Tomt rum i atomerne? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Tomt rum i atomerne?

09. december 2014

Tomt rum i atomerne?

Hej Spørg om Fysik
Jeg har et spørgsmål. Jeg kender til en Greene, som har sagt, at hvis man fjerner tomrummet i atomerne, så ville Empire state building fylde et riskorn.

Empire state building, Bygget 1931, 443 m høj, 200.000 kvadratmeter etageareal

For nylig stødte jeg på en påstand om at man, hvis tomrummet blev fjernet, kunne have alle mennesker på Jorden i en sukkerknald. Er det sandt? Jeg tænker de to historier ikke helt passer sammen i størrelsesforhold.

Men så tænker jeg videre... Giver det overhovedet mening at tale om atompartiklernes rumlige fylde? Jeg husker fra hvad jeg læste for mange år siden, og der var nogle Feinmann-diagrammer og noget om, at partiklerne består af mindre partikler (myoner, gluoner, bosoner, tachyoner, er vist nogle af dem. Jeg er ikke klog på det).

Er det både elektronen og kernepartiklerne, der kan smadres til mindre? Og består de ikke i sidste ende af vibrerende energi? Kan man så måle størrelsen af fx en elektron?

Med venlig hilsen 
SF

Du har såvel ret som uret. Imellem atomerne virker en række kræfter.

En række krystalgitre

Elektronkonfigurationen omkring et givet grundstof får atomerne til at kunne lægge sig i forskellige ”gitre”, dvs. somme tider ligger de i et mønster, hvor et atom ser 6 andre, som de nærmeste lige langt fra sig somme tider andre tal. De lægger sig i et mønster, som kræver mindst mulig energi i forhold til elektronskyen om atomet. Forøger man trykket på stoffet, kan mønsteret ændres, se vands fasediagram, hvor der er mange krystalformer ved højt tryk. Det der hele tiden er grundenheden er et atom, dvs. en kerne med det tilsvarende antal elektroner, som jo bestemmes af kerneladningen (stoffet er neutralt som udgangspunkt) og med elektronerne i baner som bestemmes af kvantemekaniske love, atomnummeret osv.

Forøger man trykket voldsomt, kan man ændre lidt på elektronernes placering, men med de tryk vi kan producere statisk er ændringerne små. Hvis du ser på fasediagrammerne, der er afbildet, vil du se at rumfanget af væsler og faste stoffer stort set ikke ændres med trykket, og der er tryk på op over 1012 Pa eller 10 000 000 atmosfærer.

Atomets størrelse

Tomrummet er imellem elektronerne og kernen. Atomernes størrelse målt til den afstand, man har dem liggende i, kan presses til afstanden er omkring  10-10 m eller 1/10 000 000 del af en mm (0,1 nm). Kernens størrelse er omkring 10-14 m altså 10 000 gange mindre, så der er meget plads imellem kernerne og elektronerne, men der er altså elektronskyen som bestemmer atomets størrelse.

Hvis trykket eller rettere kræfterne er store nok, kan det bryde sammen. Det sker i stjerner, der er faldet sammen, efter de er brændt ud. En neutronstjerne, som har samme masse som solen, har en radius på ca. 10 km, solens radius er ca. 695 990 km. Densiteten (massefylden) af neutronstjerner er omkring 1018 kg/m3, , og så er der ikke mere nogen tom plads. Jorden vejer 5,976*1024 kg, var den af neutronstjernestof, ville radius være ca. 113.

Neutronstjerne, resten af den oprindelige stjerne i Krabbetågen

En sukkerknald vejer ca. 4 g og densiteten er 1,6 g/cm3, det betyder, at den har et rumfang på ca. 2,5 cm3. Var den fremstillet af samme stof som en neutronstjerne, ville den ca. veje 2,5*1015 g eller 2,5*1012 kg. Jeg ved ikke, hvad Empire State Building  vejer, men med omtrentlige mål, hvis man fyldte bygningen med vand ville det veje mere end 100 gange mindre, så bygningen i sig selv er antageligt lettere. Tager vi mennesker på jorden er det i omegnen af 10 000 000 000, antager vi dem en gennemsnitsvægt på 65 kg, giver det 650 000 000 000 kg eller som 3 sukkerknalder. Jeg kan ikke forholde mig til ris korn, fordi det viser sig, at der er mange typer, og de er meget forskellige i masse men også i densitet.

Vands fasediagram, bemærk den lodrette gren viser kun lille sammentrykning selv ved meget høje tryk

Atomet har et volumen. Det er det, vi ser i dagligdagen i de stoffer, der omgiver os. Kernerne har også et volumen, det fremgår af, at neutronstjerner har et volumen.

At man i acceleratorer kan dele kerne i mindre partikler ved sammenstød er rigtigt, man kender et stort antal, og de er beskrevet i det fysikerne kalder standardmodellen, men jeg kan ikke rigtigt se, hvad der spørges om i den sammenhæng.

Vands fasediagram ved meget høje tryk hvor man kan se at isen ændre krystalform når det er energetisk fordelagtigt

Man kan måle bølgelængden af en elektron under givne omstændigheder, men om størrelse har vi skrevet se:

Med venlig hilsen
Malte Olsen