Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 5

Artykuły

Wszyscy jesteście puści

10th Wrz '15

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

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • 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