Ne, Vědci nebudou Nikdy Schopni Odstranit Prázdný Prostor Z Atomů

Pokud jste byli, aby se každý objekt ve Vesmíru, který je z normální hmoty — něco, co člověk mohl dotknout, vidět, nebo jinak zjistit, interakce s pomocí našich těl — zjistil bys, že bys mohl rozdělit do menších a menších součástí. Celé lidské tělo může být rozděleno na orgány, které jsou zase tvořeny buňkami. Každá buňka se skládá z organel, které jsou menší struktury s specializované funkce, a organely jsou závislé na interakcích, které se vyskytují na molekulární úrovni.

Skládání kompletní sadu molekul jsou atomy: nejmenší součást normální záležitost, která zachovává individuální charakter a vlastnosti prvku v úvahu. Prvky jsou definovány počtem protonů v jádru každého atomu, kde atom sestává z elektronů obíhajících kolem tohoto jádra. Ale navzdory skutečnosti, že atomy jsou většinou prázdný prostor uvnitř, neexistuje žádný způsob, jak odstranit tento prostor. Tady je příběh proč.

atom, na nejzákladnější úrovni, se skládá z kladně nabitého atomového jádra, které má extrémně malý objem. Pro každý proton V atomovém jádru existuje stejné a opačné kvantum náboje, které obíhá kolem něj a vytváří celkově neutrální systém: elektron.

Přesto, vzhledem k tomu, že atomové jádro je omezena na velmi malý objem — průměr protonu je kolem 1 femtometer, nebo 10^-15 m — obíhající elektrony, které jsou samy o sobě smysl-jako částice, zaujímají objem, který je přibližně 1 ångstrom (10^-10 m) ve všech třech rozměrech.

první experiment, který prokázal, že je obrovský rozdíl je více než století starý, když fyzik Ernest Rutherford bombardoval tenký list zlaté fólie s radioaktivní částice.

to, co Rutherford udělal, bylo jednoduché a přímočaré. Experiment začal prstencovým přístrojem určeným k detekci částic, které se s ním setkávají z jakéhokoli směru. Ve středu prstence, tence tloukl zlatá fólie byla umístěna o tloušťce tak malé, že nebylo možné měřit pomocí nástrojů z počátku 20. století: pravděpodobně jen několik set nebo tisíc atomů napříč.

vně prstence i fólie byl umístěn radioaktivní zdroj, aby bombardoval zlatou fólii z jednoho konkrétního směru. Očekávání bylo, že emitované radioaktivní částice uvidí zlatou fólii tak, jak by nabíjecí slon viděl kus hedvábného papíru: prostě by prošli skrz, jako by tam fólie vůbec nebyla.

ale ukázalo se, že to platí pouze pro většinu radioaktivních částic. Několik z nich-malého počtu, ale životně důležitých-se chovalo, jako by se odrazili od něčeho tvrdého a nehybného.

Některé z nich rozptýleny na jednu nebo druhou stranu, zatímco ostatní se odrazit zpět směrem k směr jejich původu. Tento raný experiment poskytl první důkaz, že uvnitř atomu nebyla pevnou strukturu jako dříve představoval, ale spíše se skládala z velmi husté, malé jádro a mnohem více difúzní vnější struktury. Jak poznamenal sám Rutherford, ohlédl se o desetiletí později,

„byla to ta nejneuvěřitelnější událost, která se mi v životě přihodila. Bylo to skoro stejně neuvěřitelné, jako kdybyste vystřelili 15palcovou skořápku na kus hedvábného papíru a vrátil se a zasáhl vás.“

Tento typ experimentu, kde si požár nízké, střední nebo vysoké energie částic v kompozitních částic, je znám jako hluboce nepružný rozptyl, a to zůstává naší nejlepší metoda pro zkoumání vnitřní struktury každého systému částic.

Pro atom, od jednoduchého jeden, jako je vodík, aby komplexní, jako je zlato, olovo nebo uran, elektrony, lze nalézt daleko větší míře, než atomové jádro. Vzhledem k tomu, že atomové jádro je omezen na množství, které je o 1 krychlový femtometer (10^-15 metrů na každé straně), elektron může být nalezen distribuovány probabilistically nad objem, který je přibližně kvadrilion (101⁵) krát větší. Tato vlastnost je nezávislá na tom, který prvek považujeme, počet přítomných elektronů (pokud je alespoň jeden) nebo jakou metodu používáme k měření elektronu nebo jádra.

skutečnost, že atomy jsou většinou prázdným prostorem, je dnes známa i většině školáků, kteří se tuto skutečnost dozvědí přibližně ve stejnou dobu, kdy se dozvědí o struktuře atomů. Na učit se toto, mnoho z nich divit — jak jsem si jist, že mnozí z vás zajímalo — proč nemůžeš jen tak odstranit, že prázdný prostor a kompaktní atomy dole na mnohem menší váhy, jako je velikost atomového jádra?

V klasickém světě, kde příroda hraje podle pravidel, že jsme obeznámeni s, a že zápas s naší intuice, předpovídá, je to velmi snadné ovládání pozice částice. Ale na kvantové úrovni existuje základní omezení stanovené přírodními pravidly: Heisenbergův princip neurčitosti.

I když víte, všechno tam je vědět o elektron obíhající kolem atomového jádra, včetně:

• co se hladina energie to zabírá,
• co se jeho kvantový stav je,
• a jak mnoho dalších elektrony jsou v okolní energetické hladiny,

tam bude stále řadu vlastností, které jsou ze své podstaty nejisté. Zejména jednou z inherentně nejistých vlastností je poloha elektronu; můžeme pouze vykreslit rozložení pravděpodobnosti, kde elektron pravděpodobně bude.

důvodem je vlastní kvantová nejistota mezi polohou a hybností. Hybnost elektronu, o které můžeme uvažovat jako o jednotce pohybu, kterou bude mít každá částice, může být s určitou přesností známa provedením specifického měření.

nicméně, čím přesnější je vaše měření odhalující hybnost, tím větší je inherentní nejistota, kterou akt měření udělí poloze elektronu. Naopak, čím přesněji se pokusíte změřit polohu elektronu, tím větší bude nejistota, kterou vyvoláte v hybnosti elektronu. Tyto dvě veličiny — polohu a hybnost-můžete znát pouze s omezenou přesností současně, protože přesnější měření vytvoří inherentně větší nejistotu v té, kterou neměříte.

elektron přirozeně zabírá velký objem, který jsme očekávali kolem atomového jádra, ze dvou důvodů.

1. velikost oblaku pravděpodobnosti, který elektron zaujímá, závisí na poměru náboje k hmotnosti elektronu. Se stejným nábojem jako proton, ale jen 1/1836. hmotou, ani ultra silná elektromagnetická síla nemůže omezit elektron na menší objem,než vidíme.
2. vnější síla kompresí elektron do atomového jádra, omezení vnější součásti pravděpodobnostní mrak, je velmi malá i pro atomy, svázané dohromady v ultra-silná mříž. Síly mezi elektrony ve dvou různých atomech, dokonce i v atomech, které jsou spojeny dohromady, jsou velmi malé ve srovnání se silou mezi atomovým jádrem a elektronem.

Každý z těchto důvodů nám dává naději na řešení, které funguje v praxi, ale s omezenou použitelnost.

elektron můžete nahradit masivnější částicí se stejným elektrickým nábojem. Existují dvě elektronové částice, které existují ve standardním modelu se stejným nábojem jako elektron: muon a tau. Mion je asi 200 krát hmotnější než elektron, a tak atomu muonic vodíku (proton na jádro, ale miony místo elektron obíhá kolem ní) je asi 200 krát menší než standardní vodíku.

pokud vázáte mionický vodík na řadu dalších atomů, budou sloužit jako katalyzátor jaderné fúze, což mu umožní pokračovat s mnohem nižšími teplotami a energiemi než standardní fúze. Miony však žijí pouze po dobu ~2 mikrosekund, než se rozpadnou, a masivnější tau žije méně než pikosekundu. Tyto exotické atomy jsou příliš přechodné na to, aby zůstaly užitečné po dlouhou dobu.

Alternativně, můžete zvýšit tlak na atomy nesmírně hromadí neuvěřitelné množství hmoty v jednom místě v prostoru. Individuální atom v izolaci může být jen ångstrom ve velikosti, ale pokud máte hromadu hvězda je za materiál kolem toho, že atom se bude cítit vnějšímu tlaku, že „ždímá“ elektron zabírají mnohem více uzavřeném objemu.

čím větší je tlak, tím více jsou elektrony omezeny a čím menší jsou atomy z hlediska fyzického rozsahu. Tam je limit na vnější tlak atomy vydrží, než stejná katastrofa jako dříve dochází: atomová jádra dostat tak blízko sebe, že jejich wavefunctions překrývají a jaderné fúze může dojít. V bílého trpaslíka, tato hranice se vyskytuje v asi 1,4 hmotností slunce; překročit, a budete vítr zahájení runaway fúzní reakci, která vede v tomto případě supernovy typu Ia.

mohlo by to být nádherný sci-fi sen odstranit prázdný prostor z atomů, snížení objemu, který hmota zabírá faktory milionů, bilionů nebo dokonce více. Nicméně, není to tak, že elektrony obíhající kolem jádra ve své podstatě zaujímají extrémně velký objem prostoru, ale spíše to, že kvantové vlastnosti inherentní částic — hmoty, poplatky, síla interakce a kvantové nejistoty — to vše dohromady vytváří atomy, které existují v našem Vesmíru.

I když jsme měli stabilní, těžší protějšek elektronu, nebo schopnost komprimovat ohledu na libovolně hustou státech, narazíme na kvantové prahu, kde atomová jádra v centrech atomů samovolně pojistka, zabraňující stabilní konfigurace z více atomů od stávající. Skutečnost, že naše atomy jsou většinou prázdný prostor umožňuje existenci molekul, chemie, a život.

odstranění prázdného prostoru z atomů může být zábavný myšlenkový experiment, ale atomy jsou velikosti, které jsou kvůli pravidlům vesmíru. Naše existence je závislá na tom prázdném prostoru, který je přítomen, ale s konstantami přírody, které mají hodnoty, které dělají, nebojte se. Nemůže to být jinak.