Nej, forskere vil aldrig være i stand til at fjerne det tomme rum fra atomer

BY admin
|

hvis du skulle tage noget objekt i universet, der er lavet af normalt stof — noget et menneske kunne røre, se eller på anden måde opdage en interaktion med at bruge vores kroppe — ville du opdage, at du kunne bryde det op i mindre og mindre komponenter. En hel menneskekrop kan opdeles i organer, som igen består af celler. Hver celle består af organeller, som er mindre strukturer med specialiserede funktioner, og organellerne er afhængige af interaktioner, der forekommer på molekylært niveau.

sammensætning af den fulde pakke af molekyler er atomer: den mindste komponent i normalt stof, der bevarer det pågældende elements individuelle karakter og egenskaber. Elementer defineres af antallet af protoner i hvert atoms kerne, hvor et atom består af elektroner, der kredser om denne kerne. Men på trods af at atomer for det meste er tomt rum inde, er der ingen måde at fjerne det rum. Her er historien om hvorfor.

fra makroskopiske skalaer ned til subatomære, spiller størrelserne på de grundlæggende partikler kun en lille rolle i bestemmelsen af størrelserne på sammensatte strukturer. I stedet er det kraftlovene, og hvordan de interagerer mellem partikler påvirket af disse interaktioner (eller ladet under dem) opfører sig, og det bestemmer, hvordan mere grundlæggende strukturer binder sammen for at opbygge større. (MAGDALENA Kovalska / CERN / ISOLDE TEAM)

et atom, på det mest basale niveau, består af en positivt ladet atomkerne, der er ekstremt lille i volumen. For hver proton i atomkernen er der et lige og modsat kvantum af ladning, der kredser omkring det, hvilket skaber et overordnet neutralt system: elektronen.

endnu, mens atomkernen er begrænset til et ekstremt lille volumen — diameteren af en proton er lige omkring 1 femtometer eller 10^-15 m — de kredsende elektroner, som selv er punktlignende partikler, optager et volumen, der er ca.1 liter (10^-10 m) i alle tre dimensioner.

det første eksperiment, der demonstrerede denne enorme forskel, er mere end et århundrede gammelt, da fysikeren Ernest Rutherford bombarderede et tyndt ark guldfolie med radioaktive partikler.

Rutherfords guldfolieeksperiment viste, at atomet for det meste var tomt rum, men at der var en koncentration af masse på et tidspunkt, der var langt større end massen af en alfapartikel: atomkernen. (CHRIS IMPEY)

hvad Rutherford gjorde var enkelt og ligetil. Eksperimentet begyndte med et ringformet apparat designet til at detektere partikler, der støder på det fra enhver retning. I midten af ringen blev tyndt hamret guldfolie placeret af en tykkelse, der var så lille, at den ikke kunne måles med værktøjer fra det tidlige 20.århundrede: sandsynligvis kun et par hundrede eller tusind atomer på tværs.

uden for både ringen og folien blev der anbragt en radioaktiv kilde, så den ville bombardere guldfolien fra en bestemt retning. Forventningen var, at de udsendte radioaktive partikler ville se guldfolien meget som en ladende elefant ville se et stykke tissuepapir: de ville simpelthen gå lige igennem, som om folien slet ikke var der.

men dette viste sig kun at være sandt for de fleste af de radioaktive partikler. Et par af dem — små i antal, men meget vigtige-opførte sig som om de sprang ud af noget hårdt og urokkeligt.

hvis atomer var lavet af kontinuerlige strukturer, ville alle partikler, der blev fyret på et tyndt ark guld, forventes at passere lige igennem det. Det faktum, at hårde rekyler blev set ganske ofte, selv forårsager nogle partikler at hoppe tilbage fra deres oprindelige retning, hjalp med at illustrere, at der var en hård, tæt kerne iboende for hvert atom. (Danish))

nogle af dem spredte sig til den ene eller den anden side, mens andre syntes at ricochet tilbage mod deres oprindelsesretning. Dette tidlige eksperiment gav det allerførste bevis for, at indersiden af et atom ikke var en solid struktur som tidligere forestillet, men bestod snarere af en ekstremt tæt, lille kerne og en meget mere diffus ydre struktur. Som Rutherford selv bemærkede, ser tilbage årtier senere,

“det var den mest utrolige begivenhed, der nogensinde er sket for mig i mit liv. Det var næsten lige så utroligt som om du fyrede en 15-tommers skal på et stykke tissuepapir, og det kom tilbage og ramte dig.”

denne type eksperiment, hvor du affyrer en lav, medium eller højenergipartikel ved en sammensat partikel, er kendt som dyb uelastisk spredning, og det forbliver vores bedste metode til at undersøge den indre struktur i ethvert system af partikler.

når du kolliderer to partikler sammen, undersøger du den indre struktur af partiklerne, der kolliderer. Hvis en af dem ikke er grundlæggende, men snarere er en sammensat partikel, kan disse eksperimenter afsløre sin indre struktur. Her er et eksperiment designet til at måle det mørke stof/nukleonspredningssignal; dybe uelastiske spredningseksperimenter fortsætter selv til i dag. (Mørk materie oversigt: COLLIDER, direkte og indirekte DETEKTIONSSØGNINGER — :1605.08788)

for atomet, fra en simpel som hydrogen til en kompleks som guld, bly eller uran, kan elektronerne findes langt ud over atomkernens omfang. Mens en atomkerne er begrænset til et volumen, der er omkring 1 kubisk femtometer (10^-15 meter på hver side), kan en elektron findes fordelt probabilistisk over et volumen, der er ca.en kvadrillion (101 liter) gange større. Denne egenskab er uafhængig af hvilket element vi overvejer, antallet af tilstedeværende elektroner (så længe det er mindst en), eller hvilken metode vi bruger til at måle elektronen eller kernen.

det faktum, at atomer for det meste er tomt rum, er i dag kendt, selv for de fleste skolebørn, der lærer denne kendsgerning på omtrent samme tid, som de lærer om atomernes struktur. Efter at have lært dette, spekulerer mange af dem-som jeg er sikker på, at mange af jer spekulerer på-hvorfor du ikke bare kan fjerne det tomme rum og kompakte atomer ned til meget mindre skalaer, som størrelsen af en atomkerne?

Brintdensitetsplotter for en elektron i en række kvantetilstande. Mens tre kvantetal kunne forklare meget, skal’ spin ‘ tilføjes for at forklare det periodiske system og antallet af elektroner i orbitaler for hvert atom. (POORLENO / )

i den klassiske verden, hvor naturen spiller efter regler, som vi er bekendt med, og som stemmer overens med, hvad vores intuition forudsiger, er det meget let at kontrollere partiklernes positioner. Men på kvanteniveau er der en grundlæggende begrænsning fastsat af naturens regler: Heisenberg usikkerhedsprincippet.

selvom du ved alt, hvad der er at vide om en elektron, der kredser om en atomkerne, herunder:

  • hvilket energiniveau det optager,
  • hvad er dets kvantetilstand,
  • og hvor mange andre elektroner der er i omgivende energiniveauer,

der vil stadig være en række egenskaber, der i sagens natur er usikre. Især er en af de iboende usikre egenskaber elektronens position; vi kan kun plotte sandsynlighedsfordelingen af, hvor elektronen sandsynligvis vil være.

en illustration mellem den iboende usikkerhed mellem position og momentum på kvanteniveau. Der er en grænse for, hvor godt du kan måle disse to mængder samtidigt, da multiplicering af disse to usikkerheder sammen kan give en værdi, der skal være større end et bestemt endeligt beløb. Når man er kendt mere præcist, er den anden i sagens natur mindre i stand til at være kendt med nogen grad af meningsfuld nøjagtighed. Dette koncept gælder for fase og amplitude for gravitationsbølger. (E. Bruger MASCHEN)

årsagen til dette er den iboende kvanteusikkerhed mellem position og momentum. Momentum af en elektron, som vi kan tænke på som bevægelsesenheden enhver partikel vil have, kan være kendt med en vis præcision ved at udføre en specifik måling.

men jo mere præcis din momentumafslørende måling er, jo større en iboende usikkerhed vil målingen give elektronens position. Omvendt, jo mere præcist du forsøger at måle elektronens position, jo større er usikkerheden du fremkalder i elektronens momentum. Du kan kun kende disse to mængder — position og momentum — til en begrænset præcision på samme tid, da måling af en mere præcist vil skabe en iboende større usikkerhed i den, du ikke måler.

hvis du tog en atomkerne og kun bundet en elektron til den, ville du se følgende 10 sandsynlighedsskyer for hver elektron, hvor disse 10 diagrammer svarer til elektronen, der optager hver af henholdsvis 1s, 2s, 2p, 3s, 3P, 3D, 4S, 4P, 4D og 4F orbitaler. Hvis du skulle erstatte elektronen med en muon, ville figurerne være de samme, men den lineære udstrækning af hver dimension ville være mindre med ca.en faktor på 200. (GEEK3 / )

elektronen optager naturligvis det store volumen, vi er kommet til at forvente omkring atomkernen af to grunde.

  1. størrelsen af sandsynlighedsskyen, som elektronen optager, afhænger af elektronens ladnings-til-masseforhold. Med samme størrelsesladning som protonen, men kun 1/1836th massen, kan selv den ultra-stærke elektromagnetiske kraft ikke begrænse elektronen til et mindre volumen, end vi ser.
  2. den ydre kraft, der komprimerer en elektron ned på en atomkerne, begrænser de ydre komponenter i sandsynlighedsskyen, er ekstremt lille, selv for atomer bundet sammen i et ultra-stærkt gitter. Kræfterne mellem elektronerne i to forskellige atomer, selv i atomer, der er bundet sammen, er meget små sammenlignet med kraften mellem atomkernen og en elektron.

hver af disse grunde giver os et håb om en løsning, der fungerer i praksis, men med begrænset anvendelighed.

uanset om det er i et atom, molekyle eller ion, vil overgange af kredsende partikler fra et højere energiniveau til et lavere energiniveau resultere i emission af stråling ved en meget bestemt bølgelængde. Hvis du erstatter de standard kredsende partikler (elektroner) med tungere, ustabile (muoner), falder atomets radiale størrelse med omtrent masseforholdet mellem den tungere partikel og den lettere partikel, hvilket gør det muligt for muoniske atomer at være ~200 gange mindre i hver af de tre rumlige dimensioner end standard elektroniske atomer. (GETTY IMAGES)

du kan erstatte elektronen med en mere massiv partikel med samme elektriske ladning. Der er to elektronlignende partikler, der findes i standardmodellen med samme ladning som elektronen: muon og tau. Muonen er omkring 200 gange så massiv som en elektron, og så er et atom af muonisk hydrogen (med en proton til en kerne, men en muon i stedet for en elektron, der kredser om den) omkring 200 gange mindre end standard hydrogen.

hvis du binder muonisk hydrogen til en række andre atomer, vil de tjene som en katalysator for nuklear fusion, så den kan fortsætte med meget lavere temperaturer og energier end standardfusion. Muoner lever dog kun i ~2 mikrosekunder, før de forfalder væk, og den mere massive tau lever i mindre end et picosekund. Disse eksotiske atomer er for forbigående til at forblive nyttige i lang tid.

når sollignende stjerner med lavere masse løber tør for brændstof, sprænger de deres ydre lag i en planetarisk tåge, men centret trækker sig sammen for at danne en hvid dværg, hvilket tager meget lang tid at falme til mørke. Den planetariske tåge, som vores sol vil generere, skulle forsvinde fuldstændigt, med kun den hvide dværg og vores resterende planeter tilbage, efter cirka 9, 5 milliarder år. Lejlighedsvis vil genstande blive revet fra hinanden og tilføje støvede ringe til det, der er tilbage af vores solsystem, men de vil være forbigående. Den hvide dværg vil rotere langt, langt hurtigere end vores Sol i øjeblikket gør, men med en forventet masse på omkring 0,5 solmasser vil atomerne i den hvide dværgs kerne, selvom de er komprimeret i forhold til de standardatomer, vi finder på jorden i dag, forblive stabile. (MARK GARLICK / Københavns Universitet)

Alternativt kan du øge trykket på atomerne enormt ved at samle utrolige mængder masse på et enkelt sted i rummet. Et individuelt atom i isolation kan kun være en prisngstrom i størrelse, men hvis du hober en stjernes værd af materiale omkring det, vil det atom føle et udvendigt tryk, der “klemmer” elektronen for at optage et meget mere begrænset volumen.

jo større tryk, jo mere begrænsede elektroner er, og jo mindre atomer er med hensyn til fysisk udstrækning. Der er en grænse for det udvendige tryk, som atomerne kan modstå, før den samme katastrofe som tidligere opstår: atomkernerne kommer så tæt sammen, at deres bølgefunktioner overlapper hinanden, og nuklear fusion kan forekomme. I en hvid dværg forekommer denne tærskel på omkring 1,4 solmasser; overskride den, og du vil afslutte med at starte en løbende fusionsreaktion, hvilket resulterer i dette tilfælde i en type Ia supernova.

to forskellige måder at lave en type Ia supernova på: accretion scenario (L) og fusionsscenarie (R). Uden en binær ledsager kunne vores Sol aldrig gå supernova ved at samle stof, men vi kunne potentielt fusionere med en anden hvid dværg i galaksen, hvilket kunne føre os til at genoplive i en type Ia supernova eksplosion trods alt. Når en hvid dværg krydser en kritisk (1,4 solmasse) tærskel, vil nuklear fusion spontant forekomme mellem tilstødende atomkerner i kernen. ())

det kan være en dejlig science fiction-drøm at fjerne det tomme rum fra atomer og reducere det volumen, som materien optager af faktorer på millioner, billioner eller endnu mere. Det er imidlertid ikke, at elektronerne, der kredser om kernen, i sig selv optager et ekstremt stort rumfang, men snarere at kvanteegenskaberne, der er forbundet med partikler — masser, ladninger, interaktionsstyrke og kvanteusikkerhed — alt sammen kombineres for at skabe de atomer, der findes i vores univers.

selvom vi havde en stabil, tungere modstykke til elektronen eller evnen til at komprimere stof til vilkårligt tætte tilstande, ville vi løbe ind i en kvantetærskel, hvor atomkernerne i atomcentrene spontant ville smelte sammen og forhindre stabile konfigurationer af flere atomer i at eksistere overhovedet. Det faktum, at vores atomer for det meste er tomme rum, tillader eksistensen af molekyler, Kemi og liv.

fjernelse af det tomme rum fra atomer kan være et sjovt tankeeksperiment, men atomer er den størrelse, de er på grund af universets regler. Vores eksistens er afhængig af, at det tomme rum er til stede, men med naturens konstanter, der har de værdier, de gør, skal du ikke bekymre dig. Det kan ikke være nogen anden måde.