Это не совсем так. Вернее, совсем не так. Атомы «сферами» не являются. Их изображают сферами, потому что так удобно их представлять. Электроны и фотоны вообще не имеют размера, и поэтому тоже не являются сферическими. Однако, когда нам нужно их как-то изобразить, наш выбор падает на сферу.
Позвольте мне дать несколько неформальный ответ:
Атом — это сложный набор элементов, состоящий (как правило) из множества протонов и нейтронов, а также ряда электронных оболочек. Многие из «орбиталей» не являются сферическими, но (в зависимости от углового момента) имеют много разных «форм».
Что это за форма?
Это просто экстраполяция из распределения вероятностей, заданная волновой функцией.
Есть некоторые области, где электрон будет обнаружен с высокой долей вероятности, и есть много областей, где он, скорее всего, обнаружен не будет. Это, вместе с принципом исключения Паули, делает атом «размерным».
Все элементарные частицы, насколько нам известно из экспериментальных данных, точечные (т. е. не имеют никакого размера). Однако атомы, протоны и электроны, мы изображаем сферическими. Почему? Это на самом деле связано с тем, насколько особенна сфера.
Все фундаментальные силы, по-видимому, зависят от взаимодействия частиц, где сила уменьшается с расстоянием. Этого стоит ожидать, если мы не хотим странных нелокальных теорий.
Представьте себе заряженную частицу, к примеру — протон или электрон. Вокруг этой частицы есть особое энергетическое поле. В этом поле есть места, где энергия одинакова — это сфера вокруг частицы.
Сфера — это геометрическая фигура, где каждая точка находится на одинаковом расстоянии от центра. Как, например, поверхность воздушного шара: любая точка на нем равноудалена от центра.
В природе существует правило: сложные объекты (например, атомы или молекулы) стремятся занять такое положение, где их энергия минимальна. И когда энергия минимальна, эти объекты по форме становятся похожими на сферы.
Проще говоря, если что-то в природе находится в состоянии с наименьшей энергией, оно старается «сжаться» в шарик — так энергетически выгоднее существовать.
И напоследок. Когда частица локализована, имеет смысл спросить, взаимодействует ли она одинаково во всех направлениях или у нее есть предпочтительное направление. Если она взаимодействует одинаково во всех направлениях, она сферически симметрична. Но большинство частиц таковыми не являются. Например, электрон имеет спин и соответствующий магнитный момент, поэтому способ его взаимодействия с другими частицами зависит от его ориентации. Так что нет, он сферически не симметричен.
