Nej, forskare kommer aldrig att kunna ta bort det tomma utrymmet från atomer

BY admin
|

om du skulle ta något objekt i universum som är gjord av normal Materia — allt som en människa kan röra, se eller på annat sätt upptäcka en interaktion med att använda våra kroppar — du skulle upptäcka att du kunde bryta upp det i mindre och mindre komponenter. En hel mänsklig kropp kan brytas upp i organ, som i sin tur består av celler. Varje cell består av organeller, som är mindre strukturer med specialiserade funktioner, och organellerna är beroende av interaktioner som uppträder på molekylär nivå.

att komponera hela uppsättningen molekyler är atomer: den minsta komponenten i normal materia som behåller det aktuella elementets individuella karaktär och egenskaper. Element definieras av antalet protoner i varje atoms kärna, där en atom består av elektroner som kretsar kring den kärnan. Men trots att atomer oftast är tomt utrymme inuti, finns det inget sätt att ta bort det utrymmet. Här är historien om varför.

från makroskopiska skalor ner till subatomära, spelar storlekarna på de grundläggande partiklarna bara en liten roll för att bestämma storlekarna på kompositstrukturer. Istället är det kraftlagarna och hur de interagerar mellan partiklar som påverkas av dessa interaktioner (eller laddade under dem) beter sig, och det bestämmer hur mer grundläggande strukturer binder samman för att bygga upp större. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE TEAM)

en atom, på den mest grundläggande nivån, består av en positivt laddad atomkärna som är extremt liten i volym. För varje proton i atomkärnan finns det en lika och motsatt laddningskvantitet som kretsar runt den, vilket skapar ett övergripande neutralt system: elektronen.

ändå, medan atomkärnan är begränsad till en extremt liten volym — diametern på en proton är rätt runt 1 femtometer, eller 10^-15 m — de kretsande elektronerna, som själva är punktliknande partiklar, upptar en volym som är ungefär 1 occuberngstrom (10^-10 m) i alla tre dimensionerna.

det första experimentet som visade denna enorma skillnad är mer än ett sekel gammalt när fysikern Ernest Rutherford bombade ett tunt ark guldfolie med radioaktiva partiklar.

Rutherfords guldfolieexperiment visade att atomen mestadels var tomt utrymme, men att det fanns en koncentration av massa vid en punkt som var mycket större än massan av en alfapartikel: atomkärnan. (CHRIS IMPEY)

vad Rutherford gjorde var enkelt och enkelt. Experimentet började med en ringformad apparat utformad för att detektera partiklar som stöter på den från vilken riktning som helst. I mitten av ringen placerades tunt hamrad guldfolie av en tjocklek så liten att den inte kunde mätas med verktyg från början av 20-talet: sannolikt bara några hundra eller tusen atomer över.

utanför både ringen och folien placerades en radioaktiv källa så att den skulle bombardera guldfolien från en viss riktning. Förväntningen var att de utsända radioaktiva partiklarna skulle se guldfolien på samma sätt som en laddningselefant skulle se en bit mjukpapper: de skulle helt enkelt gå igenom som om folien inte var där alls.

men detta visade sig bara vara sant för de flesta radioaktiva partiklarna. Några av dem — små i antal men mycket viktiga-uppförde sig som om de studsade av något hårt och fast.

om atomer hade gjorts av kontinuerliga strukturer, skulle alla partiklar som avfyrades på ett tunt guldplåt förväntas passera rakt igenom det. Det faktum att hårda rekyler sågs ganska ofta, till och med orsakade att vissa partiklar studsade tillbaka från sin ursprungliga riktning, hjälpte till att illustrera att det fanns en hård, tät kärna inneboende för varje atom. (KURZON / WIKIMEDIA COMMONS)

några av dem spridda till ena sidan eller den andra, medan andra tycktes ricochet tillbaka mot deras ursprungsriktning. Detta tidiga experiment gav det allra första beviset på att insidan av en atom inte var en fast struktur som tidigare förutsågs, utan snarare bestod av en extremt tät, liten kärna och en mycket mer diffus yttre struktur. Som Rutherford själv påpekade, ser tillbaka årtionden senare,

”det var den mest otroliga händelsen som någonsin har hänt mig i mitt liv. Det var nästan lika otroligt som om du avfyrade ett 15-tums skal på en bit mjukpapper och det kom tillbaka och slog dig.”

denna typ av experiment, där du avfyrar en låg, medium eller högenergipartikel vid en kompositpartikel, är känd som djup oelastisk spridning, och det är fortfarande vår bästa metod för att undersöka den inre strukturen hos något partikelsystem.

när du kolliderar några två partiklar tillsammans, undersöker du den inre strukturen hos partiklarna som kolliderar. Om en av dem inte är grundläggande, utan snarare är en kompositpartikel, kan dessa experiment avslöja sin inre struktur. Här är ett experiment utformat för att mäta den mörka materien/nukleonspridningssignalen; djupa oelastiska spridningsexperiment fortsätter till och med idag. (Mörk materia översikt: COLLIDER, direkt och indirekt upptäckt sökningar-QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV:1605.08788)

för atomen, från en enkel som väte till en komplex som guld, bly eller uran, kan elektronerna hittas långt bortom atomkärnans omfattning. Medan en atomkärna är begränsad till en volym som är ungefär 1 kubik femtometer (10^-15 meter på varje sida), kan en elektron hittas fördelad probabilistiskt över en volym som är ungefär en kvadrillion (101KL) gånger större. Den här egenskapen är oberoende av vilket element vi anser, antalet elektroner närvarande (så länge det är minst en), eller vilken metod vi använder för att mäta elektronen eller kärnan.

det faktum att atomer är mestadels tomt utrymme är känt idag, även för de flesta skolbarn, som lär sig detta faktum ungefär samtidigt som de lär sig om atomernas struktur. När du lär dig detta undrar många av dem — som jag är säker på att många av er undrar-varför kan du inte bara ta bort det tomma utrymmet och kompakta atomer ner till mycket mindre skalor, som storleken på en atomkärna?

Vätedensitetsplottor för en elektron i en mängd olika kvanttillstånd. Medan tre kvantnummer kan förklara en hel del, måste’ spin ’ läggas till för att förklara det periodiska systemet och antalet elektroner i orbitaler för varje atom. (POORLENO / WIKIMEDIA COMMONS)

i den klassiska världen, där naturen spelar efter regler som vi är bekanta med och som matchar vad vår intuition förutsäger, är det väldigt lätt att kontrollera partiklarnas positioner. Men på kvantnivå finns det en grundläggande begränsning som fastställs av naturreglerna: Heisenbergs osäkerhetsprincip.

även om du vet allt som finns att veta om en elektron som kretsar kring en atomkärna, inklusive:

  • vilken energinivå den upptar,
  • vad dess kvanttillstånd är,
  • och hur många andra elektroner finns det i omgivande energinivåer,

det kommer fortfarande att finnas ett antal fastigheter som i sig är osäkra. I synnerhet är en av de inneboende osäkra egenskaperna elektronens position; vi kan bara plotta ut sannolikhetsfördelningen för var elektronen sannolikt kommer att vara.

en illustration mellan den inneboende osäkerheten mellan position och momentum på kvantnivå. Det finns en gräns för hur bra du kan mäta dessa två kvantiteter samtidigt, eftersom multiplicering av dessa två osäkerheter tillsammans kan ge ett värde som måste vara större än en viss begränsad mängd. När en är känd mer exakt, är den andra i sig mindre kapabel att vara känd med någon grad av meningsfull noggrannhet. Detta koncept gäller fas och amplitud för gravitationsvågor. (E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS användare MASCHEN)

anledningen till detta är den inneboende kvantosäkerheten mellan position och momentum. En elektrons momentum, som vi kan tänka på som den rörelseenhet som någon partikel kommer att ha, kan vara känd för en viss precision genom att utföra en specifik mätning.

men ju mer exakt din momentum-avslöjande mätning är, desto större är en inneboende osäkerhet som mätningen kommer att ge till elektronens position. Omvänt, ju mer exakt du försöker mäta elektronens position, desto större blir osäkerheten du inducerar i elektronens momentum. Du kan bara känna till de två kvantiteterna-position och momentum — till en begränsad precision samtidigt, eftersom mätning av en mer exakt kommer att skapa en inneboende större osäkerhet i den du inte mäter.

om du tog en atomkärna och bundet endast en elektron till den, skulle du se följande 10 sannolikhetsmoln för varje elektron, där dessa 10 diagram motsvarar elektronen som upptar var och en av 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3D, 4S, 4P, 4D respektive 4F orbitaler. Om du skulle ersätta elektronen med en muon skulle formerna vara desamma, men den linjära omfattningen av varje dimension skulle vara mindre med ungefär en faktor 200. (GEEK3 / WIKIMEDIA COMMONS)

elektronen upptar naturligtvis den stora volymen vi har kommit att förvänta oss runt atomkärnan av två skäl.

  1. storleken på sannolikhetsmolnet som elektronen upptar är beroende av elektronens laddnings-till-massförhållande. Med samma magnitud laddning som protonen men bara 1/1836: e massan, kan inte ens den ultrastarka elektromagnetiska kraften begränsa elektronen till en mindre volym än vi ser.
  2. den yttre kraften som komprimerar en elektron ner på en atomkärna, som begränsar de yttre komponenterna i sannolikhetsmolnet, är extremt liten även för atomer bundna ihop i en ultrastark gitter. Krafterna mellan elektronerna i två olika atomer, även i atomer som är bundna ihop, är mycket små jämfört med kraften mellan atomkärnan och en elektron.

var och en av dessa skäl ger oss ett hopp om en lösning som fungerar i praktiken, men med begränsad tillämplighet.

oavsett om det är i en atom, molekyl eller jon, kommer övergångarna av kretsande partiklar från en högre energinivå till en lägre energinivå att resultera i utsläpp av strålning vid en mycket speciell våglängd. Om du ersätter de vanliga kretsande partiklarna (elektroner) med tyngre, instabila (muoner) minskar atomens radiella storlek med ungefär massförhållandet mellan den tyngre partikeln och den lättare partikeln, vilket gör det möjligt för muoniska atomer att vara ~200 gånger mindre i var och en av de tre rumsliga dimensionerna än vanliga elektroniska atomer. (GETTY IMAGES)

du kan ersätta elektronen med en mer massiv partikel med samma elektriska laddning. Det finns två elektronliknande partiklar som finns i standardmodellen med samma laddning som elektronen: muon och tau. Muonen är cirka 200 gånger så massiv som en elektron, och så är en atom av muoniskt väte (med en proton för en kärna men en muon istället för en elektron som kretsar runt den) cirka 200 gånger mindre än standardväte.

om du binder muoniskt väte till ett antal andra atomer, kommer de att fungera som en katalysator för kärnfusion, så att den kan fortsätta med mycket lägre temperaturer och energier än standardfusion. Muoner lever dock bara i ~2 mikrosekunder innan de ruttnar bort, och den mer massiva tau lever i mindre än en pikosekund. Dessa exotiska atomer är för övergående för att förbli användbara länge.

när lägre massa, solliknande stjärnor får slut på bränsle, blåser de av sina yttre lager i en planetarisk nebulosa, men mitten drar sig ner för att bilda en vit dvärg, vilket tar mycket lång tid att blekna till mörkret. Den planetariska nebulosan som vår sol kommer att generera bör blekna helt, med bara den vita dvärgen och våra kvarvarande planeter kvar, efter cirka 9,5 miljarder år. Ibland kommer föremål att rivas sönder och lägga dammiga ringar till det som återstår av vårt solsystem, men de kommer att vara övergående. Den vita dvärgen kommer att rotera långt, mycket snabbare än vår sol för närvarande gör, men med en förväntad massa på cirka 0,5 solmassor kommer atomerna i den vita dvärgens kärna, även om de komprimeras i förhållande till de standardatomer vi hittar på jorden idag, att förbli stabila. (MARK GARLICK / UNIVERSITY of WARWICK ) )

Alternativt kan du öka trycket på atomerna enormt genom att stapla upp otroliga mängder massa på en enda plats i rymden. En enskild atom i isolering kan bara vara en sackaros i storlek, men om du staplar en stjärnas värde av material runt den, kommer den atomen att känna ett yttre tryck som ”pressar” elektronen för att uppta en mycket mer begränsad volym.

ju större tryck, desto mer begränsade elektronerna är, och ju mindre atomerna är i termer av fysisk utsträckning. Det finns en gräns för det yttre trycket som atomerna kan tåla innan samma katastrof som tidigare inträffar: atomkärnorna kommer så nära varandra att deras vågfunktioner överlappar varandra och kärnfusion kan inträffa. I en vit dvärg inträffar denna tröskel vid cirka 1,4 solmassor; överstiga den, och du kommer att sluta initiera en löpande fusionsreaktion, vilket resulterar i detta fall i en typ Ia supernova.

två olika sätt att göra en typ Ia-supernova: accretion scenario (L) och fusionsscenario (R). Utan en binär följeslagare kunde vår Sun aldrig gå supernova genom att accretera materia, men vi kan potentiellt slå samman med en annan vit dvärg i galaxen, vilket kan leda oss att återuppliva i en typ Ia supernova explosion trots allt. När en vit dvärg korsar en kritisk (1,4 solmassa) tröskel, kommer kärnfusion spontant att ske mellan intilliggande atomkärnor i kärnan. (NASA / CXC / M. WEISS)

det kan vara en härlig science fiction-dröm att ta bort det tomma utrymmet från atomer, minska volymen som materia upptar av faktorer av miljoner, biljoner eller ännu mer. Det är emellertid inte så att elektronerna som kretsar kring kärnan i sig upptar en extremt stor volym utrymme, utan snarare att kvantegenskaperna som är inneboende för partiklar — massor, laddningar, interaktionsstyrka och kvantosäkerhet — alla kombineras för att skapa de atomer som finns i vårt universum.

även om vi hade en stabil, tyngre motsvarighet till elektronen eller förmågan att komprimera Materia till godtyckligt täta tillstånd, skulle vi springa in i en kvanttröskel där atomkärnorna vid atomernas centrum spontant skulle smälta, vilket förhindrar stabila konfigurationer av flera atomer från att existera alls. Det faktum att våra atomer är mestadels tomt utrymme tillåter existensen av molekyler, Kemi och liv.

att ta bort det tomma utrymmet från atomer kan vara ett roligt tankeexperiment, men atomer är storleken de är på grund av universums regler. Vår existens är beroende av att det tomma utrymmet är närvarande, men med naturens konstanter som har de värden de gör, oroa dig inte. Det kan inte vara något annat sätt.