的。例如，我们可以将原子的外周定义为包含95%原子的数学表面