Di Dalam Atom, Hampir Semuanya Ruang Kosong?

Bandingkan saiz nukleus dengan saiz keseluruhan atom, dan angka yang terhasil memang menakjubkan: jika nukleus sebiji atom hidrogen dibesarkan sehingga sebesar biji epal, awan elektron di sekelilingnya akan terbentang sejauh beberapa kilometer. Dari segi perbandingan saiz, hampir keseluruhan isi padu atom terdiri daripada kawasan di luar nukleus itu. Fakta ini sering dipetik untuk mencetuskan rasa kagum, dan ia betul. Tetapi mengatakan kawasan ini "kosong" memerlukan penjelasan lanjut, kerana ia bukan ruang tanpa sebarang struktur fizikal. Ada satu perkataan dalam kenyataan itu yang perlu diteliti dengan lebih dekat: kosong.

Apa yang sebenarnya mengisi ruang itu

Ruang di antara nukleus dan "tepi" atom bukan vakum yang benar-benar tiada apa-apa di dalamnya. Ia diisi oleh medan elektromagnet nukleus dan elektron itu sendiri, serta taburan kebarangkalian yang menunjukkan kawasan tempat elektron itu berkemungkinan besar dikesan (rujuk rencana "Apa Itu Atom, Sebenarnya?" untuk penjelasan penuh tentang taburan ini). Elektron bukan zarah pepejal kecil yang duduk pada satu titik tetap seperti gambaran lama. Dalam mekanik kuantum, keadaan elektron diterangkan melalui taburan kebarangkalian yang menunjukkan kawasan yang lebih berkemungkinan menjadi tempat elektron dikesan, dan taburan itu merentasi keseluruhan ruang di sekeliling nukleus, bukan hanya pada satu titik.

Ini bermakna kenyataan "atom kebanyakannya ruang kosong" tepat jika yang dimaksudkan ialah: kebanyakan isi padu atom tidak ditempati oleh jirim pepejal berketumpatan tinggi seperti nukleus. Tetapi ia mengelirukan jika ditafsirkan sebagai "kebanyakan atom ialah kekosongan mutlak, tiada apa-apa langsung", kerana medan elektromagnet dan keadaan kuantum elektron menerangkan sifat fizikal yang menentukan bagaimana atom berinteraksi, dan ia jugalah sebabnya jirim pepejal terasa pejal apabila disentuh.

Jika begitu, kenapa jirim terasa pejal apabila disentuh?

Apabila anda meletakkan tangan di atas meja, tangan anda tidak menembusinya walaupun kedua-duanya "kebanyakannya ruang". Sebabnya bukan kerana atom-atom itu bertembung secara fizikal seperti bola-bola kecil, tetapi terutamanya kerana awan elektron atom-atom di permukaan tangan dan atom-atom di permukaan meja saling menolak antara satu sama lain (cas negatif menolak cas negatif) apabila cuba bertindih, bersama kesan kuantum seperti prinsip pengecualian Pauli yang menghalang elektron menduduki keadaan kuantum yang sama. Daya tolak elektromagnet inilah yang memberi rasa "pejal" dan "tegar" pada jirim, bukan sebarang jirim pepejal yang benar-benar bersentuhan tanpa ruang di antaranya.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?