아니,과학자들은 원자에서 빈 공간을 제거 할 수 없을 것입니다

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만약 당신이 정상적인 물질로 만들어진 우주의 어떤 물체,즉 인간이 만지거나,보거나,우리 몸을 사용하여 상호 작용을 감지 할 수있는 모든 것을 취한다면,당신은 그것을 더 작고 작은 구성 요소로 분해 할 수 있다는 것을 알게 될 것입니다. 전체 인간의 몸은 차례로 세포로 구성되어 장기로 나눌 수 있습니다. 각 세포는 특수 기능을 가진 더 작은 구조 인 세포 소기관으로 구성되며,세포 소기관은 분자 수준에서 발생하는 상호 작용에 의존합니다.

분자의 전체 집합을 구성하는 것은 원자:문제의 원소의 개별 특성과 특성을 유지하는 정상 물질의 가장 작은 구성 요소입니다. 원소는 각 원자의 핵에있는 양성자의 수에 의해 정의되며,원자는 그 핵 주위를 도는 전자로 구성됩니다. 그러나 원자는 대부분 내부 빈 공간이라는 사실에도 불구하고,그 공간을 제거 할 수있는 방법이 없습니다. 여기에 그 이유에 대한 이야기가 있습니다.

거시적 규모에서 아원자에 이르기까지 기본 입자의 크기는 복합 구조의 크기를 결정하는 데 작은 역할을합니다. 대신,그것은 힘의 법칙과 그들이 어떻게 그 상호 작용에 의해 영향을 입자 사이에 상호 작용(또는 그 아래에 충전)행동,그리고 더 근본적인 구조가 더 큰 사람을 구축하기 위해 함께 결합하는 방법을 결정합니다. (막달레나 코왈스카/케른/이졸데 팀)

가장 기본적인 수준의 원자는 양전하를 띤 원자핵으로 구성되어 있습니다. 원자핵의 모든 양성자에 대해,그 주위를 공전하는 동등한 반대 전하 양자가있어 전체 중립 시스템을 만듭니다:전자.

그러나 원자핵은 매우 작은 부피에 국한되어 있지만 양성자의 직경은 1 펨토미터 또는 10^-15 미터 정도입니다.

이 엄청난 차이를 입증 한 첫 번째 실험은 물리학 자 어니스트 러더 포드가 방사성 입자로 얇은 금박을 폭격했을 때 1 세기가 넘었습니다.

러더퍼드의 금박 실험은 원자가 대부분 빈 공간이었지만,한 지점에서 질량의 농도가 알파 입자의 질량보다 훨씬 크다는 것을 보여 주었다:원자핵. (크리스 임피)

러더퍼드가 한 일은 단순하고 간단했습니다. 이 실험은 어떤 방향 으로든 발생하는 입자를 감지하도록 설계된 링 모양의 장치로 시작되었습니다. 반지의 중앙에는 얇게 망치로 쳐진 금박이 두께가 너무 작아서 20 세기 초반 도구로는 측정 할 수 없었습니다.

반지와 호일 바깥쪽에는 방사능 공급원이 배치되어서 한 특정 방향에서 금박을 포격했다. 기대는 방출 된 방사성 입자가 금박 많이 충전 코끼리가 티슈 페이퍼의 조각을 볼 수있는 방법을 볼 것이라고했다:호일이 전혀 없었다 것처럼 그들은 단순히 바로 통해 갈 것입니다.

그러나 이것은 대부분의 방사성 입자에 대해서만 사실로 밝혀졌습니다. 그들 중 몇몇은-숫자가 적지 만 매우 중요한—마치 단단하고 움직일 수없는 무언가에서 튕겨 나온 것처럼 행동했습니다.

만약 원자들이 연속적인 구조로 만들어졌다면,얇은 금으로 발사된 모든 입자들이 그것을 바로 통과할 것으로 예상될 것이다. 하드 반동이 꽤 자주 볼 수 있었다 사실,심지어 일부 입자가 원래의 방향에서 다시 반송하는 원인,각 원자에 내재 하드,조밀 한 핵이 있다는 것을 설명 도왔다. (커존/위키 미디어 공용)

그들 중 일부는 한쪽 또는 다른에 흩어져,다른 사람은 기원의 자신의 방향을 향해 다시 튀었 듯 동안. 이 초기 실험은 원자의 내부가 이전에 상상했던 것처럼 단단한 구조가 아니라 매우 조밀하고 작은 코어와 훨씬 더 확산 된 외부 구조로 구성되어 있다는 최초의 증거를 제공했습니다. 러더 포드 자신이 언급 한 바와 같이,수십 년 후 다시 찾고,

“그것은 내 인생에서 나에게 일어난 가장 놀라운 사건이었습니다. 마치 티슈 페이퍼에 15 인치 껍데기를 쏜 것처럼 놀라웠습니다.”

복합 입자에서 저,중 또는 고 에너지 입자를 발사하는 이러한 유형의 실험은 깊은 비탄성 산란으로 알려져 있으며 모든 입자 시스템의 내부 구조를 조사하는 가장 좋은 방법입니다.

당신이 함께 두 입자를 충돌 할 때,당신은 충돌 입자의 내부 구조를 조사합니다. 그 중 하나가 근본적인 것이 아니라 오히려 복합 입자 인 경우,이 실험은 내부 구조를 드러 낼 수 있습니다. 여기서,실험은 암흑 물질/핵자 산란 신호를 측정하도록 설계된다;깊은 비탄성 산란 실험은 현재까지 계속된다. (암흑 물질 개요:충돌기,직접 및 간접 탐지 검색-퀴로즈,파리날도 에스 아르 시브:1605.08788)

수소와 같은 단순한 것에서 금,납 또는 우라늄과 같은 복잡한 것까지 원자의 경우 전자는 원자핵의 범위를 훨씬 넘어서 발견 될 수 있습니다. 원자핵은 약 1 입방 펨토미터(각 측면에서 10^-15 미터)의 부피에 국한되는 반면,전자는 약 100 억(101 제곱)배 더 큰 부피에 걸쳐 확률 적으로 분포되어 있습니다. 이 속성은 우리가 고려하는 요소,존재하는 전자의 수(적어도 하나 인 한)또는 전자 또는 핵을 측정하는 데 사용하는 방법과 무관합니다.

원자가 대부분 빈 공간이라는 사실은 오늘날 원자의 구조에 대해 배우는 것과 거의 동시에이 사실을 배우는 대부분의 학생들에게도 알려져 있습니다. 이것을 배우면,그들 중 많은 사람들이 궁금해합니다—나는 많은 사람들이 궁금해합니다-왜 당신은 그 빈 공간을 제거 할 수 없으며 원자핵의 크기와 같은 훨씬 작은 규모로 원자를 압축 할 수 없습니까?

다양한 양자 상태의 전자에 대한 수소 밀도 플롯. 세 개의 양자 수가 많은 것을 설명 할 수 있지만,주기율표와 각 원자에 대한 궤도의 전자 수를 설명하기 위해’스핀’을 추가해야합니다. (빈민노/위키미디어 공용)

우리가 잘 알고 있고 우리의 직관이 예측하는 것과 일치하는 규칙에 의해 자연이 재생되는 고전 세계에서는 입자의 위치를 매우 쉽게 제어 할 수 있습니다. 그러나 양자 수준에서는 자연의 규칙에 의해 설정된 근본적인 제한이 있습니다:하이젠 베르크 불확실성 원리.

원자핵을 공전하는 전자에 대해 알아야 할 모든 것을 알고 있더라도 다음을 포함합니다:

  • 그것이 차지하는 에너지 준위,
  • 양자 상태가 무엇인지,
  • 및 주변 에너지 준위에 얼마나 많은 다른 전자가 있습니까,

본질적으로 불확실한 많은 속성이 여전히 남아있을 것입니다. 특히,본질적으로 불확실한 속성 중 하나는 전자의 위치입니다;우리는 전자가 될 가능성이있는 곳의 확률 분포를 그릴 수 있습니다.

양자 수준에서 위치와 운동량 사이의 고유 한 불확실성 사이의 그림. 이 두 가지 불확실성을 함께 곱하면 특정 유한 양보다 커야하는 값을 얻을 수 있으므로 두 양을 동시에 얼마나 잘 측정 할 수 있는지에 제한이 있습니다. 하나가 더 정확하게 알려지면 다른 하나는 본질적으로 의미있는 정확도로 알 수 없습니다. 이 개념은 중력파의 위상 및 진폭에 적용됩니다. (이자형. 시겔/위키미디어 공용 사용자 마셴)

그 이유는 위치와 운동량 사이의 고유 한 양자 불확실성 때문입니다. 우리가 어떤 입자가 가질 운동 단위라고 생각할 수있는 전자의 운동량은 특정 측정을 수행하여 특정 정밀도로 알 수 있습니다.

그러나 운동량을 드러내는 측정이 더 정확할수록,그것을 측정하는 행위가 전자의 위치에 부여 할 고유 한 불확실성이 커집니다. 반대로,더 정확하게 당신이 전자의 위치를 측정하려고 시도할수록,당신이 전자의 운동량에서 유도하는 불확실성은 더 커질 것입니다. 위치 및 운동량이라는 두 가지 양만 제한된 정밀도로 동시에 알 수 있는데,하나 더 정확하게 측정하면 측정하지 않는 것에 본질적으로 더 큰 불확실성이 생기기 때문입니다.

만약 당신이 원자핵을 가지고 하나의 전자만을 결합한다면,당신은 각 전자에 대해 다음과 같은 10 개의 확률 구름을 볼 것입니다.이 10 개의 도표는 1,2,2,3,3 피,3 디,4 에스,4 피,4 디 및 4 에프 궤도,각각. 전자를 뮤온으로 대체한다면 모양은 동일하지만 각 차원의 선형 범위는 약 200 배 더 작을 것입니다. (긱 3/위키 미디어 공용)

전자는 자연적으로 우리가 두 가지 이유로 원자핵 주위에 기대했던 큰 부피를 차지합니다.

  1. 전자가 차지하는 확률 구름의 크기는 전자의 전하 대 질량 비율에 따라 달라집니다. 양성자와 같은 크기의 전하이지만 질량의 1/1836 에 불과하므로 초강력 전자기력조차도 전자를 우리가 보는 것보다 작은 부피로 제한 할 수 없습니다.
  2. 전자를 원자핵으로 압축하여 확률 구름의 외부 성분을 제한하는 바깥 쪽 힘은 초강력 격자에 결합 된 원자에 대해서도 극히 적습니다. 서로 다른 두 원자의 전자 사이의 힘,심지어 함께 결합 된 원자에서도 원자핵과 전자 사이의 힘에 비해 매우 작습니다.

이러한 각 이유는 실제로 작동하지만 적용 가능성이 제한적인 해결 방법에 대한 희망을 제공합니다.

원자,분자,또는 이온,높은 에너지 수준에서 낮은 에너지 수준으로 궤도 입자의 전환 매우 특정 파장에서 방사선의 방출 귀 착될 것 이다. 표준 궤도 입자(전자)를 더 무겁고 불안정한 입자(뮤온)로 대체하면 원자의 반경 크기는 더 가벼운 입자에 대한 무거운 입자의 질량비만큼 감소하여 뮤온 원자가 표준 전자 원자보다 세 공간 차원에서 각각~200 배 더 작을 수 있습니다. (게티 이미지)

전자를 같은 전하를 가진 더 거대한 입자로 대체 할 수 있습니다. 전자와 같은 전하를 가진 표준 모델에 존재하는 두 개의 전자와 같은 입자가 있습니다:뮤온과 타우. 뮤온은 전자보다 약 200 배 더 거대하기 때문에 뮤온 수소 원자(핵의 양성자이지만 궤도를 도는 전자 대신 뮤온)는 표준 수소보다 약 200 배 작습니다.

뮤온 수소를 다른 여러 원자에 결합시키면 핵융합의 촉매제 역할을 하여 표준 융합보다 훨씬 낮은 온도와 에너지로 진행할 수 있다. 그러나 뮤온은 부패하기 전에~2 마이크로 초 동안 만 살고 더 거대한 타우는 피코 초 미만으로 산다. 이 이국적인 원자는 너무 과도하여 오랫동안 유용 할 수 없습니다.

질량이 낮고 태양과 같은 별들이 연료를 다 써 버리면 행성상 성운에서 바깥 층을 날려 버리지 만,중심은 백색 왜성을 형성하기 위해 아래로 수축하여 어둠으로 퇴색하는 데 매우 오랜 시간이 걸립니다. 우리 태양이 생성 할 행성상 성운은 약 95 억년 후에 백색 왜성과 남은 행성 만 남겨두고 완전히 사라져야합니다. 경우에 따라 물체가 조석 적으로 찢어져서 우리 태양계의 남아있는 것에 먼지가 많은 고리를 추가 할 것이지만 일시적 일 것입니다. 백색 왜성은 현재 우리 태양보다 훨씬 빠르게 회전 할 것이지만,약 0.5 태양 질량의 예상 질량으로 백색 왜성의 핵에있는 원자는 오늘날 우리가 지구에서 발견 한 표준 원자에 비해 압축되어 있지만 안정적으로 유지 될 것입니다. (마크 갈리 크/워릭 대학교)

양자 택일로,당신은 공간의 한 위치에 엄청난 양의 질량을 쌓아서 원자에 대한 압력을 엄청나게 증가시킬 수 있습니다. 분리 된 개별 원자는 단지 크기면에서 2 차원적 일 수 있지만,만약 당신이 그 주위에 별의 가치가있는 물질을 쌓는다면,그 원자는 훨씬 더 제한된 부피를 차지하도록 전자를”압박”하는 외부 압력을 느낄 것입니다.

압력이 클수록 전자가 더 밀폐되고 원자는 물리적 범위면에서 더 작다. 원자핵이 너무 가까워 파동 함수가 겹치고 핵융합이 발생할 수 있습니다. 백색 왜성에서,이 임계값은 약 1.4 태양 질량에서 발생합니다.

유형 초신성을 만드는 두 가지 방법:증착 시나리오(엘)및 합병 시나리오(아르 자형). 이진 동반자없이,우리의 태양은 물질을 증착하여 초신성을 갈 수 없었다,그러나 우리는 잠재적으로 은하계의 또 다른 백색 왜성과 병합 할 수,이는 결국 타입 아이오 초신성 폭발에 활력을 우리를 이끌 수. 백색 왜성이 임계(1.4 태양 질량)임계 값을 넘을 때 핵융합은 코어의 인접한 원자핵 사이에서 자발적으로 발생합니다. (미항공 우주국/미항공 우주국/엠.와이즈)

그것은 원자에서 빈 공간을 제거하는 즐거운 공상 과학 소설의 꿈 수 있습니다,수백만,수조 또는 그 이상의 요인에 의해 문제가 차지하는 볼륨을 감소. 그러나 핵 주위를 도는 전자가 본질적으로 매우 큰 공간을 차지한다는 것이 아니라 입자(질량,전하,상호 작용 강도 및 양자 불확실성)에 내재 된 양자 특성이 모두 결합되어 우리 우주에 존재하는 원자를 만듭니다.

비록 우리가 안정적이고 무거운 전자 대응 물이나 물질을 임의로 조밀 한 상태로 압축 할 수있는 능력을 가지고 있다고하더라도,우리는 원자 중심의 원자핵이 자발적으로 융합되어 여러 원자의 안정적인 구성이 전혀 존재하지 못하게하는 양자 임계 값에 부딪 힐 것입니다. 우리의 원자가 대부분 빈 공간이라는 사실은 분자,화학 및 생명의 존재를 허용합니다.

원자에서 빈 공간을 제거하는 것은 재미있는 사고 실험이 될 수 있지만 원자는 우주의 규칙 때문에 그 크기입니다. 우리의 존재는 그 빈 공간이 존재하는 것에 달려 있지만,자연의 상수는 그것들이하는 가치를 가지고 있으므로 걱정하지 마십시오. 그것은 다른 방법이 될 수 없습니다.