Ich denke, die anderen Antworten, in denen die Elektrostatik erwähnt wird, erfassen die Physik hinter den Dingen, die korrekt starr sind.Ich wollte jedoch speziell auf Ihre Frage hinweisen: "Warum sind sie starr, wenn sie größtenteils Vakuum sind?"Ich möchte Ihre Aufmerksamkeit auf Guyed Masts lenken:

Ein Abspannmast ist ein Turm, dessen Steifigkeit von mehreren Abspanndrähten abhängt, die ihn umgeben.Wenn Sie den Mast im obigen Bild als starre Struktur behandeln, müssen Sie auch die Abspannseile einbeziehen.Wenn Sie sie nicht einbeziehen, würde sich der Turm biegen und zusammenbrechen.Und wenn Sie sich die gesamte Struktur ansehen, ist fast alles leere Luft zwischen den Drähten.

Dies zeigt, warum die Dinge starr sind.Wenn die elektrostatischen Kräfte zwischen Atomen in einer stabilen Konfiguration konfiguriert sind, wie der Mast mit Abspanndrähten stabil ist, kann er starr sein, obwohl der größte Teil davon ein leerer Raum ist.Es ist die Struktur, die die Dinge starr macht oder nicht.

Objekte fühlen sich fest an, weil das, was makroskopisch als Kontakt zwischen zwei Objekten wahrgenommen wird, eine elektrostatische Abstoßung zwischen den Elektronen der Materialien ist.Diese Felder haben Bereiche, die deutlich größer sind als der Durchmesser eines Atoms.Obwohl der größte Teil des Raums leer ist, wirken diese "weitreichenden" Kräfte als potenzielle Barrieren, die uns als festes Material erscheinen.

"Vakuum" ist nur eine Abstraktion.Wenn Sie sich ein Atom als Vakuum vorstellen, mit Ausnahme der Elektronen, Protonen und Neutronen, die kleine Kugeln sind, die kein Vakuum sind, ist das falsch.Das Strukturmuster wiederholt sich innerhalb dieser Partikel: In ihnen befindet sich mehr solches Vakuum.

Wenn sich zwei durch einen Abstand getrennte Elektronen gegenseitig abstoßen, wie können wir dann den Raum zwischen ihnen als leer betrachten: Ist er nicht mit etwas gefüllt, nämlich dem elektrischen Feld?

Das makroskopische Phänomen der Starrheit ist nur die Wechselwirkung von Kraftfeldern gemäß Gleichungen.

Objekte auf Ihrem Computerbildschirm können starr erscheinen.Wenn Sie beispielsweise ein Objekt nicht aus dem Fenster einer Anwendung ziehen können, scheint der Rand des Fensters eine undurchdringliche Barriere zu sein.Das ist nur das Ergebnis der Anwendung von Regeln.Der zu visualisierende Raum ist völlig imaginär.

Die Steifheit der Materie beruht auf einer Kombination von zwei Effekten: elektrostatische Abstoßung und Pauli-Abstoßung.Die Pauli-Abstoßung ist der Grund, warum nur zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin dasselbe Orbital besetzen können.Somit besetzen Elektronen in Atomen Schalen und befinden sich nicht alle in einem gemeinsamen 1s-Orbital, was das Atomvolumen drastisch reduzieren würde.Außerdem wird verhindert, dass sich zwei Atome im Raum überlappen.Eine Welt ohne Pauli-Abstoßung ist kaum vorstellbar.

Feste Objekte sind aufgrund der elektrostatischen Abstoßung von Elektronen in nahe gelegenen Atomen starr.

Die Starrheit beruht auf den Wechselwirkungen von Atomen.Wenn Sie beispielsweise Ihre Hand über den Tisch bewegen, interagieren Ihre Atome mit den Atomen des Tisches.Ihre Atome nehmen weder den gleichen Raum ein als die Atome des Tisches, noch werden die Atome miteinander verwoben.Dies ist hauptsächlich auf die elektrostatische Abstoßung und das Pauli-Ausschlussprinzip zurückzuführen.

Was ist "Starrheit"? Auf der makroskopischen Skala könnten wir es mit der Federkonstante einer Feder oder allgemeiner mit dem Hookeschen Gesetz vergleichen, das eine Beziehung zwischen Spannung, Dehnung und dem Elastizitätsmodul eines Objekts beschreibt.

Objekte sind starr, wenn eine Spannung, d. h. Kraft oder Druck, nur geringe Verzerrungen der relativen Position der Partikelbestandteile hervorruft.

Ohne Stress existiert ein Objekt in mehreren möglichen Materiezuständen: fest, flüssig, gasförmig und Plasma. Wir haben nur bei Festkörpern Steifheit, obwohl das Konzept in gewissem Maße für die anderen bei hohen Drücken gilt.

Objekte werden durch die intermolekularen Kräfte der Molekülbestandteile zusammengehalten. Moleküle werden durch ionische und kovalente Bindung ihrer Atome zusammengehalten. Die Atome werden durch elektrostatische Kraft und das Pauli-Ausschlussprinzip zusammengehalten.

Alle diese Wechselwirkungen führen zu einer Gleichgewichtsposition für die beteiligten Partikel.

In einem Gleichgewichtszustand können Partikel unter Verwendung der Lösungen eines Quantenharmonischen Oszillators über ihren Gleichgewichtspunkt beschrieben werden. Dies impliziert einen Federkonstantenwiderstand, das Hookesche Gesetz.

Objekte sind also im Gegensatz zu Flüssigkeiten oder Festkörpern starr, wenn die Wellenfunktion ihrer Partikelbestandteile mithilfe der Wellenfunktionen des harmonischen Oszillators beschrieben werden kann. Dies resultiert wiederum aus den kinetischen Energien der Partikel, die die attraktiven elektrostatischen Bindungen nicht ausgleichen.

Wir sollten also ein Maß für die Steifigkeit erhalten, indem wir die Bindungsenergien der Partikel, die einem Wechselwirkungspunkt am nächsten liegen, mitteln, verdoppeln und dann durch den mittleren quadratischen Abstand dieser interagierenden Partikel dividieren.

Die Energie eines elektromagnetischen Feldes ist $ u = \ frac {\ epsilon_0} {2} E ^ 2 + \ frac {1} {2 \ mu_0} B ^ 2 $ span>

Eine anständige Vermutung könnte also $ k \ approx \ frac {2 (-<u> + \ frac {3} {2} nRT)} {<r ^ 2>} $ span sein >

Das Feld ist nicht unabhängig von der Temperatur, also $ <u> = f (T) $ span>.Dies könnte dazu dienen, einen Schmelzpunkt zu messen.

Things erscheinen aufgrund der Art und Weise, wie Elektronen mit interagieren, starr

Wenn Sie die Wechselwirkungen zwischen Dingen verstehen, können Sie verstehen, warum Atome, die hauptsächlich aus leerem Raum bestehen, nicht in etwas Kleineres zusammenfallen.

Dies ist komplizierter als nur zu sagen, dass es um elektrostatische Abstoßung geht. Und Sie können Quantenmaterial in der Antwort nicht vermeiden.

Im ersten Teil der Antwort muss gefragt werden, warum einzelne Atome so viel mehr Platz beanspruchen als ihre nackten Komponenten, wenn sie alleine betrachtet würden. Einfache Modelle von Atomen (wie das ursprüngliche "planetarische" Modell, bei dem Elektronen aufgrund elektrostatischer Kräfte den Kern "umkreisen") erklären dies nicht gut. Ein besseres, aber unvollständiges Bild dessen, was wirklich vor sich geht, sieht Elektronen als stehende Wellen vor. Das Bild einer stehenden Welle hat den Vorteil, dass die grundlegende Quantisierung der möglichen Formen von Elektronenbahnen um einen Kern erfasst wird. Es sind nur bestimmte Formen möglich (denken Sie an die möglichen Schwingungen in einer Violinsaite fester Länge, obwohl sich die Elektronen in drei Dimensionen bewegen, nicht in den beiden einer Saite).

Elektronen kollabieren nicht in den Kern, weil es eine möglichst einfache stehende Welle gibt, die eine bestimmte Form hat. Die Regeln für Elektronen erlauben nur zwei Elektronen, dieses einfachste geformte Orbital zu besetzen, und nur, wenn sie entgegengesetzte Spins haben. Fügen Sie mehr Elektronen hinzu und sie müssen sich komplexer verhalten (wie die Harmonischen höherer Ordnung auf einer vibrierenden Saite). Diese haben immer komplexere Formen. Diese Formen definieren die Größe und Geometrie eines Atoms und die Tatsache, dass die kleinere mögliche stehende Welle viel größer als die Größe eines Kerns ist, erklärt, warum Atome größtenteils leere Räume sind.

Im zweiten Teil wird darüber nachgedacht, was passiert, wenn Atome interagieren. Wenn Atome interagieren, interagieren diese Elektronen . Und die Ergebnisse dieser Wechselwirkungen werden schnell kompliziert, weshalb es einen ganzen wissenschaftlichen Schüler gibt, der sowohl Chemie als auch Physik genannt wird. Der wichtige Punkt ist jedoch, dass die stehenden Wahlwellen um Moleküle komplexer sind als die um nackte Einzelatome, aber bestimmte Formen haben: Die stehenden Wellen von Elektronen definieren die 3D-Form und -Größe von Molekülen.

Wenn diese Moleküle mit anderen Molekülen interagieren, sind diese Formen und Größen von Bedeutung. Viele verschiedene Arten der Interaktion sind möglich: einige leicht attraktiv, andere stark abstoßend. Wenn Sie eine normale Tischplatte berühren, werden die Moleküle Ihrer Hand von den Molekülen des Tisches stark abgestoßen. Wenn Sie mit Kleinkindern leben, werden diese möglicherweise von den Oberflächenmolekülen des Tisches angezogen. Die Hauptursache für die Größe sind jedoch die stehenden Wellen von Elektronenorbitalen, deren Form durch diese Quantenbeschränkungen für mögliche Wege bestimmt wird, wie Elektronen um Kerne passen können.

Es gibt verschiedene Modelle, die erklären, welche Kräfte bei der Wechselwirkung von Molekülen empfunden werden. Aber sie alle beinhalten subtile Änderungen in der Form der Elektronenwolken um die Moleküle. Dies ist jedoch in der Regel komplexer als nur "elektrostatische Abstoßung", da die Wolken bestimmte Formen (letztendlich erklärt durch die möglichen stehenden Wellen in Atomen) und unterschiedliche Verteilungen der Elektronendichte haben (die positiven Ladungen der Kerne sind nicht immer genau durch den Durchschnitt ausgeglichen Elektronenverteilung, die zum Beispiel einige elektrische Dipole erzeugt). Und einige Elektronenwolken sind "schlaffer" als andere, was es Quantenfluktuationen erleichtert, vorübergehende Anziehungskräfte oder Abstoßungen zu erzeugen (von Chemikern manchmal als Londoner Streitkräfte bezeichnet).

Aber der wichtige Punkt ist, dass bei Berührung von Festkörpern die Dinge, die interagieren, Elektronenwolken in verschiedenen Molekülen sind.Diese haben Form, Größe und andere Eigenschaften, die letztendlich durch die Quantenregeln bestimmt werden, die die möglichen "stehenden Wellen" einschränken, die von Elektronen besetzt werden können.Die Details dieser Wellen bestimmen, ob etwas fest oder flüssig ist und ob es klebrig oder starr ist.