Nie, naukowcy nigdy nie będą w stanie usunąć pustej przestrzeni z atomów

BY admin
|

jeśli wziąć jakikolwiek obiekt we wszechświecie, który jest zbudowany z normalnej materii — cokolwiek, co człowiek mógłby dotknąć, zobaczyć lub w inny sposób wykryć interakcję z użyciem naszego ciała — odkrylibyście, że można go rozbić na coraz mniejsze składniki. Całe ludzkie ciało można podzielić na narządy, które z kolei składają się z komórek. Każda komórka składa się z organelli, które są mniejszymi strukturami o wyspecjalizowanych funkcjach, a organelle są zależne od interakcji zachodzących na poziomie molekularnym.

w skład pełnego zestawu cząsteczek wchodzą Atomy: najmniejszy Składnik normalnej materii, który zachowuje indywidualny charakter i właściwości danego pierwiastka. Pierwiastki są zdefiniowane przez liczbę protonów w jądrze każdego atomu, gdzie atom składa się z elektronów krążących wokół tego jądra. Ale pomimo faktu, że atomy są w większości pustą przestrzenią wewnątrz, nie ma sposobu na usunięcie tej przestrzeni. Oto historia dlaczego.

od skal makroskopowych do subatomowych, rozmiary podstawowych cząstek odgrywają tylko niewielką rolę w określaniu rozmiarów struktur kompozytowych. Zamiast tego, to prawa siły i sposób, w jaki oddziałują one między cząstkami pod wpływem tych oddziaływań (lub naładowanymi pod nimi) zachowują się, i to decyduje o tym, jak bardziej fundamentalne struktury wiążą się ze sobą, aby zbudować większe. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / Izolda TEAM)

atom, na najbardziej podstawowym poziomie, składa się z dodatnio naładowanego jądra atomowego o bardzo małej objętości. Dla każdego protonu w jądrze atomowym istnieje równy i przeciwny kwantowy ładunek, który krąży wokół niego, tworząc ogólny neutralny układ: elektron.

jednak, podczas gdy jądro atomowe jest ograniczone do bardzo małej objętości-średnica protonu wynosi około 1 femtometr, lub 10^-15 m-orbitujące elektrony, które same są cząstkami punktowymi, zajmują objętość, która wynosi około 1 ångstrom (10^-10 m) we wszystkich trzech wymiarach.

pierwszy eksperyment, który wykazał tę ogromną różnicę, ma ponad sto lat, kiedy fizyk Ernest Rutherford zbombardował cienką warstwę złotej folii radioaktywnymi cząstkami.

eksperyment Rutherforda ze złotą folią wykazał, że atom był w większości pustą przestrzenią, ale w jednym punkcie było stężenie masy, które było znacznie większe niż masa cząstki alfa: jądro atomowe. (CHRIS IMPEY)

to, co zrobił Rutherford, było proste i proste. Eksperyment rozpoczął się od urządzenia w kształcie pierścienia zaprojektowanego do wykrywania cząstek napotykających go z dowolnego kierunku. W środku pierścienia umieszczono cienko młotkowaną złotą folię o grubości tak małej,że nie można było jej zmierzyć za pomocą narzędzi z początku XX wieku: prawdopodobnie zaledwie kilkaset lub tysiące atomów w poprzek.

poza pierścieniem i folią umieszczono źródło radioaktywne, aby bombardowało złotą folię z jednego konkretnego kierunku. Oczekiwano, że emitowane radioaktywne cząstki będą widzieć złotą folię w taki sam sposób, jak szarżujący słoń zobaczy kawałek bibułki: będą po prostu przechodzić przez nią tak, jakby folii w ogóle nie było.

ale okazało się to prawdą tylko dla większości cząstek radioaktywnych. Kilka z nich — nieliczne, ale niezwykle ważne-zachowywało się tak, jakby odbijało się od czegoś twardego i nieruchomego.

gdyby Atomy były zbudowane z ciągłych struktur, wszystkie cząstki wystrzeliwane w cienki arkusz złota mogłyby przejść przez niego. Fakt, że twarde odrzuty były widoczne dość często, powodując nawet odbicie niektórych cząstek z pierwotnego kierunku, pomógł zilustrować, że istnieje twarde, gęste jądro nieodłączne dla każdego atomu. (KURZON / WIKIMEDIA COMMONS)

niektóre z nich rozproszyły się na jedną lub drugą stronę, podczas gdy inne zaczęły rykoszetować w kierunku swojego pochodzenia. Ten wczesny eksperyment dostarczył pierwszych dowodów, że wnętrze atomu nie było solidną strukturą, jak wcześniej przewidywano, ale raczej składało się z niezwykle gęstego, małego rdzenia i znacznie bardziej rozproszonej struktury zewnętrznej. Jak zauważył sam Rutherford, patrząc wstecz dekady później,

„to było najbardziej niesamowite wydarzenie, jakie w życiu mi się przytrafiło. To było prawie tak niesamowite, jakbyś wystrzelił 15-calową kulę w kawałek bibułki i wrócił i uderzył cię.”

ten rodzaj eksperymentu, w którym wystrzeliwujesz cząstkę o niskiej, średniej lub wysokiej energii w cząstkę złożoną, jest znany jako głębokie rozpraszanie nieelastyczne i pozostaje naszą najlepszą metodą sondowania wewnętrznej struktury dowolnego układu cząstek.

kiedy zderzasz dowolne dwie cząstki razem, badasz wewnętrzną strukturę zderzających się cząstek. Jeśli jedna z nich nie jest fundamentalna, ale jest raczej cząstką złożoną, eksperymenty te mogą ujawnić jej wewnętrzną strukturę. Tutaj eksperyment jest przeznaczony do pomiaru sygnału rozpraszania ciemnej materii/nukleonów; Głębokie eksperymenty rozpraszania nieelastycznego trwają nawet do dnia dzisiejszego. (DARK MATTER OVERVIEW: COLLIDER, DIRECT AND INDIRECT DETECTION SEARCHES-QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV:1605.08788)

dla atomu, od prostego jak wodór do złożonego jak złoto, ołów czy uran, elektrony można znaleźć daleko poza zasięgiem jądra atomowego. Podczas gdy jądro atomowe jest ograniczone do objętości około 1 sześciennego femtometru (10^-15 metrów po każdej stronie), elektron może być rozłożony probabilistycznie na objętości, która jest w przybliżeniu kwadrylion (101⁵) razy większa. Ta właściwość jest niezależna od tego, który element rozważamy, liczby obecnych elektronów (o ile jest to co najmniej jeden), lub jakiej metody używamy do pomiaru elektronu lub jądra.

fakt, że atomy są w większości pustą przestrzenią, jest dziś znany nawet większości uczniów, którzy dowiadują się o tym fakcie mniej więcej w tym samym czasie, gdy dowiadują się o strukturze atomów. Kiedy się o tym dowiedzieli, wielu z nich zastanawia się — jak zapewne wielu z Was zastanawia się — dlaczego nie można po prostu usunąć tej pustej przestrzeni i zwartych atomów do znacznie mniejszych skal, jak wielkość jądra atomowego?

Wykres gęstości wodoru dla elektronu w różnych stanach kwantowych. Podczas gdy trzy liczby kwantowe mogą wiele wyjaśnić, „spin” musi zostać dodany, aby wyjaśnić układ okresowy i liczbę elektronów na orbitalach dla każdego atomu. (POORLENO / WIKIMEDIA COMMONS)

w klasycznym świecie, gdzie natura gra według zasad, które znamy i które pasują do tego, co przewiduje nasza intuicja, bardzo łatwo jest kontrolować położenie cząstek. Ale na poziomie kwantowym istnieje fundamentalne ograniczenie określone przez reguły natury: zasada nieoznaczoności Heisenberga.

nawet jeśli wiesz wszystko o elektronie krążącym wokół jądra atomowego, w tym:

  • jaki poziom energii zajmuje,
  • jaki jest jego stan kwantowy,
  • i ile innych elektronów znajduje się w otaczających poziomach energetycznych,

nadal pozostanie wiele właściwości, które są z natury niepewne. W szczególności, jedną z nieodłącznie niepewnych właściwości jest pozycja elektronu; możemy tylko wykreślić rozkład prawdopodobieństwa tego, gdzie elektron jest prawdopodobny.

ilustracja między nieodłączną niepewnością między położeniem a pędu na poziomie kwantowym. Istnieje granica co do tego, jak dobrze można zmierzyć te dwie wielkości jednocześnie, ponieważ pomnożenie tych dwóch niepewności razem może dać wartość, która musi być większa niż pewna skończona ilość. Kiedy jeden jest znany dokładniej, drugi jest z natury mniej znany z jakimkolwiek stopniem znaczącej dokładności. Pojęcie to dotyczy fazy i amplitudy fal grawitacyjnych. (E. SIEGEL / użytkownik WIKIMEDIA COMMONS MASCHEN)

powodem tego jest nieodłączna niepewność kwantowa między położeniem a pędem. Pęd elektronu, o którym możemy myśleć jako o jednostce ruchu każdej cząstki, może być znany z pewną precyzją, wykonując określony pomiar.

jednak im dokładniejszy jest twój pomiar pędu, tym większa jest nieodłączna niepewność, jaką akt pomiaru nada pozycji elektronu. Odwrotnie, im dokładniej spróbujesz zmierzyć pozycję elektronu, tym większa będzie niepewność, którą wywołasz w pędzie elektronu. Możesz znać tylko te dwie wielkości — pozycję i pęd — z ograniczoną precyzją w tym samym czasie, ponieważ dokładniejsze zmierzenie jednej z nich stworzy z natury większą niepewność w tej, której nie mierzysz.

gdyby wziąć jądro atomowe i związać z nim tylko jeden elektron, zobaczylibyśmy następujące 10 chmur prawdopodobieństwa dla każdego elektronu, gdzie te 10 diagramów odpowiada elektronowi zajmującemu odpowiednio orbitale 1s, 2s, 2P, 3S, 3P, 3D, 4s, 4p, 4D i 4F. Gdyby zastąpić elektron mionem, kształty byłyby takie same, ale liniowy zasięg każdego wymiaru byłby mniejszy o około 200. (GEEK3 / WIKIMEDIA COMMONS)

elektron naturalnie zajmuje dużą objętość, jakiej spodziewaliśmy się wokół jądra atomowego z dwóch powodów.

  1. rozmiar chmury prawdopodobieństwa, którą zajmuje elektron, zależy od stosunku ładunku do masy elektronu. Przy takim samym ładunku wielkości jak proton, ale tylko 1/1836 masy, nawet bardzo silna siła elektromagnetyczna nie może ograniczyć elektronu do mniejszej objętości, niż widzimy.
  2. siła zewnętrzna ściskająca elektron w dół do jądra atomowego, ograniczająca zewnętrzne składniki obłoku prawdopodobieństwa, jest niezwykle mała nawet dla atomów połączonych ze sobą w ultra-silnej sieci. Siły między elektronami w dwóch różnych atomach, nawet w atomach, które są ze sobą związane, jest bardzo mała w porównaniu do siły między jądrem atomowym i elektronem.

każdy z tych powodów daje nam nadzieję na obejście, które działa w praktyce, ale z ograniczonym zastosowaniem.

niezależnie od tego, czy w atomie, cząsteczce czy Jonie, przejścia orbitujących cząstek z wyższego poziomu energii do niższego poziomu energii spowodują emisję promieniowania o bardzo określonej długości fali. Jeśli zastąpisz standardowe orbitujące cząstki (elektrony) cięższymi, niestabilnymi (mionami), rozmiar promieniowy atomu zmniejszy się o około stosunek masy cięższej cząstki do lżejszej cząstki, co pozwoli atomom mionowym być ~200 razy mniejszym w każdym z trzech wymiarów przestrzennych niż standardowe Atomy elektroniczne. (GETTY IMAGES)

można zastąpić elektron bardziej masywną cząstką o tym samym ładunku elektrycznym. Istnieją dwie elektronopodobne cząstki, które istnieją w modelu standardowym z takim samym ładunkiem jak elektron: mion i tau. Mion jest około 200 razy masywniejszy od elektronu, a więc atom mionowego wodoru (z protonem w jądrze, ale mionem zamiast elektronem krążącym wokół niego) jest około 200 razy mniejszy niż standardowy Wodór.

jeśli połączysz Wodór mionowy z wieloma innymi atomami, będą one służyć jako katalizator fuzji jądrowej, pozwalając jej na znacznie niższe temperatury i energie niż standardowa fuzja. Jednak miony żyją tylko przez ~ 2 mikrosekundy przed rozpadem, a masywniejsze tau żyją krócej niż pikosekunda. Te egzotyczne atomy są zbyt przejściowe, aby pozostać użyteczne przez długi czas.

kiedy Gwiazdy o mniejszej masie, podobne do Słońca, kończą się paliwem, zdmuchują swoje zewnętrzne warstwy w mgławicy planetarnej, ale centrum kurczy się, tworząc białego karła, co trwa bardzo długo, zanim zapadnie w ciemność. Mgławica planetarna, którą wygeneruje nasze Słońce, powinna całkowicie zniknąć, z wyjątkiem białego karła i planet resztkowych, po około 9,5 miliarda lat. Czasami obiekty zostaną rozerwane na strzępy, dodając zakurzone pierścienie do pozostałości naszego Układu Słonecznego, ale będą one przejściowe. Biały karzeł będzie obracał się znacznie szybciej niż nasze słońce, ale przy oczekiwanej masie około 0,5 masy Słońca, Atomy w jądrze białego karła, choć skompresowane w stosunku do standardowych atomów, które znajdujemy dziś na Ziemi, pozostaną stabilne. (MARK GARLICK / UNIVERSITY of WARWICK)

Alternatywnie, można zwiększyć nacisk na Atomy ogromnie przez gromadzenie niesamowitych ilości masy w jednym miejscu w przestrzeni. Pojedynczy atom w izolacji może mieć tylko rozmiar ångstroma, ale jeśli zgromadzisz wokół niego materiał wartą Gwiazdy, ten atom poczuje zewnętrzne ciśnienie, które „ściska” elektron, aby zajmował znacznie bardziej ograniczoną objętość.

im większe ciśnienie, tym bardziej ograniczone są elektrony i tym mniejsze są atomy pod względem fizycznego zasięgu. Istnieje ograniczenie ciśnienia zewnętrznego, które atomy mogą wytrzymać przed tą samą katastrofą, co wcześniej: jądra atomowe są tak blisko siebie, że ich funkcje falowe nakładają się na siebie i może dojść do fuzji jądrowej. W przypadku białego karła próg ten występuje przy masie około 1,4 masy Słońca; przekroczenie go powoduje rozpoczęcie reakcji fuzji, co w tym przypadku skutkuje supernową typu Ia.

dwa różne sposoby stworzenia supernowej typu Ia: scenariusz akrecji (L) i scenariusz połączenia (R). Bez binarnego towarzysza nasze słońce nigdy nie byłoby supernową przez akrecję materii, ale moglibyśmy potencjalnie połączyć się z innym białym karłem w galaktyce, co mogłoby doprowadzić nas do ożywienia w eksplozji supernowej typu Ia. Gdy biały karzeł przekroczy krytyczny (1,4 masy Słońca) próg, nastąpi spontaniczna fuzja jądrowa pomiędzy sąsiednimi jądrami atomowymi w jądrze. (NASA / CXC / M. WEISS)

może to być wspaniałe marzenie science fiction, aby usunąć pustą przestrzeń z atomów, zmniejszając objętość, którą Materia zajmuje przez czynniki milionów, bilionów lub nawet więcej. Jednak nie chodzi o to, że elektrony krążące wokół jądra z natury zajmują niezwykle dużą przestrzeń, ale raczej o to, że właściwości kwantowe właściwe cząstkom — masy, ładunki, Siła interakcji i niepewność kwantowa — wszystkie łączą się, tworząc atomy, które istnieją w naszym wszechświecie.

nawet gdybyśmy mieli stabilny, cięższy odpowiednik elektronu lub zdolność do kompresji materii do dowolnie gęstych Stanów, wpadlibyśmy na próg kwantowy, w którym jądra atomowe w centrach atomów spontanicznie się łączą, uniemożliwiając stabilne konfiguracje wielu atomów w ogóle. Fakt, że nasze atomy są w większości pustą przestrzenią pozwala na istnienie cząsteczek, chemii i życia.

usunięcie pustej przestrzeni z atomów może być zabawnym eksperymentem myślowym, ale atomy są wielkości, które są ze względu na reguły wszechświata. Nasza egzystencja zależy od obecności tej pustej przestrzeni, ale ze stałymi natury posiadającymi wartości, które mają, nie martw się. Nie może być inaczej.