Ei, tutkijat eivät koskaan pysty poistamaan tyhjää tilaa atomeista

BY admin
|

jos ottaisi mitä tahansa universumin esinettä, joka on tehty normaalista aineesta — mitä tahansa, mihin ihminen voisi koskea, nähdä tai muuten havaita vuorovaikutuksen kehomme kanssa — huomaisi, että sen voisi hajottaa yhä pienemmiksi komponenteiksi. Kokonainen ihmiskeho voidaan hajottaa elimiksi, jotka puolestaan koostuvat soluista. Jokainen solu koostuu organelleista, jotka ovat pienempiä rakenteita, joilla on erikoistoimintoja, ja organellit ovat riippuvaisia molekyylitasolla tapahtuvista vuorovaikutuksista.

Koko molekyylisarjan muodostavat atomit: normaalin aineen pienin komponentti, joka säilyttää kyseisen alkuaineen yksilöllisen luonteen ja ominaisuudet. Alkuaineet määritellään kunkin atomin ytimen protonien lukumäärän mukaan, jolloin atomi koostuu kyseistä ydintä kiertävistä elektroneista. Mutta huolimatta siitä, että atomit ovat enimmäkseen tyhjää tilaa sisällä, ei ole mitään keinoa poistaa sitä tilaa. Tässä tarina miksi.

makroskooppisista asteikoista aina subatomisiin asti perushiukkasten kooilla on vain pieni merkitys komposiittirakenteiden koon määrittämisessä. Sen sijaan voimalait ja miten ne vuorovaikuttavat näiden vuorovaikutusten (tai niiden alla varautuneiden) hiukkasten välillä käyttäytyvät, ja se määrää, miten perusrakenteet sitoutuvat yhteen rakentaakseen suurempia. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE-ryhmä)

atomi, alkeellisimmalla tasolla, koostuu positiivisesti varautuneesta atomiytimestä, jonka tilavuus on äärimmäisen pieni. Jokaista atomiytimen protonia kohti on yhtä suuri ja vastakkainen varauskvantti, joka kiertää sitä luoden neutraalin systeemin: elektronin.

kuitenkin, kun atomiydin on rajoittunut äärimmäisen pieneen tilavuuteen — protonin halkaisija on noin 1 femtometri eli 10^-15 m — kiertävät elektronit, jotka ovat itse pisteen kaltaisia hiukkasia, miehittävät tilavuuden, joka on noin 1 ångstrom (10^-10 m) kaikissa kolmessa ulottuvuudessa.

ensimmäinen tämän valtavan eron osoittanut koe on yli sata vuotta vanha, kun fyysikko Ernest Rutherford pommitti ohutta kultafolioarkkia radioaktiivisilla hiukkasilla.

Rutherfordin kultafoliokoe osoitti, että atomi oli enimmäkseen tyhjää tilaa, mutta että yhdessä pisteessä oli massakeskittymä, joka oli paljon suurempi kuin alfahiukkasen massa: atomiydin. (CHRIS IMPEY)

Rutherfordin teko oli yksinkertainen ja suoraviivainen. Koe alkoi rengasmaisella laitteella, joka oli suunniteltu havaitsemaan sen kohdanneet hiukkaset mistä suunnasta tahansa. Renkaan keskelle laitettiin ohuesti vasaroitu kultafolio, jonka paksuus oli niin pieni, ettei sitä voitu mitata 1900-luvun alun työkaluilla: todennäköisesti vain muutaman sadan tai tuhannen atomin läpimitta.

sekä renkaan että folion ulkopuolelle oli sijoitettu radioaktiivinen lähde, jotta se pommittaisi kultafoliota yhdestä tietystä suunnasta. Odotus oli, että säteilevät radioaktiiviset hiukkaset näkisivät kultafolion paljolti samalla tavalla kuin lataava norsu näkisi pehmopaperin: ne yksinkertaisesti menisivät läpi ikään kuin foliota ei olisi lainkaan.

, mutta tämä osoittautui todeksi vain suurimmalle osalle radioaktiivisista hiukkasista. Muutamat heistä — lukumäärältään pienet mutta elintärkeät-käyttäytyivät ikään kuin he olisivat kimpaantuneet jostakin kovasta ja järkähtämättömästä.

jos atomit olisivat muodostuneet jatkuvista rakenteista, kaikkien ohutta kultalevyä kohti ammuttujen hiukkasten odotettaisiin kulkevan suoraan sen läpi. Se seikka, että kovia rekyylejä nähtiin melko usein ja että jotkin hiukkaset jopa kimposivat takaisin alkuperäisestä suunnastaan, auttoi valaisemaan sitä, että jokaisella atomilla oli luonnostaan kova, tiheä ydin. (Kurzon / WIKIMEDIA COMMONS)

jotkut niistä hajaantuivat toiselle puolelle tai toiselle, kun taas toiset näyttivät kimpoavan takaisin kohti alkuperäsuuntaansa. Tämä varhainen koe tarjosi ensimmäiset todisteet siitä, että atomin sisus ei ollut kiinteä rakenne, kuten aiemmin kuviteltiin, vaan se koostui erittäin tiheästä, pienestä ytimestä ja paljon hajanaisemmasta ulkorakenteesta. Rutherford itse huomauttikin muistellessaan menneitä vuosikymmeniä myöhemmin,

”se oli aivan uskomattomin tapahtuma, mitä minulle on ikinä tapahtunut. Se oli melkein yhtä uskomatonta kuin jos ampuisi 15-tuumaisella kuorella pehmopaperia ja se tulisi takaisin ja osuisi.”

tällainen koe, jossa ammutaan matala -, keski-tai suurenerginen hiukkanen komposiittihiukkasessa, tunnetaan syvänä epäelastisena sirontana, ja se on edelleen paras menetelmämme minkä tahansa hiukkasjärjestelmän sisäisen rakenteen tutkimiseen.

kun törmäät yhteen, tutkit törmäävien hiukkasten sisäistä rakennetta. Jos yksi niistä ei ole perustavanlaatuinen, vaan pikemminkin komposiittihiukkanen, nämä kokeet voivat paljastaa sen sisäisen rakenteen. Tässä kokeessa on tarkoitus mitata pimeän aineen / nukleonin sirontasignaalia; syväluotaava sirontakokeilu jatkuu vielä nykypäivään asti. (DARK MATTER OVERVIEW: COLLIDER, DIRECT AND INDIRECT DETECTION SEARCHES-QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV:1605.08788)

atomin elektroneja voidaan löytää paljon atomiytimen ulottumattomista yksinkertaisesta kuten vedystä monimutkaiseen atomiin, kuten kultaan, lyijyyn tai uraaniin. Siinä missä atomiydin on rajoitettu tilavuuteen, joka on noin 1 kuutiometri femtometriä (10^-15 metriä kummallakin puolella), elektroni voidaan löytää jakautuneena todennäköisyydellä tilavuudelle, joka on noin Kvadriljoona (101 hv) kertaa suurempi. Tämä ominaisuus on riippumaton siitä, mitä alkuainetta pidämme, elektronien lukumäärä läsnä (niin kauan kuin se on vähintään yksi), tai mitä menetelmää käytämme mitata elektronin tai ytimen.

se, että atomit ovat enimmäkseen tyhjää tilaa, tiedetään nykyään jopa useimmille koululaisille, jotka oppivat tämän tosiasian suunnilleen samaan aikaan, kun he oppivat atomien rakenteesta. Tämän opittuaan monet heistä ihmettelevät — kuten varmasti monet teistä-miksi tyhjää tilaa ja tiiviitä atomeja ei voi vain poistaa paljon pienemmiksi asteikoiksi, kuten atomiytimen kokoisiksi?

vedyn tiheys piirtää elektronin eri kvanttitiloissa. Vaikka kolme kvanttilukua voisi selittää paljon, ”spin” on lisättävä selittämään Jaksollinen järjestelmä ja elektronien määrä orbitaaleissa kunkin atomin. (POURLENO / WIKIMEDIA COMMONS)

klassisessa maailmassa, jossa luonto pelaa meille tutuilla säännöillä, jotka vastaavat intuitiomme ennustuksia, hiukkasten asentoja on helppo hallita. Mutta kvanttitasolla on perustavanlaatuinen rajoitus, jonka luonnon säännöt asettavat: Heisenbergin epävarmuusperiaate.

vaikka tietäisit kaiken mahdollisen atomiydintä kiertävästä elektronista, mm.:

  • mikä energiataso sillä on,
  • mikä sen kvanttitila on,
  • ja kuinka monta muuta elektronia ympäröivillä energiatasoilla on,

jäljelle jää vielä useita ominaisuuksia, jotka ovat luonnostaan epävarmoja. Erityisesti yksi luonnostaan epävarmoista ominaisuuksista on elektronin sijainti; voimme vain piirtää todennäköisyysjakauman siitä, missä elektroni todennäköisesti on.

havainnollistetaan sijainnin ja liikemäärän välinen luontainen epävarmuus kvanttitasolla. On olemassa raja, kuinka hyvin voit mitata nämä kaksi suuretta samanaikaisesti, koska kertomalla nämä kaksi epävarmuutta yhdessä voi saada arvon, joka on suurempi kuin tietty äärellinen määrä. Kun toinen tunnetaan tarkemmin, toinen on luonnostaan vähemmän tunnettu millään merkityksellisellä tarkkuudella. Tämä käsite koskee gravitaatioaaltojen vaihetta ja amplitudia. (E. Siegel / WIKIMEDIA COMMONS USER MASCHEN)

syynä tähän on paikan ja liikemäärän välinen luontainen kvanttiepävarmuus. Elektronin liikemäärä, jota voimme ajatella minkä tahansa hiukkasen liikemäärän yksikkönä, voidaan tuntea tietyllä tarkkuudella suorittamalla tietty mittaus.

kuitenkin, mitä tarkempi liikemäärän paljastava mittaus on, sitä suuremman epävarmuuden sen mittaaminen aiheuttaa elektronin sijaintiin. Päinvastoin, mitä tarkemmin yrität mitata elektronin asemaa, sitä suurempi epävarmuus syntyy elektronin liikemäärässä. Nämä kaksi suuretta — asento ja liikemäärä — voidaan tuntea yhtä aikaa vain rajatulla tarkkuudella, sillä yhden mittaaminen tarkemmin luo luonnostaan suuremman epävarmuuden siihen, jota ei mitata.

jos otit atomiytimen ja sidoit siihen vain yhden elektronin, näet seuraavat 10 todennäköisyyspilveä jokaista elektronia kohti, jossa nämä 10 diagrammia vastaavat elektronia, joka miehittää kutakin 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d ja 4F-orbitaalia. Jos elektroni korvattaisiin muonilla, muodot olisivat samat, mutta jokaisen dimension lineaarinen laajuus olisi pienempi noin kertoimella 200. (GEEK3 / WIKIMEDIA COMMONS)

elektroni täyttää luonnollisesti suuren määrän, jota olemme odottaneet atomiytimen ympärillä kahdesta syystä.

  1. elektronin miehittämän todennäköisyyspilven koko riippuu elektronin varauksen ja massan suhteesta. Samalla magnitudivarauksella kuin protoni, mutta vain 1/1836 massalla, edes ultravahva sähkömagneettinen voima ei pysty rajoittamaan elektronia pienempään tilavuuteen kuin näemme.
  2. ulkoinen voima, joka puristaa elektronin alas atomiytimeen rajoittaen todennäköisyyspilven uloimpia komponentteja, on äärimmäisen pieni myös atomeille, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa ultravahvassa hilassa. Kahden eri atomin elektronien väliset voimat, myös yhteen sitoutuneissa atomeissa, ovat hyvin pieniä verrattuna atomiytimen ja elektronin väliseen voimaan.

jokainen näistä syistä antaa meille toivoa korjauksesta, joka toimii käytännössä, mutta jota voidaan soveltaa rajoitetusti.

olipa kyseessä atomi, molekyyli tai ioni, kiertävien hiukkasten siirtymät korkeammalta energiatasolta matalammalle energiatasolle aiheuttavat säteilypäästöjä hyvin tietyllä aallonpituudella. Jos korvaat standardia kiertävät hiukkaset (elektronit) raskaammilla, epästabiileilla hiukkasilla (myonit), atomin säteittäinen koko pienenee suunnilleen raskaamman hiukkasen ja kevyemmän hiukkasen massasuhteella, jolloin muoniatomit ovat kussakin kolmessa avaruudellisessa ulottuvuudessa ~200 kertaa pienempiä kuin tavalliset elektroniatomit. (GETTY IMAGES)

elektronin voi korvata massiivisemmalla hiukkasella, jolla on sama sähkövaraus. Standardimallissa on kaksi elektronin kaltaista hiukkasta, joilla on sama varaus kuin elektronilla: muoni ja tau. Myoni on noin 200 kertaa niin massiivinen kuin elektroni, joten muonivetyatomi (jossa ydin on protoni, mutta sitä kiertävän elektronin sijasta myoni) on noin 200 kertaa pienempi kuin tavallinen vety.

jos muonivety sidotaan useisiin muihin atomeihin, ne toimivat ydinfuusion katalyyttinä, jolloin se voi edetä huomattavasti normaalia fuusiota alhaisemmilla lämpötiloilla ja energioilla. Myonit elävät kuitenkin vain ~2 mikrosekuntia ennen hajoamistaan pois, ja massiivisempi tau elää alle pikosekunnin. Nämä eksoottiset atomit ovat liian ohimeneviä pysyäkseen käyttökelpoisina pitkään.

kun pienempimassaisilta, auringon kaltaisilta tähdiltä loppuu polttoaine, ne räjäyttävät uloimmat kerroksensa planetaarisessa tähtisumussa, mutta keskusta supistuu muodostaen valkoisen kääpiön, jonka haalistuminen pimeyteen kestää hyvin kauan. Aurinkomme synnyttämän planetaarisen tähtisumun pitäisi hävitä kokonaan, kun jäljellä on enää valkoinen kääpiö ja jäännösplaneettamme noin 9,5 miljardin vuoden kuluttua. Silloin tällöin kappaleet revitään kuolettavasti kappaleiksi, mikä lisää pölyisiä renkaita aurinkokuntamme jäännöksiin, mutta ne ovat ohimeneviä. Valkoinen kääpiö pyörii paljon, paljon nopeammin kuin meidän Aurinkomme tällä hetkellä, mutta odotetun massan ollessa noin 0,5 Auringon massaa valkoisen kääpiön ytimen atomit pysyvät vakaina, vaikka ne tiivistyvätkin suhteessa maan nykyisiin standardiatomeihin. (MARK GARLICK / Warwickin yliopisto)

vaihtoehtoisesti atomeihin kohdistuvaa painetta voidaan lisätä valtavasti kasaamalla uskomattomia määriä massaa yhteen paikkaan avaruudessa. Yksittäinen atomi eristyksissä voi olla vain ångstromin kokoinen, mutta jos kasaa tähden verran materiaalia sen ympärille, tuo atomi tuntee ulkopuolisen paineen, joka ”puristaa” elektronia paljon rajallisempaan tilavuuteen.

mitä suurempi paine, sitä ahtaammat elektronit ovat ja sitä pienempiä atomit ovat fysikaalisesti. Atomien ulkoiselle paineelle on rajansa ennen aikaisempaa katastrofia: atomiytimet pääsevät niin lähelle toisiaan, että niiden aaltoliikkeet menevät päällekkäin ja ydinfuusio voi tapahtua. Valkoisessa kääpiössä tämä kynnys on noin 1,4 Auringon massaa; sen ylittäminen johtaa lopulta karanneeseen fuusioreaktioon, joka johtaa tässä tapauksessa tyypin Ia supernovaan.

kaksi eri tapaa tehdä tyypin Ia supernova: kertymisskenaario (L) ja sulautumisskenaario (R). Ilman binäärikumppania Aurinkomme ei voisi koskaan muuttua supernovaksi kertymällä aineesta, mutta voisimme mahdollisesti yhdistyä toiseen valkoiseen kääpiöön galaksissa, mikä voisi johtaa meidät sittenkin elvyttämään tyypin Ia supernovaräjähdyksessä. Kun valkoinen kääpiö ylittää kriittisen (1,4 auringon massan) kynnyksen, tapahtuu ydinfuusio spontaanisti vierekkäisten atomiytimien välille ytimessä. (NASA / CXC / M. WEISS)

voisi olla ihastuttava tieteisunelma poistaa atomeista tyhjän tilan, jolloin aineen tilavuus pienenisi miljoonien, biljoonien tai enemmänkin tekijöiden vaikutuksesta. Kyse ei kuitenkaan ole siitä, että ydintä kiertävillä elektroneilla olisi luonnostaan äärimmäisen suuri avaruus, vaan paremminkin siitä, että hiukkasille ominaiset kvanttiominaisuudet — massat, varaukset, vuorovaikutusvoima ja kvanttiepävarmuus — yhdessä luovat ne atomit, jotka ovat olemassa Maailmankaikkeudessamme.

vaikka meillä olisi vakaa, raskaampi elektronin vastine, tai kyky puristaa ainetta mielivaltaisen tiheään tilaan, törmäisimme kvanttikynnykseen, jossa atomien keskipisteissä olevat atomiytimet spontaanisti fuusioituisivat estäen useiden atomien stabiileja konfiguraatioita olemasta lainkaan. Se, että atomimme ovat enimmäkseen tyhjää tilaa, mahdollistaa molekyylien, kemian ja elämän olemassaolon.

tyhjän tilan poistaminen atomeista voisi olla hauska ajatuskoe, mutta atomit ovat sen kokoisia kuin ne ovat maailmankaikkeuden sääntöjen vuoksi. Olemassaolomme riippuu siitä, että tyhjä tila on läsnä, mutta kun luonnon vakioilla on samat arvot kuin niillä on, älä huoli. Se ei voi olla mikään muu keino.