Nein, Wissenschaftler werden niemals in der Lage sein, den leeren Raum von den Atomen zu entfernen

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Wenn Sie ein Objekt im Universum nehmen würden, das aus normaler Materie besteht — alles, was ein Mensch berühren, sehen oder auf andere Weise eine Wechselwirkung mit unserem Körper feststellen könnte —, würden Sie feststellen, dass Sie es in immer kleinere Komponenten zerlegen könnten. Ein ganzer menschlicher Körper kann in Organe zerlegt werden, die wiederum aus Zellen bestehen. Jede Zelle besteht aus Organellen, die kleinere Strukturen mit spezialisierten Funktionen sind, und die Organellen sind auf Wechselwirkungen angewiesen, die auf molekularer Ebene auftreten.

Die Gesamtheit der Moleküle bilden Atome: die kleinste Komponente der normalen Materie, die den individuellen Charakter und die Eigenschaften des betreffenden Elements beibehält. Elemente werden durch die Anzahl der Protonen im Kern jedes Atoms definiert, wobei ein Atom aus Elektronen besteht, die diesen Kern umkreisen. Aber trotz der Tatsache, dass Atome größtenteils leerer Raum sind, gibt es keine Möglichkeit, diesen Raum zu entfernen. Hier ist die Geschichte, warum.

Von makroskopischen Skalen bis hin zu subatomaren spielen die Größen der fundamentalen Teilchen nur eine geringe Rolle bei der Bestimmung der Größen von Verbundstrukturen. Stattdessen sind es die Kraftgesetze und wie sie zwischen Teilchen interagieren, die von diesen Wechselwirkungen beeinflusst (oder unter ihnen geladen) werden, und das bestimmt, wie sich fundamentalere Strukturen zusammenbinden, um größere aufzubauen. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE-TEAM)

Ein Atom besteht auf der grundlegendsten Ebene aus einem positiv geladenen Atomkern, dessen Volumen extrem winzig ist. Für jedes Proton im Atomkern gibt es ein gleiches und entgegengesetztes Ladungsquantum, das es umkreist und ein insgesamt neutrales System erzeugt: das Elektron.

Doch während der Atomkern auf ein extrem kleines Volumen beschränkt ist — der Durchmesser eines Protons liegt bei etwa 1 Femtometer oder 10 ^ -15 m —, nehmen die umlaufenden Elektronen, die selbst punktförmige Teilchen sind, in allen drei Dimensionen ein Volumen von ungefähr 1 ångstrom (10 ^ -10 m) ein.

Das erste Experiment, das diesen enormen Unterschied demonstrierte, ist mehr als ein Jahrhundert alt, als der Physiker Ernest Rutherford ein dünnes Blatt Goldfolie mit radioaktiven Partikeln bombardierte.

Rutherfords Goldfolienexperiment zeigte, dass das Atom größtenteils leerer Raum war, aber dass es an einem Punkt eine Massenkonzentration gab, die weit größer war als die Masse eines Alphateilchens: der Atomkern. VON CHRIS IMPEY)

Was Rutherford tat, war einfach und unkompliziert. Das Experiment begann mit einem ringförmigen Apparat, der Partikel erkennen sollte, die aus jeder Richtung darauf treffen. In der Mitte des Rings wurde dünn gehämmerte Goldfolie von einer Dicke platziert, die so klein war, dass sie mit Werkzeugen des frühen 20.Jahrhunderts nicht gemessen werden konnte: wahrscheinlich nur ein paar hundert oder tausend Atome breit.

Außerhalb des Rings und der Folie wurde eine radioaktive Quelle platziert, so dass sie die Goldfolie aus einer bestimmten Richtung bombardieren würde. Die Erwartung war, dass die emittierten radioaktiven Partikel die Goldfolie so sehen würden, wie ein aufladender Elefant ein Stück Seidenpapier sehen würde: Sie würden einfach durchgehen, als wäre die Folie überhaupt nicht da.

Dies stellte sich jedoch nur für die meisten radioaktiven Partikel heraus. Einige von ihnen — klein an Zahl, aber von entscheidender Bedeutung — verhielten sich, als wären sie von etwas Hartem und Unbeweglichem abgeprallt.

Wenn Atome aus kontinuierlichen Strukturen bestehen würden, würde erwartet, dass alle Partikel, die auf ein dünnes Goldblech abgefeuert werden, es passieren. Die Tatsache, dass ziemlich häufig harte Rückstöße beobachtet wurden, die sogar dazu führten, dass einige Teilchen aus ihrer ursprünglichen Richtung zurückprallten, half zu veranschaulichen, dass jedem Atom ein harter, dichter Kern innewohnte. (KURZON / WIKIMEDIA COMMONS)

Einige von ihnen zerstreuten sich auf die eine oder andere Seite, während andere in ihre Herkunftsrichtung zurückprallten. Dieses frühe Experiment lieferte den allerersten Beweis dafür, dass das Innere eines Atoms keine feste Struktur war, wie bisher angenommen, sondern aus einem extrem dichten, kleinen Kern und einer viel diffuseren äußeren Struktur bestand. Wie Rutherford selbst bemerkte, Jahrzehnte später zurückblicken,

“ Es war das unglaublichste Ereignis, das mir je in meinem Leben passiert ist. Es war fast so unglaublich, als ob Sie eine 15-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier abgefeuert hätten und es kam zurück und traf Sie.“

Diese Art von Experiment, bei dem Sie ein Teilchen mit niedriger, mittlerer oder hoher Energie auf ein Verbundteilchen abfeuern, wird als tiefe inelastische Streuung bezeichnet und bleibt unsere beste Methode, um die innere Struktur eines Teilchensystems zu untersuchen.

Wenn Sie zwei beliebige Partikel miteinander kollidieren, untersuchen Sie die innere Struktur der kollidierenden Partikel. Wenn einer von ihnen nicht fundamental ist, sondern eher ein zusammengesetztes Teilchen, können diese Experimente seine innere Struktur offenbaren. Hier soll ein Experiment zur Messung des Streusignals Dunkle Materie / Nukleon durchgeführt werden; tiefeninelastische Streuexperimente dauern bis heute an. (DARK MATTER OVERVIEW: COLLIDER, DIREKTE UND INDIREKTE DETEKTION) – QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV:1605.08788)

Für das Atom, von einem einfachen wie Wasserstoff bis zu einem komplexen wie Gold, Blei oder Uran, können die Elektronen weit über die Ausdehnung des Atomkerns hinaus gefunden werden. Während ein Atomkern auf ein Volumen von etwa 1 Kubikfemtometer (10 ^ -15 Meter auf jeder Seite) beschränkt ist, kann ein Elektron probabilistisch über ein Volumen verteilt gefunden werden, das ungefähr eine Billiarde (101⁵) mal größer ist. Diese Eigenschaft ist unabhängig davon, welches Element wir betrachten, wie viele Elektronen vorhanden sind (solange es mindestens eines ist) oder mit welcher Methode wir das Elektron oder den Kern messen.

Die Tatsache, dass Atome größtenteils leerer Raum sind, ist heute selbst den meisten Schulkindern bekannt, die diese Tatsache ungefähr zur gleichen Zeit lernen, in der sie etwas über die Struktur von Atomen lernen. Wenn Sie das lernen, fragen sich viele von ihnen – wie ich sicher bin, dass sich viele von Ihnen fragen – warum Sie diesen leeren Raum nicht einfach entfernen und Atome auf viel kleinere Skalen komprimieren können, wie die Größe eines Atomkerns?

Wasserstoffdichteplots für ein Elektron in einer Vielzahl von Quantenzuständen. Während drei Quantenzahlen viel erklären könnten, muss ‚Spin‘ hinzugefügt werden, um das Periodensystem und die Anzahl der Elektronen in Orbitalen für jedes Atom zu erklären. (POORLENO / WIKIMEDIA COMMONS)

In der klassischen Welt, in der die Natur nach Regeln spielt, die wir kennen und die mit dem übereinstimmen, was unsere Intuition vorhersagt, ist es sehr einfach, die Positionen von Partikeln zu kontrollieren. Auf der Quantenebene gibt es jedoch eine grundlegende Einschränkung, die durch die Regeln der Natur festgelegt wird: die Heisenbergsche Unschärferelation.

Selbst wenn Sie alles wissen, was es über ein Elektron zu wissen gibt, das einen Atomkern umkreist, einschließlich:

  • welches Energieniveau es einnimmt,
  • was ist sein Quantenzustand,
  • und wie viele andere Elektronen gibt es in umgebenden Energieniveaus,

es wird noch eine Reihe von Eigenschaften geben, die von Natur aus unsicher sind. Insbesondere ist eine der inhärent unsicheren Eigenschaften die Position des Elektrons; Wir können nur die Wahrscheinlichkeitsverteilung darstellen, wo sich das Elektron wahrscheinlich befindet.

Eine Illustration zwischen der inhärenten Unsicherheit zwischen Position und Impuls auf Quantenebene. Es gibt eine Grenze, wie gut Sie diese beiden Größen gleichzeitig messen können, da die Multiplikation dieser beiden Unsicherheiten einen Wert ergeben kann, der größer als ein bestimmter endlicher Betrag sein muss. Wenn einer genauer bekannt ist, ist der andere inhärent weniger in der Lage, mit irgendeinem Grad an bedeutungsvoller Genauigkeit bekannt zu sein. Dieses Konzept gilt für Phase und Amplitude von Gravitationswellen. (E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS USER MASCHEN)

Der Grund dafür ist die inhärente Quantenunsicherheit zwischen Position und Impuls. Der Impuls eines Elektrons, den wir als die Bewegungseinheit eines Teilchens betrachten können, kann durch eine bestimmte Messung mit einer bestimmten Genauigkeit bekannt sein.

Je präziser jedoch Ihre impulsaufschlussreiche Messung ist, desto größer ist die inhärente Unsicherheit, die der Messvorgang der Position des Elektrons verleiht. Umgekehrt ist die Unsicherheit, die Sie im Impuls des Elektrons induzieren, umso größer, je genauer Sie versuchen, die Position des Elektrons zu messen. Sie können diese beiden Größen — Position und Impuls — nur mit begrenzter Genauigkeit gleichzeitig kennen, da eine genauere Messung eine inhärent größere Unsicherheit in der nicht gemessenen Größe erzeugt.

Wenn Sie einen Atomkern nehmen und nur ein Elektron daran binden, sehen Sie die folgenden 10 Wahrscheinlichkeitswolken für jedes Elektron, wobei diese 10 Diagramme dem Elektron entsprechen, das jedes der 1s-, 2s-, 2p-, 3s-, 3p-, 3d-, 4s-, 4p-, 4d- bzw. Wenn Sie das Elektron durch ein Myon ersetzen würden, wären die Formen gleich, aber die lineare Ausdehnung jeder Dimension wäre um ungefähr den Faktor 200 kleiner. (GEEK3 / WIKIMEDIA COMMONS)

Das Elektron nimmt aus zwei Gründen natürlich das große Volumen ein, das wir um den Atomkern erwarten.

  1. Die Größe der Wahrscheinlichkeitswolke, die das Elektron einnimmt, hängt vom Ladungs-Masse-Verhältnis des Elektrons ab. Mit der gleichen Ladung wie das Proton, aber nur 1/1836 der Masse, kann selbst die ultrastarke elektromagnetische Kraft das Elektron nicht auf ein kleineres Volumen beschränken, als wir sehen.
  2. Die nach außen gerichtete Kraft, die ein Elektron auf einen Atomkern komprimiert und die äußeren Komponenten der Wahrscheinlichkeitswolke einschränkt, ist selbst für Atome, die in einem ultrastarken Gitter miteinander verbunden sind, extrem gering. Die Kräfte zwischen den Elektronen in zwei verschiedenen Atomen, auch in Atomen, die miteinander verbunden sind, ist sehr klein im Vergleich zu der Kraft zwischen dem Atomkern und einem Elektron.

Jeder dieser Gründe gibt uns Hoffnung auf eine Problemumgehung, die in der Praxis funktioniert, jedoch nur begrenzt anwendbar ist.

Ob in einem Atom, Molekül oder Ion, die Übergänge von umkreisenden Teilchen von einem höheren Energieniveau zu einem niedrigeren Energieniveau führen zur Emission von Strahlung bei einer ganz bestimmten Wellenlänge. Wenn Sie die Standard-Umkreisteilchen (Elektronen) durch schwerere, instabile (Myonen) ersetzen, nimmt die radiale Größe des Atoms ungefähr um das Massenverhältnis des schwereren Teilchens zum leichteren Teilchen ab, so dass myonische Atome in jeder der drei räumlichen Dimensionen ~ 200 Mal kleiner sind als elektronische Standardatome. (GETTY BILDER)

Sie können das Elektron durch ein massereicheres Teilchen mit derselben elektrischen Ladung ersetzen. Es gibt zwei elektronenähnliche Teilchen, die im Standardmodell mit der gleichen Ladung wie das Elektron existieren: das Myon und das Tau. Das Myon ist etwa 200 mal so massiv wie ein Elektron, und so ist ein Atom aus myonischem Wasserstoff (mit einem Proton für einen Kern, aber einem Myon anstelle eines Elektrons, das es umkreist) etwa 200 mal kleiner als Standardwasserstoff.

Wenn Sie myonischen Wasserstoff an eine Reihe anderer Atome binden, dienen diese als Katalysator für die Kernfusion, so dass sie mit viel niedrigeren Temperaturen und Energien als die Standardfusion ablaufen kann. Myonen leben jedoch nur etwa 2 Mikrosekunden, bevor sie abklingen, und das massereichere Tau lebt weniger als eine Pikosekunde. Diese exotischen Atome sind zu vergänglich, um lange nützlich zu bleiben.

Wenn sonnenähnlichen Sternen mit geringerer Masse der Treibstoff ausgeht, blasen sie ihre äußeren Schichten in einem planetarischen Nebel ab, aber das Zentrum zieht sich zu einem weißen Zwerg zusammen, der sehr lange braucht, um in die Dunkelheit zu verblassen. Der planetarische Nebel, den unsere Sonne erzeugen wird, sollte nach ungefähr 9, 5 Milliarden Jahren vollständig verschwinden, nur noch der weiße Zwerg und unsere restlichen Planeten. Gelegentlich werden Objekte gezeitentechnisch auseinandergerissen und staubige Ringe zu den Überresten unseres Sonnensystems hinzugefügt, aber sie werden vorübergehend sein. Der weiße Zwerg wird sich viel, viel schneller drehen als unsere Sonne derzeit, aber mit einer erwarteten Masse von etwa 0,5 Sonnenmassen bleiben die Atome im Kern des weißen Zwergs, obwohl sie im Vergleich zu den Standardatomen, die wir heute auf der Erde finden, komprimiert sind, stabil. (MARK KNOBLAUCH / UNIVERSITÄT VON WARWICK)

Alternativ können Sie den Druck auf die Atome enorm erhöhen, indem Sie unglaubliche Mengen an Masse an einem einzigen Ort im Raum anhäufen. Ein einzelnes Atom isoliert könnte nur einen Ångstrom groß sein, aber wenn Sie einen Stern im Wert von Material um ihn herum stapeln, wird dieses Atom einen äußeren Druck verspüren, der das Elektron „zusammendrückt“, um ein viel begrenzteres Volumen einzunehmen.

Je größer der Druck, desto begrenzter sind die Elektronen und desto kleiner sind die Atome in Bezug auf die physikalische Ausdehnung. Es gibt eine Grenze für den Außendruck, dem die Atome standhalten können, bevor die gleiche Katastrophe wie früher eintritt: Die Atomkerne kommen so nahe zusammen, dass sich ihre Wellenfunktionen überlappen und eine Kernfusion auftreten kann. In einem weißen Zwerg tritt diese Schwelle bei etwa 1,4 Sonnenmassen auf; Überschreiten Sie es, und Sie werden eine außer Kontrolle geratene Fusionsreaktion auslösen, die in diesem Fall zu einer Typ-Ia-Supernova führt.

Zwei verschiedene Möglichkeiten, eine Supernova vom Typ Ia zu erzeugen: das Akkretionsszenario (L) und das Fusionsszenario (R). Ohne einen binären Begleiter könnte unsere Sonne niemals zur Supernova werden, indem sie Materie akkretiert, aber wir könnten möglicherweise mit einem anderen weißen Zwerg in der Galaxie verschmelzen, was uns schließlich zu einer Supernova-Explosion vom Typ Ia führen könnte. Wenn ein weißer Zwerg eine kritische Schwelle (1,4 Sonnenmasse) überschreitet, kommt es spontan zu einer Kernfusion zwischen benachbarten Atomkernen im Kern. (NASA / CXC / M. WEISS)

Es könnte ein entzückender Science-Fiction-Traum sein, den leeren Raum von Atomen zu entfernen und das Volumen, das Materie einnimmt, um Millionen, Billionen oder sogar mehr zu verringern. Es ist jedoch nicht so, dass die Elektronen, die den Kern umkreisen, von Natur aus ein extrem großes Raumvolumen einnehmen, sondern dass die den Teilchen innewohnenden Quanteneigenschaften — Massen, Ladungen, Wechselwirkungsstärke und Quantenunsicherheit — alle zusammen die Atome bilden, die in unserem Universum existieren.

Selbst wenn wir ein stabiles, schwereres Gegenstück des Elektrons oder die Fähigkeit hätten, Materie in beliebig dichte Zustände zu komprimieren, würden wir auf eine Quantenschwelle stoßen, bei der die Atomkerne in den Zentren der Atome spontan verschmelzen würden, was verhindert, dass stabile Konfigurationen mehrerer Atome überhaupt existieren. Die Tatsache, dass unsere Atome größtenteils leerer Raum sind, erlaubt die Existenz von Molekülen, Chemie und Leben.

Das Entfernen des leeren Raums von Atomen mag ein lustiges Gedankenexperiment sein, aber Atome sind aufgrund der Regeln des Universums so groß, wie sie sind. Unsere Existenz hängt davon ab, dass dieser leere Raum vorhanden ist, aber wenn die Konstanten der Natur die Werte haben, die sie haben, machen Sie sich keine Sorgen. Es kann nicht anders sein.