Nei, Forskere Vil Aldri Være I stand Til Å Fjerne Det Tomme Rommet Fra Atomer

BY admin
|

Hvis du skulle ta et objekt I Universet som er laget av normal materie — alt et menneske kan berøre, se eller på annen måte oppdage en interaksjon med å bruke kroppene våre — du vil finne at du kan bryte den opp i mindre og mindre komponenter. En hel menneskekropp kan brytes opp i organer, som igjen består av celler. Hver celle består av organeller, som er mindre strukturer med spesialiserte funksjoner, og organellene er avhengige av interaksjoner som forekommer på molekylært nivå.

Komponere hele pakken av molekyler er atomer: den minste komponenten av normal materie som beholder den individuelle karakteren og egenskapene til elementet i spørsmålet. Elementer er definert av antall protoner i hvert atoms kjerne, hvor et atom består av elektroner som kretser den kjernen. Men til tross for at atomer er for det meste tomt rom inni, er det ingen måte å fjerne den plassen. Her er historien om hvorfor.

fra makroskopiske skalaer ned til subatomære, spiller størrelsene på de grunnleggende partiklene bare en liten rolle i å bestemme størrelsene på komposittstrukturer. I stedet er det kraftloven og hvordan de samhandler mellom partikler påvirket av disse interaksjonene (eller belastet under dem) oppfører seg, og det bestemmer hvordan mer grunnleggende strukturer binder sammen for å bygge opp større. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE TEAM))

et atom, på det mest grunnleggende nivå, består av en positivt ladet atomkjerne som er ekstremt liten i volum. For hver proton i atomkjernen er det et lik og motsatt kvantum av ladning som kretser rundt det, og skaper et generelt nøytralt system: elektronen.

likevel, mens atomkjernen er begrenset til et ekstremt lite volum — diameteren til et proton er rett rundt 1 femtometer, eller 10^-15 m — de bane elektronene, som selv er punktlignende partikler, opptar et volum som er omtrent 1 å (10^-10 m) i alle tre dimensjoner.

det første eksperimentet som viste denne enorme forskjellen er mer enn et århundre gammelt, da fysikeren Ernest Rutherford bombarderte et tynt ark med gullfolie med radioaktive partikler.

Rutherfords gullfolieeksperiment viste at atomet for det meste var tomt rom, men at det var en konsentrasjon av masse på et tidspunkt som var langt større enn massen av en alfapartikkel: atomkjernen. (CHRIS IMPEY))

Det Rutherford gjorde var enkelt og greit. Forsøket begynte med et ringformet apparat designet for å oppdage partikler som møter det fra hvilken som helst retning. I midten av ringen ble tynt hamret gullfolie plassert av en tykkelse så liten at den ikke kunne måles med verktøy fra begynnelsen av det 20. århundre: sannsynligvis bare noen få hundre eller tusen atomer over.

Utenfor både ringen og folien ble en radioaktiv kilde plassert, slik at den ville bombardere gullfolien fra en bestemt retning. Forventningen var at de utstrålede radioaktive partiklene ville se gullfolien mye slik en ladende elefant ville se et stykke vevpapir: de ville bare gå rett gjennom som om folien ikke var der i det hele tatt.

men dette viste seg bare å være sant for de fleste radioaktive partiklene. Noen av dem — små i antall, men svært viktig-oppførte seg som om de spratt ut av noe hardt og urokkelig.

hvis atomer hadde blitt laget av kontinuerlige strukturer, ville alle partiklene avfyrt på et tynt ark av gull forventes å passere rett gjennom det. Det faktum at harde rekyler ble sett ganske ofte, selv forårsaker noen partikler å sprette tilbake fra sin opprinnelige retning, bidro til å illustrere at det var en hard, tett kjerne iboende til hvert atom. (KURZON / WIKIMEDIA COMMONS)

Noen av dem spredte seg til den ene siden eller den andre, mens andre syntes å ricochet tilbake mot deres opprinnelsesretning. Dette tidlige eksperimentet ga det aller første beviset på at innsiden av et atom ikke var en solid struktur som tidligere forutsatt, men besto av en ekstremt tett, liten kjerne og en mye mer diffus ytre struktur. Som Rutherford selv bemerket, ser tilbake tiår senere,

«Det var den mest utrolige hendelsen som noen gang har skjedd med meg i mitt liv. Det var nesten like utrolig som om du sparket et 15-tommers skall på et stykke vevpapir og det kom tilbake og slo deg.»

denne typen eksperiment, hvor du brenner en lav, middels eller høy energi partikkel ved en sammensatt partikkel, er kjent som dyp uelastisk spredning, og det er fortsatt vår beste metode for å undersøke den indre strukturen av et partikkelsystem.

når du kolliderer to partikler sammen, sonder du den indre strukturen av partiklene som kolliderer. Hvis en av dem ikke er grunnleggende, men snarere er en sammensatt partikkel, kan disse forsøkene avsløre sin indre struktur. Her er et eksperiment designet for å måle det mørke materien / nukleon-spredningssignalet; dype uelastiske spredningseksperimenter fortsetter til i dag. (MØRK MATERIE OVERSIKT: COLLIDER, DIREKTE OG INDIREKTE DETEKSJON SØK-QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV:1605.08788)

for atomet, fra en enkel som hydrogen til en kompleks som gull, bly eller uran, kan elektronene bli funnet langt utover omfanget av atomkjernen. Mens en atomkjerne er begrenset til et volum som er omtrent 1 kubisk femtometer (10^-15 meter på hver side), kan en elektron bli funnet distribuert probabilistisk over et volum som er omtrent en quadrillion (101 st) ganger større. Denne egenskapen er uavhengig av hvilket element vi vurderer, antall elektroner tilstede (så lenge det er minst en), eller hvilken metode vi bruker til å måle elektronen eller kjernen.

det faktum at atomer er stort sett tomrom er kjent, i dag, selv til de fleste skolebarn, som lærer dette faktum på omtrent samme tid som de lærer om atomenes struktur. Ved å lære dette, lurer mange av dem — som jeg er sikker på at mange av dere lurer på-hvorfor du ikke bare kan fjerne det tomme rommet og kompakte atomer ned til mye mindre skalaer, som størrelsen på en atomkjerne?

Hydrogen tetthet plott for et elektron i en rekke kvantetilstander. Mens tre kvante tall kan forklare mye, må’ spinn ‘ legges til for å forklare det periodiske bordet og antall elektroner i orbitaler for hvert atom. (POORLENO / WIKIMEDIA COMMONS)

I den klassiske verden, hvor naturen spiller etter regler som vi er kjent med, og som samsvarer med hva vår intuisjon forutsier, er det veldig enkelt å kontrollere partiklernes posisjoner. Men på kvantenivå er det en grunnleggende begrensning satt av naturens regler: Heisenberg usikkerhetsprinsipp.

Selv om du vet alt det er å vite om et elektron som kretser en atomkjerne, inkludert:

  • hvilket energinivå det opptar,
  • hva er kvantestaten,
  • og hvor mange andre elektroner det er i omgivende energinivåer,

det vil fortsatt være en rekke egenskaper som er iboende usikre. Spesielt er en av de iboende usikre egenskapene elektronens posisjon; vi kan bare plotte ut sannsynlighetsfordelingen av hvor elektronen sannsynligvis vil være.

en illustrasjon mellom den iboende usikkerheten mellom posisjon og momentum på kvantenivå. Det er en grense for hvor godt du kan måle disse to mengdene samtidig, da multiplikasjon av de to usikkerhetene sammen kan gi en verdi som må være større enn et bestemt begrenset beløp. Når man er kjent mer nøyaktig, er den andre iboende mindre i stand til å bli kjent med noen grad av meningsfylt nøyaktighet. Dette konseptet gjelder fase og amplitude for gravitasjonsbølger. (E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS BRUKER MASCHEN)

årsaken til dette er den iboende kvanteusikkerheten mellom posisjon og momentum. Momentumet til et elektron, som vi kan tenke på som bevegelsesenhet noen partikkel vil ha, kan være kjent med en viss presisjon ved å utføre en bestemt måling.

jo mer presis din momentum-avslørende måling er, desto større er en iboende usikkerhet, vil måling av det gi elektronens posisjon. Omvendt, jo mer nøyaktig du prøver å måle elektronens posisjon, desto større er usikkerheten du induserer i elektronens momentum, vil være. Du kan bare kjenne de to mengdene-posisjon og momentum – til en begrenset presisjon samtidig, da måling av en mer nøyaktig vil skape en iboende større usikkerhet i den du ikke måler.

Hvis du tok en atomkjerne og bundet bare en elektron til den, ville du se følgende 10 sannsynlighetskyer for hver elektron, hvor disse 10 diagrammene tilsvarer elektronen som opptar hver av henholdsvis 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d og 4f orbitaler. Hvis du skulle erstatte elektronen med en myon, ville figurene være de samme, men den lineære omfanget av hver dimensjon ville være mindre med omtrent en faktor på 200. (GEEK3 / WIKIMEDIA COMMONS)

elektronen opptar naturlig det store volumet vi har forventet rundt atomkjernen av to grunner.

  1. størrelsen på sannsynlighetskyen som elektronen opptar, er avhengig av forholdet mellom ladning og masse for elektronen. Med samme størrelsesladning som protonen, men bare 1 / 1836th massen, kan ikke den ultra-sterke elektromagnetiske kraften begrense elektronen til et mindre volum enn vi ser.
  2. den ytre kraften som komprimerer et elektron ned på en atomkjerne, begrenser de ytre komponentene i sannsynlighetsskyen, er ekstremt liten selv for atomer bundet sammen i et ultra sterkt gitter. Kreftene mellom elektronene i to forskjellige atomer, selv i atomer som er bundet sammen, er svært liten i forhold til kraften mellom atomkjernen og et elektron.

Hver av disse grunnene gir oss et håp om en løsning som fungerer i praksis, men med begrenset anvendelighet.

enten i et atom, molekyl eller ion, vil overgangene av banepartikler fra et høyere energinivå til et lavere energinivå resultere i utslipp av stråling ved en meget bestemt bølgelengde. Hvis du erstatter de vanlige banepartiklene (elektroner) med tyngre, ustabile (myoner), reduseres atomets radiale størrelse med omtrent masseforholdet mellom den tyngre partikkelen og den lettere partikkelen, slik at muoniske atomer kan være ~200 ganger mindre i hver av de tre romlige dimensjonene enn standard elektroniske atomer. (GETTY IMAGES)

du kan erstatte elektronen med en mer massiv partikkel med samme elektriske ladning. Det er to elektronlignende partikler som finnes I Standardmodellen med samme ladning som elektronen: myon og tau. Myonet er omtrent 200 ganger så massivt som et elektron, og så er et atom av muonisk hydrogen (med et proton for en kjerne, men en myon i stedet for et elektron som kretser det) omtrent 200 ganger mindre enn standard hydrogen.

hvis du binder muonisk hydrogen til en rekke andre atomer, vil de tjene som katalysator for atomfusjon, slik at den kan fortsette med mye lavere temperaturer og energier enn standardfusjon. Imidlertid lever muoner bare i ~2 mikrosekunder før de forfaller, og den mer massive tau lever i mindre enn et pikosekund. Disse eksotiske atomer er for forbigående til å forbli nyttige for lenge.

Når stjerner med Lavere masse, Sollignende stjerner går tom for drivstoff, blåser de av sine ytre lag i en planetarisk tåke, men senteret trekker seg sammen for å danne en hvit dverg, som tar svært lang tid å falme til mørket. Den planetariske tåken Vår Sol vil generere, skal forsvinne helt, med bare den hvite dverg og våre restplaneter igjen, etter omtrent 9, 5 milliarder år. Noen ganger vil objekter bli revet fra hverandre og legge støvete ringer til det som er igjen av Vårt Solsystem, men de vil være forbigående. Den hvite dvergen vil rotere langt, langt raskere enn Vår Sol i Dag gjør, men med en forventet masse på ca 0,5 solmasser, vil atomene i den hvite dvergens kjerne, selv om de er komprimert i forhold til standardatomer vi finner på Jorden i dag, forbli stabile. (MARK GARLICK / UNIVERSITETET I WARWICK)

Alternativt kan du øke trykket på atomene enormt ved å samle opp utrolige mengder masse på ett enkelt sted i rommet. Et enkelt atom i isolasjon kan bare være en hryvngstrom i størrelse, men hvis du hoper en stjernes verdi av materiale rundt det, vil det atomet føle et utvendig trykk som «klemmer» elektronen for å oppta et mye mer begrenset volum.

jo større trykket er, jo mer begrenset er elektronene, og jo mindre atomene er i form av fysisk omfang. Det er en grense for det ytre trykket atomene kan tåle før den samme katastrofen som tidligere oppstår: atomkjernene blir så tett sammen at deres bølgefunksjoner overlapper og atomfusjon kan forekomme. I en hvit dverg oppstår denne terskelen ved omtrent 1, 4 solmasser; overskrider den, og du vil ende opp med å starte en flyktig fusjonsreaksjon, noe som resulterer i dette tilfellet i en type ia supernova.

To forskjellige måter å lage En type ia supernova: akkresjonsscenariet (L) og fusjonsscenariet (R). Uten en binær følgesvenn kunne Vår Sol aldri gå supernova ved å samle materie, men vi kunne potensielt fusjonere med en annen hvit dverg i galaksen, noe som kunne føre oss til å revitalisere i en type ia supernova-eksplosjon. Når en hvit dverg krysser en kritisk (1,4 solmasse) terskel, vil kjernefysisk fusjon spontant oppstå mellom tilstøtende atomkjerner i kjernen. (NASA / CXC / M. WEISS))

det kan være en herlig science fiction drøm å fjerne den tomme plassen fra atomer, redusere volumet som saken opptar av faktorer av millioner, billioner eller enda mer. Det er imidlertid ikke at elektronene som kretser kjernen iboende opptar et ekstremt stort volum plass, men heller at kvantegenskapene som er knyttet til partikler — masser, ladninger, interaksjonsstyrke og kvantusikkerhet — alle kombineres for å skape atomer som eksisterer i Vårt Univers.

selv om vi hadde en stabil, tyngre motpart av elektronen, eller evnen til å komprimere saken til vilkårlig tette tilstander, ville vi løpe inn i en kvanteterskel hvor atomkjernene i atomsentrene spontant ville smelte sammen, og forhindre stabile konfigurasjoner av flere atomer fra eksisterende i det hele tatt. Det faktum at våre atomer er stort sett tomt rom tillater eksistensen av molekyler, kjemi og liv.

Å Fjerne det tomme rommet fra atomer kan være et morsomt tankeeksperiment, men atomer er størrelsen de er på Grunn Av Universets regler. Vår eksistens er avhengig av at det tomme rommet er til stede, men med naturens konstanter som har de verdiene de gjør, ikke bekymre deg. Det kan ikke være noen annen måte.