Podobno przeciętny człowiek w 70% złożony jest z wody. Mam dla was ciekawszą wiadomość: jakieś 99,999999999999% materii waszych ciał stanowi wyłącznie… próżnia.

Kiedy spo­glą­damy do ency­klo­pe­dii lub pod­ręcz­nika i widzimy śmiesz­nie małe wiel­ko­ści (śmiesz­nie dużych też to dotyczy), typu 10^-7 m, 10^-9 m, 10^-12 m etc., szybko prze­bie­gamy po nich wzrokiem nie wycią­ga­jąc z tego żadnych szcze­gól­nych wniosków. Jedyne na co zwrócimy uwagę to fakt, że mowa o cho­ler­nie maleń­kich dro­bin­kach, w których dostrze­że­niu nie pomoże nam żadna lupa na świecie. Umyka nam czasem to, że roz­pię­tość skali w mikro­świe­cie pre­zen­tuje się wcale nie mniej spek­ta­ku­lar­nie, niż ta obser­wo­wana przez astro­no­mów i kosmo­lo­gów na niebie.

Przy­kła­dowo, wielkość ludzkiej komórki jajowej wynosi mniej więcej 10^-4 m, podczas gdy wirus HIV jest przeszło tysiąc razy mniejszy, nie prze­kra­cza­jąc 10^-7 m. Do obser­wa­cji obu obiektów biolog będzie musiał dopomóc sobie odpo­wied­nim instru­men­tem, ale jednak różnica wiel­ko­ści jest w tym przy­padku równie duża co zesta­wie­nie mojej mieściny z powierzch­nią Polski. W przy­padku atomów i cząstek ele­men­tar­nych rzecz ma się jeszcze cie­ka­wiej!

Omó­wie­nie budowy atomu zasłu­guje na osobny tekst, ale podstawy kojarzy każdy kto ma za sobą szkolne lekcje chemii i fizyki. Mamy jądro zbu­do­wane z protonów i neu­tro­nów oraz “okrą­ża­jące” je elek­trony. (W cudzy­sło­wie, bowiem przez swoją falowo-cząst­kową naturę, obraz elek­tronu wcale nie przy­po­mina planety obie­ga­ją­cej Słońce.) Możecie być nato­miast pewni, że prawie żadna z pod­ręcz­ni­ko­wych rycin nie oddaje skali wiel­ko­ści sub­a­to­mo­wych struktur. W imię uprosz­cze­nia, podobnie jak ma to miejsce przy szki­co­wa­niu Układu Sło­necz­nego, autorzy nie zaprzą­tają sobie głowy rze­czy­wi­stymi roz­mia­rami obiektów. Te jednak mają swoje fizyczne zna­cze­nie, o czym prze­ko­nali się już pierwsi eks­pe­ry­men­ta­to­rzy.
Jądro atomu odkrył na początku ubie­głego stulecia Ernst Ruther­ford. Pyskaty Nowo­ze­land­czyk zlecił swoim stu­den­tom (a była to ciekawa zbie­ra­nina, wśród której wyrosło kilka talentów) naświe­tlać cie­niutki kawałek złotej folii pro­mie­niami alfa. Cząstki α to po prostu jądra złożone z dwóch protonów i dwóch neu­tro­nów. Ruther­ford o tym nie wiedział, ale znał cha­rak­te­ry­stykę pro­mie­nio­wa­nia i chciał za jego pomocą zbadać struk­turę ostrze­li­wa­nej materii. Gdy tylko cząstka wpadała na atom, jej tra­jek­to­ria ulegała nie­wiel­kiemu odchy­le­niu czemu towa­rzy­szyła emisja światła. Jednak raz na jakieś osiem tysięcy bom­bar­do­wań działo się coś dziwnego: cząstka α w ogóle nie prze­bi­jała się przez folię, lecz ulegała kom­plet­nemu odbiciu. Zasko­cze­nie wynikało stąd, że sto­so­wano pro­mie­nie o naprawdę dużej energii, dlatego sam Ruther­ford porównał całe zda­rze­nie do odbicia pocisku arty­le­ryj­skiego od serwetki. Nie trzeba inte­re­so­wać się mili­ta­riami aby wiedzieć, że coś takiego jest nie­moż­liwe.
eksperyment rutherforda
Eks­pe­ry­ment dowiódł, że pędzące z dużą pręd­ko­ścią cząstki, potra­fiące bez więk­szych kłopotów prze­drzeć się przez chmurę elek­tro­nów (elek­trony znano już od kilku lat), od czasu do czasu uderzają w jakąś naprawdę upartą prze­szkodę. Teo­re­tycy prędko obli­czyli, że rozmiary tamy stojącej na drodze pro­mie­nio­wa­nia, nie prze­kra­czają jednej biliar­do­wej metra (10^-15 m). To naprawdę bardzo, bardzo mała wielkość, zwa­żyw­szy że gabaryty prze­cięt­nego atomu jako całości wynoszą około 10^-10 m. Jeśli zatem uzna­wa­li­ście same atomy za nie­zwy­kle małe, to pamię­taj­cie, iż jądro jest jeszcze sto tysięcy razy mniejsze! Jed­no­cze­śnie, nie prze­szka­dza mu to kumu­lo­wać 99,999% bilansu masy/energii atomu (elektron jest dzie­siątki tysięcy razy mizer­niej­szy od protonu czy neutronu).
poprawny model

Może nadal nie jest to idealny model, ale już znacznie bliższy rze­czy­wi­sto­ści.

Dla prze­tra­wie­nia i utrwa­le­nia, prze­łóżmy to na wiel­ko­ści makro­sko­powe. Gdybyśmy roz­cią­gnęli jądro atomowe do średnicy piłeczki ping­pon­go­wej, od powłok elek­tro­no­wych dzie­liłby je dystans ponad pół kilo­me­tra. Nato­miast gdyby jądro było roz­mia­rów Ziemi, to cały atom zaj­mo­wałby prze­strzeń się­ga­jącą orbity Jowisza. Cóż, może jednak ten pla­ne­tarny model atomu nie jest taki zły jak go malują – o ile choć w przy­bli­że­niu zacho­wamy skalę odle­gło­ści.

Dys­po­nu­jąc tą wiedzą już Ruther­ford wycią­gnął ważną kon­klu­zję: wszyst­kie cząstki ele­men­tarne – maleńkie nukleony i jeszcze mniejsze elek­trony – zajmują znacznie mniej niż miliar­dową część obję­to­ści atomu. Ota­cza­jąca nas materia przy­po­mina struk­turą naj­tań­sze, “pom­po­wane” bułki z hiper­mar­ketu. Wyci­ska­jąc z naszych ciał całą próżnię, uzy­ska­li­by­śmy gęstą grudkę roz­mia­rów ziarenka ryżu. Albo i mniejszą.

Inna sprawa, że wszech­obecna próżnia nie jest po prostu zwykłą pustką i pełni w naturze bardzo istotne funkcje.

podpis-czarny

  • Junoxe

    Aby dać obraz ultra małym wymiarom, pod­po­wie­dział­bym by porównać skalę Plancka 10^-31 cm (wnętrze jądra ato­mo­wego) do wiel­ko­ści wszech­świata czyli jakie 10^26 cm. To dopiero pokazuje skalę małych odle­gło­ści. Choć wiem, że wpis tylko dotyka “problemu”. 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ver­Ti­slav

    Heh, pare dni temu myslalem o napi­sa­niu podob­nego wpisu na Wykopie… 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Lukasz

    Gdzieś wyczy­ta­łem, że gdyby usunąć te pustki z naszych ciał to całą ludzkość można by zmieścić w sze­ścia­nie wiel­ko­ści kostki cukru. Zadzi­wia­jące, że w świecie fizyki tak wiele rzeczy można porównać do kostki cukru albo łyżeczki. 😉

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://COSMICBULLETIN.NET cosmicbulletin.net

      Asimov kiedyś ujął to mniej więcej nastę­pu­jąco: Gdyby całą materię wszech­świata zamknąć w ziarnku piasku, to ziarnko musiało by znaj­do­wać się w pokoju o wymia­rach 30km x 30km x 30km.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Zombi

    Tekst zna­ko­mity, ale mam niedosyt, jakby był w połowie urwany. Mam nadzieję że ostatnie zdanie stanie się począt­kiem nowego tekstu o powło­kach elek­tro­no­wych 😀

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Łukasz

    Hmm… mówiąc o budowie materii czemu zatrzy­my­wać się na protonie, neu­tro­nie i elek­tro­nie, one też zbu­do­wane są z kwarków i kolejnej porcji próżni, a kwarki pewnie też się podzielą na coś mniej­szego i próżnie

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0