nem, a tudósok soha nem lesznek képesek eltávolítani az üres teret az atomokból

BY admin
|

ha bármilyen tárgyat vennénk az univerzumban, ami normális anyagból készült — bármit, amit egy emberi lény megérinthet, láthat, vagy más módon észlelhet a testünk használatával való kölcsönhatást — azt találnánk, hogy fel lehet bontani kisebb és kisebb komponensekre. Egy egész emberi test szervekre bontható, amelyek viszont sejtekből állnak. Minden sejt organellákból áll, amelyek kisebb struktúrák, speciális funkciókkal, az organellák pedig a molekuláris szinten bekövetkező kölcsönhatásokra támaszkodnak.

a molekulák teljes halmazát atomok alkotják: a normál anyag legkisebb alkotóeleme, amely megőrzi a kérdéses elem egyedi jellegét és tulajdonságait. Az elemeket az egyes atomok magjában lévő protonok száma határozza meg, ahol egy atom az adott mag körül keringő elektronokból áll. De annak ellenére, hogy az atomok többnyire üres helyet tartalmaznak, nincs mód arra, hogy eltávolítsuk ezt a helyet. Itt van a történet, hogy miért.

a makroszkopikus skáláktól a szubatomikáig az alapvető részecskék mérete csak kis szerepet játszik az összetett szerkezetek méretének meghatározásában. Ehelyett az erő törvényei és azok kölcsönhatása a kölcsönhatások által befolyásolt (vagy az alattuk töltött) részecskék között, és ez határozza meg, hogy az alapvető struktúrák hogyan kötődnek össze a nagyobbak felépítéséhez. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE csapat)

egy atom, a legalapvetőbb szinten, egy pozitív töltésű atommagból áll, amelynek térfogata rendkívül kicsi. Az atommag minden protonjára egyenlő és ellentétes töltéskvantum kering körülötte, létrehozva egy teljes semleges rendszert: az elektront.

mégis, míg az atommag egy rendkívül kis térfogatra korlátozódik — a proton átmérője 1 femtométer vagy 10^-15 m körül van—, a keringő elektronok, amelyek maguk is pontszerű részecskék, mindhárom dimenzióban körülbelül 1 (10^-10 m) térfogatot foglalnak el.

az első kísérlet, amely ezt a hatalmas különbséget bizonyította, több mint egy évszázados, amikor Ernest Rutherford fizikus egy vékony aranyfóliát bombázott radioaktív részecskékkel.

Rutherford aranyfólia-kísérlete kimutatta, hogy az atom többnyire üres tér, de egy ponton a tömeg koncentrációja sokkal nagyobb volt, mint egy alfa-részecske tömege: az atommag. (CHRIS)

amit Rutherford tett, az egyszerű és egyértelmű volt. A kísérlet egy gyűrű alakú készülékkel kezdődött, amelynek célja a részecskék bármilyen irányból történő észlelése. A gyűrű közepén vékonyan kalapált aranyfóliát helyeztek el, amelynek vastagsága olyan kicsi volt, hogy a 20.század eleji eszközökkel nem lehetett mérni: valószínűleg csak néhány száz vagy ezer atom volt.

mind a gyűrűn, mind a fólián kívül radioaktív forrást helyeztek el, hogy az egy adott irányból bombázza az aranyfóliát. Az elvárás az volt, hogy a kibocsátott radioaktív részecskék ugyanúgy látják az aranyfóliát, mint egy töltő elefánt egy darab selyempapírt: egyszerűen átmennek, mintha a fólia egyáltalán nem lenne ott.

de ez csak a legtöbb radioaktív részecskére igaz. Néhányan közülük-kis számban, de életbevágóan fontosak-úgy viselkedtek, mintha valami kemény és mozdíthatatlan dologról ugrottak volna le.

ha az atomok folytonos szerkezetekből készültek volna, akkor az összes vékony aranylemezre lőtt részecske várhatóan áthaladna rajta. Az a tény, hogy a kemény visszahúzódásokat meglehetősen gyakran látták, sőt egyes részecskék visszapattanását is okozták eredeti irányukból, segített szemléltetni, hogy minden atomhoz tartozik egy kemény, sűrű mag. (KURZON / WIKIMEDIA COMMONS)

néhányan szétszóródtak az egyik vagy a másik oldalra, míg mások úgy tűnt, hogy visszapattannak a származási irányuk felé. Ez a korai kísérlet szolgáltatta az első bizonyítékot arra, hogy az atom belseje nem egy szilárd szerkezet, mint azt korábban elképzelték, hanem egy rendkívül sűrű, kicsi magból és egy sokkal diffúz külső szerkezetből állt. Ahogy Rutherford maga is megjegyezte, évtizedekkel később visszatekintve,

“ez volt a leghihetetlenebb esemény, ami valaha történt velem az életemben. Majdnem olyan hihetetlen volt, mintha egy 15 hüvelykes kagylót lőttél volna egy papírzsebkendőre, és az visszajött és eltalált.”

ez a fajta kísérlet, ahol alacsony, közepes vagy nagy energiájú részecskét tüzelünk egy összetett részecskére, mély rugalmatlan szórásnak nevezik, és továbbra is ez a legjobb módszer a részecskék bármely rendszerének belső szerkezetének vizsgálatára.

ha két részecskét összeütköztet, megvizsgálja az ütköző részecskék belső szerkezetét. Ha egyikük nem alapvető, hanem inkább összetett részecske, ezek a kísérletek feltárhatják annak belső szerkezetét. Itt egy kísérletet terveztek a sötét anyag/nukleon szórási jel mérésére; a mély rugalmatlan szórási kísérletek a mai napig folytatódnak. (Sötét anyag áttekintés: ütköző, közvetlen és közvetett észlelési keresések-QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV:1605.08788)

az atom esetében az egyszerűtől, mint a hidrogén, az olyan komplexig, mint az arany, az ólom vagy az urán, az elektronok messze túlmutatnak az atommag kiterjedésén. Míg az atommag körülbelül 1 köbös femtométerre korlátozódik (mindkét oldalon 10^-15 méter), egy elektron valószínűleg eloszlik egy olyan térfogaton, amely körülbelül kvadrillió (101ol) – szor nagyobb. Ez a tulajdonság független attól, hogy melyik elemet vesszük figyelembe, a jelenlévő elektronok számát (amennyiben legalább egy), vagy melyik módszert használjuk az elektron vagy a mag mérésére.

az a tény, hogy az atomok többnyire üres tér, ma még a legtöbb iskolás számára is ismert, akik ezt a tényt körülbelül ugyanabban az időben tanulják meg, mint az atomok szerkezetét. Amikor ezt megtudják, sokan csodálkoznak — ahogy bizonyára Önök is csodálkoznak -, hogy miért nem lehet egyszerűen eltávolítani azt az üres teret és tömöríteni az atomokat sokkal kisebb méretűre, például egy atommag méretére?

hidrogén sűrűség diagramok egy elektron számára különféle kvantumállapotokban. Míg három kvantumszám sok mindent megmagyarázhat, a’ spin ‘ – et hozzá kell adni a periódusos rendszer és az egyes atomok pályáin lévő elektronok számának magyarázatához. (POORLENO / WIKIMEDIA COMMONS)

a klasszikus világban, ahol a természet olyan szabályok szerint játszik, amelyeket ismerünk, és amelyek megegyeznek az intuíciónk előrejelzéseivel, nagyon könnyű irányítani a részecskék helyzetét. De a kvantum szintjén van egy alapvető korlátozás, amelyet a természet szabályai határoznak meg: a Heisenberg bizonytalansági elv.

még akkor is, ha mindent tudsz az atommag körül keringő elektronról, beleértve:

  • milyen energiaszintet foglal el,
  • mi a kvantumállapota,
  • és hány más elektron van a környező energiaszintekben,

továbbra is számos olyan tulajdonság marad, amelyek eredendően bizonytalanok. Különösen az egyik eredendően bizonytalan tulajdonság az elektron helyzete; csak azt a valószínűségi eloszlást tudjuk ábrázolni, ahol az elektron valószínűleg lesz.

illusztráció a pozíció és a lendület közötti inherens bizonytalanság között kvantum szinten. Van egy határ, hogy mennyire jól lehet mérni ezt a két mennyiséget egyszerre, mivel a két bizonytalanság szorzata együtt olyan értéket eredményezhet, amelynek nagyobbnak kell lennie, mint egy bizonyos véges összeg. Ha az egyiket pontosabban ismerik, akkor a másik eredendően kevésbé képes bármilyen értelmes pontossággal megismerni. Ez a koncepció a gravitációs hullámok fázisára és amplitúdójára vonatkozik. (E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS felhasználó MASCHEN)

ennek oka a pozíció és a lendület között rejlő kvantum bizonytalanság. Az elektron lendülete, amelyre úgy gondolhatunk, mint bármely részecske mozgásegységére, egy adott mérés elvégzésével bizonyos pontossággal megismerhető.

azonban minél pontosabb a lendület-feltáró mérés, annál nagyobb a benne rejlő bizonytalanság, amelyet a mérés ad az elektron helyzetéhez. Ezzel szemben minél pontosabban próbálja megmérni az elektron helyzetét, annál nagyobb lesz a bizonytalanság, amelyet az elektron lendületében indukál. Ezt a két mennyiséget — a pozíciót és a lendületet — egyszerre csak korlátozott pontossággal ismerhetjük meg, mivel az egyik pontosabb mérése eredendően nagyobb bizonytalanságot eredményez abban, amelyet nem mérünk.

ha fognánk egy atommagot, és csak egy elektront kötnénk hozzá, akkor a következő 10 valószínűségi felhőt látnánk minden elektronra, ahol ez a 10 diagram megfelel az 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3D, 4S, 4p, 4D és 4F pályák mindegyikét elfoglaló elektronnak. Ha az elektront egy müonra cserélnénk, az alakzatok azonosak lennének, de az egyes dimenziók lineáris kiterjedése körülbelül 200-szor kisebb lenne. (GEEK3 / WIKIMEDIA COMMONS)

az elektron természetesen elfoglalja azt a nagy térfogatot, amelyet az atommag körül vártunk, két okból.

  1. az elektron által elfoglalt valószínűségi felhő mérete az elektron töltés / tömeg arányától függ. Ugyanolyan nagyságú töltéssel, mint a proton, de csak a tömeg 1/1836-a, még az ultraerős elektromágneses erő sem korlátozhatja az elektront kisebb térfogatra, mint látjuk.
  2. az elektront egy atommagra tömörítő külső erő, amely korlátozza a valószínűségi felhő külső összetevőit, rendkívül kicsi még az ultraerős rácsban összekapcsolt atomok esetében is. A két különböző atom elektronjai közötti erő, még az egymáshoz kötött atomokban is, nagyon kicsi az atommag és az elektron közötti erőhöz képest.

ezen okok mindegyike reményt ad egy olyan megoldásra, amely a gyakorlatban működik, de korlátozott alkalmazhatósággal.

akár egy atomban, molekulában, akár ionban, a keringő részecskék átmenete magasabb energiaszintről alacsonyabb energiaszintre egy nagyon meghatározott hullámhosszú sugárzás kibocsátását eredményezi. Ha a szokásos keringő részecskéket (elektronokat) nehezebb, instabilabbakra (müonokra) cseréljük, akkor az atom sugárirányú mérete körülbelül a nehezebb részecske tömegarányával csökken a könnyebb részecskéhez képest, lehetővé téve a müon atomok ~200-szor kisebbnek lenni mindhárom térbeli dimenzióban, mint a standard elektronikus atomok. (GETTY IMAGES)

az elektron helyettesíthető egy masszívabb részecskével, ugyanazzal az elektromos töltéssel. Két elektron-szerű részecske létezik a Standard modellben, amelyek ugyanolyan töltéssel rendelkeznek, mint az elektron: a müon és a tau. A müon körülbelül 200-szor nagyobb tömegű, mint egy elektron, így a müonhidrogén atomja (egy maghoz proton tartozik, de egy müon az elektron körül kering) körülbelül 200-szor kisebb, mint a standard hidrogén.

ha a müonos hidrogént számos más atomhoz kötjük, azok katalizátorként szolgálnak a magfúzióhoz, lehetővé téve, hogy sokkal alacsonyabb hőmérsékleten és energián haladjon tovább, mint a standard fúzió. A müonok azonban csak ~2 mikroszekundumig élnek, mielőtt elbomlanak, a masszívabb tau pedig kevesebb, mint egy pikoszekundumig él. Ezek az egzotikus atomok túl átmenetiek ahhoz, hogy sokáig hasznosak maradjanak.

amikor az alacsonyabb tömegű, napszerű csillagok kifogynak az üzemanyagból, a bolygó ködében lefújják külső rétegeiket, de a központ összehúzódik, hogy fehér törpét képezzen, amelynek nagyon hosszú időbe telik a sötétségbe való elhalványulása. A Napunk által létrehozott planetáris ködnek teljesen el kell tűnnie, csak a fehér törpe és a maradék bolygóink maradnak, körülbelül 9,5 milliárd év után. Időnként a tárgyakat árapályosan szétszakítják, poros gyűrűket adva a Naprendszerünk maradványaihoz, de átmenetiek lesznek. A fehér törpe sokkal, sokkal gyorsabban fog forogni, mint a Napunk jelenleg, de a várható tömege körülbelül 0,5 naptömeg, a fehér törpe magjában lévő atomok, bár összenyomódnak a mai Földön található standard atomokhoz képest, stabilak maradnak. (MARK GARLICK / Warwicki Egyetem)

Alternatív megoldásként óriási mértékben növelheti az atomokra nehezedő nyomást, ha hihetetlen mennyiségű tömeget halmoz fel az űr egyetlen helyén. Lehet, hogy egy különálló atom önmagában csak egy nagyságú, de ha egy csillag értékű anyagot halmoz körülötte, akkor az atom olyan külső nyomást fog érezni, amely “összenyomja” az elektront, hogy sokkal korlátozottabb térfogatot foglaljon el.

minél nagyobb a nyomás, annál korlátozottabbak az elektronok, és annál kisebbek az atomok a fizikai kiterjedés szempontjából. Van egy határ a külső nyomásnak, amit az atomok kibírnak, mielőtt ugyanaz a katasztrófa bekövetkezne, mint korábban: az atommagok olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy hullámfunkcióik átfedik egymást, és magfúzió léphet fel. Egy fehér törpében ez a küszöb körülbelül 1,4 naptömegnél fordul elő; túllépve azt, és egy elszabadult fúziós reakciót indít el, ami ebben az esetben Ia típusú szupernóvát eredményez.

az Ia típusú szupernóva létrehozásának két különböző módja van: az akkumulációs forgatókönyv (L) és az egyesülési forgatókönyv (R). Bináris társ nélkül a Napunk soha nem tudna szupernóva lenni az anyag felhalmozódásával, de potenciálisan összeolvadhatunk egy másik fehér törpével a galaxisban, ami végül is egy Ia típusú szupernóva-robbanás újjáéledéséhez vezethet. Amikor egy fehér törpe átlépi a kritikus (1,4 naptömeg) küszöböt, a magfúzió spontán módon bekövetkezik a mag szomszédos atommagjai között. (NASA / CXC / M. WEISS)

kellemes tudományos-fantasztikus álom lehet az üres tér eltávolítása az atomokból, csökkentve az anyag mennyiségét millió, billió vagy még több tényezővel. Azonban nem arról van szó, hogy az atommag körül keringő elektronok eredendően rendkívül nagy mennyiségű helyet foglalnak el, hanem inkább arról, hogy a részecskékben rejlő kvantumtulajdonságok — tömegek, töltések, kölcsönhatási erő és kvantumbizonytalanság — együttesen hozzák létre az univerzumunkban létező atomokat.

még akkor is, ha az elektron stabil, nehezebb megfelelője lenne, vagy képes lenne az anyagot önkényesen sűrű állapotokba tömöríteni, olyan kvantumküszöbbe ütköznénk, ahol az atomok középpontjában lévő atommagok spontán összeolvadnának, megakadályozva, hogy több atom stabil konfigurációja egyáltalán létezzen. Az a tény, hogy atomjaink többnyire üres tér, lehetővé teszi a molekulák, a kémia és az élet létezését.

az üres tér eltávolítása az atomokból szórakoztató gondolatkísérlet lehet, de az atomok mérete az univerzum szabályai miatt van. Létünk attól függ, hogy az üres tér jelen van-e, de ha a természet állandói rendelkeznek azokkal az értékekkel, amelyek vannak, ne aggódjon. Nem lehet másképp.