Die meisten Menschen stellen sich bei der Vorstellung eines Atoms einen kleinen Kern vor, der aus Protonen und Neutronen besteht und um den sich ein oder mehrere Elektronen bewegen. Diese Ansicht basiert auf einer partikelbasierten Interpretation der Quantenmechanik. Es reicht jedoch nicht aus, Atome unter Standardbedingungen zu beschreiben.
Wenn Sie die Geheimnisse des Universums enthüllen möchten, müssen Sie es nur abfragen, bis es Antworten in einer Form gibt, in der Sie sie verstehen können. Wenn zwei Energiequanten interagieren - ob es sich um Teilchen oder Antiteilchen handelt, massiv oder masselos, Fermionen oder Bosonen - kann das Ergebnis im Prinzip Aufschluss über die Regeln und Gesetze geben, denen dieses System folgt. Wenn wir alle möglichen Varianten der Ergebnisse einer Interaktion kennen, einschließlich ihrer relativen Wahrscheinlichkeiten, können wir nur dann sagen, dass wir verstehen, was passiert.
Überraschenderweise kann alles, was wir über das Universum wissen, auf die eine oder andere Weise mit der bescheidensten Entität verbunden werden, die wir kennen: dem Atom. Ein Atom ist die kleinste Einheit der Materie, die noch die einzigartigen Eigenschaften der makroskopischen Welt wie physikalische und chemische Eigenschaften beibehält. Gleichzeitig ist es im Grunde eine Quanteneinheit mit ihren Energieniveaus, Eigenschaften und Erhaltungsgesetzen. Darüber hinaus ist dieses unauffällige Atom mit allen vier bekannten fundamentalen Wechselwirkungen verbunden. In einem einzelnen Atom kann man tatsächlich die gesamte Physik sehen. Und hier ist, was sie uns über das Universum erzählen kann.
Von makroskopischen bis zu subatomaren Skalen spielt die Größe der Grundpartikel eine geringe Rolle bei der Bestimmung der Größe von Verbundstrukturen. Es ist noch nicht bekannt, ob diese Bausteine wirklich fundamentale und punktförmige Teilchen sind, aber wir verstehen, wie das Universum von großen kosmischen Skalen bis zu kleinen subatomaren funktioniert. Der menschliche Körper enthält etwa 10 28 Atome.
Hier auf der Erde sind ungefähr 90 Elemente auf natürliche Weise erschienen - als Ergebnis des Verlaufs der kosmischen Prozesse, die sie erzeugt haben. Ein Element ist im Wesentlichen ein Atom, dessen Kern aus Protonen (und möglicherweise) Neutronen besteht. Um den Kern herum befinden sich mehrere Elektronen, deren Anzahl der Anzahl der Protonen entspricht. Jedes Element verfügt über eigene Eigenschaften, darunter:
- Härte,
- Farbe,
- Schmelz- und Siedepunkt,
- Dichte (Menge der Masse pro Volumen),
- Leitfähigkeit (wie leicht sich Elektronen bewegen können, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird)
- Elektronegativität (wie fest ein Atomkern an Elektronen festhält, wenn er an andere Atome gebunden ist),
- Ionisierungsenergie (wie viel Energie wird benötigt, um ein Elektron auszuschalten),
sowie viele andere. Interessanterweise wird der Atomtyp (und damit alle seine Eigenschaften) nur durch eine Größe bestimmt: die Anzahl der Protonen im Kern.
Die Vielfalt der Atome und die Quantenregeln für Elektronen, die sich im Orbit um Kerne bewegen - identische Teilchen - ermöglichen es ohne Übertreibung zu sagen, dass alles unter der Sonne aus Atomen besteht - in der einen oder anderen Form.
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Jedes Atom mit einem einzigartigen Satz von Protonen im Kern bildet einzigartige Bindungen mit anderen Atomen, so dass es eine nahezu unendliche Anzahl von Arten von Molekülen, Ionen, Salzen und größeren Strukturen geben kann. Subatomare Teilchen wirken hauptsächlich mit Hilfe elektromagnetischer Kräfte aufeinander ein. Infolgedessen bilden sich im Laufe der Zeit makroskopische Strukturen, die wir nicht nur auf der Erde, sondern im gesamten Universum beobachten.
Die gemeinsame Eigenschaft aller Atome ist ihre Masse. Und je mehr Protonen und Neutronen sich im Kern befinden, desto größer ist die Masse des Atoms. Und obwohl dies Quanteneinheiten sind und der Durchmesser eines Atoms einen Angström nicht überschreitet ist der Wirkungsbereich der Schwerkraft durch nichts begrenzt. Jedes Objekt mit Energie - einschließlich der Restenergie, die den Partikeln Masse verleiht - verzieht das Gewebe der Raumzeit gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Egal wie klein die Masse ist, egal wie klein die Entfernung ist, die Krümmung der Raum-Zeit, die durch eine beliebige Anzahl von Atomen verursacht wird - sei es 10 57 Atome in einem Stern, 10 28 Atome in einem menschlichen Körper oder ein Heliumatom - wird genau in Übereinstimmung mit der Allgemeinen Relativitätstheorie auftreten.
Das Auftreten von Masse in einem leeren dreidimensionalen Gitter bewirkt, dass sich seine Linien auf eine bestimmte Weise biegen. Sie scheinen zur Masse hin gestreckt zu sein. Die Krümmung des Weltraums aufgrund des Gravitationseffekts der Erde ist eine der Möglichkeiten, die Schwerkraft und den grundlegenden Unterschied zwischen allgemeiner und spezieller Relativitätstheorie zu visualisieren.
Es gibt auch elektrisch geladene Teilchen in Atomen. Protonen haben eine positive elektrische Ladung; Neutronen sind neutral; Die Ladung der Elektronen ist gleich groß und hat ein entgegengesetztes Vorzeichen zur Ladung der Protonen. Alle Protonen mit Neutronen sind in einem Atomkern mit einem Durchmesser von nur 10-15 gebunden m (Femtometer) und Elektronen befinden sich in einer 100.000-mal größeren Wolke. Jedes Elektron hat sein eigenes Energieniveau und kann sich nur mit einer diskreten Energieänderung von Niveau zu Niveau bewegen.
Dies ist aus zwei Gründen bemerkenswert. Erstens, wenn sich ein Atom einem anderen (oder einer Gruppe von Atomen) nähert, können sie interagieren. Auf der Quantenebene können sich ihre Wellenfunktionen überlappen und Atome verbinden sich zu Molekülen, Ionen und Salzen. Diese verbundenen Strukturen haben ihre eigenen einzigartigen Formen und Konfigurationen von Elektronenwolken. Dementsprechend haben sie ihre eigenen einzigartigen Energieniveaus, die Photonen nur bei bestimmten Wellenlängen absorbieren und emittieren.
Atomelektronische Übergänge im Wasserstoffatom und die Wellenlängen der resultierenden Photonen zeigen die Bindungsenergie und die Beziehung zwischen einem Elektron und einem Proton in der Quantenphysik.
Diese elektronischen Übergänge in einem Atom oder einer Gruppe von Atomen sind einzigartig: Sie unterscheiden sich für jedes Atom oder jede Konfiguration von einer Gruppe von Atomen. Indem Sie die Spektrallinien eines Atoms oder Moleküls erfassen - es spielt keine Rolle, ob es sich um Absorption oder Emission handelt - können Sie sofort erkennen, um welche Art von Atom oder Molekül es sich handelt. Interne elektronische Übergänge stimmen mit einem eindeutigen Satz von Energieniveaus überein, und Elektronenübergänge geben eindeutig die Art und Konfiguration des Atoms / der Atome an.
Im gesamten Universum folgen Atome und Moleküle denselben Regeln: den Gesetzen der klassischen und der Quantenelektrodynamik, die alle geladenen Teilchen regeln. Selbst im Atomkern selbst, der aus geladenen Quarks und Gluonen ohne elektrische Ladung besteht, spielen elektromagnetische Verbindungen eine entscheidende Rolle. Diese innere Struktur erklärt, warum das magnetische Moment eines Protons fast dreimal stärker ist als das magnetische Moment eines Elektrons (und das entgegengesetzte Vorzeichen hat), während ein Neutron ein magnetisches Moment hat, das fast doppelt so groß ist wie das eines Elektrons und dasselbe hat Schild.
Das niedrigste Energieniveau von Wasserstoff (1S) oben links weist eine sehr dichte probabilistische Elektronenwolke auf. Bei höheren Energieniveaus sind die Wolken ähnlich, haben jedoch eine komplexere Struktur. Für den ersten angeregten Zustand gibt es zwei unabhängige Konfigurationen: 2S und 2P, die aufgrund eines fast nicht wahrnehmbaren Effekts unterschiedliche Energieniveaus erzeugen.
Obwohl die elektrische Wechselwirkung über ziemlich große Entfernungen funktioniert - genau wie die Schwerkraft -, hat sie auch keine Einschränkungen -, spielt die elektrische Neutralität des gesamten Atoms eine unglaublich wichtige Rolle für das Verständnis des Verhaltens des gesamten Universums. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist unglaublich stark - zwei Protonen werden mit einer Kraft abgestoßen, die 10 bis 36 Mal größer ist als ihre Anziehungskraft!
Aber da die makroskopischen Objekte, an die wir gewöhnt sind, aus so vielen Atomen bestehen und die Atome selbst elektrisch neutral sind, bemerken wir etwas nur, wenn:
- Das Objekt hat eine elektrische Ladung, wie ein geladenes Elektroskop.
- wenn die Ladung wie bei einem Blitzschlag von Ort zu Ort fließt,
- Wenn sich die Ladungen trennen, entsteht ein elektrisches Potential wie in einer Batterie.
Eines der einfachsten und interessantesten Beispiele für diese Prozesse ist das Reiben eines Ballons auf Ihrem eigenen T-Shirt und das anschließende Anlehnen an Ihr Haar oder eine Wand. Die Kugel bleibt hängen, weil der Übergang oder die Umverteilung einer kleinen Anzahl von Elektronen dem Objekt eine Ladung verleiht, die die Schwerkraft überwinden kann. Dies sind Van-der-Waals-Kräfte , sie wirken zwischen Molekülen, und selbst Objekte im Allgemeinen neutral können eine elektromagnetische Wechselwirkung haben, die der Schwerkraft in kurzen Entfernungen widerstehen kann.
Durch Reiben von zwei verschiedenen Materialien wie Stoff und Kunststoff können Sie Ladungen von einem zum anderen übertragen, wodurch beide Objekte aufgeladen werden.
Auf klassischer und Quantenebene wird eine große Menge an Informationen, die mit elektromagnetischen Wechselwirkungen verbunden sind, im Atom codiert, während die "klassische" (nicht quantenbezogene) allgemeine Relativitätstheorie ausreicht, um die atomaren und subatomaren Wechselwirkungen zu erklären, denen wir jemals begegnet sind. Wenn Sie noch tiefer in das Atom eindringen, innerhalb der Protonen und Neutronen, können Sie die Natur und Eigenschaften der verbleibenden fundamentalen Wechselwirkungen offenbaren: schwach und stark.
Wenn Sie zur Femtometerskala hinuntergehen, bemerken Sie zuerst die Auswirkungen starker Wechselwirkungen. Zum ersten Mal manifestiert es sich zwischen verschiedenen Nukleonen - Protonen und Neutronen, aus denen jeder Kern besteht. Die elektrische Wechselwirkung zwischen zwei Nukleonen stößt sie entweder ab (die Ladungen der Protonen sind gleich) oder tritt nicht auf (die Neutronen haben keine Ladungen). Bei kleinen Entfernungen gibt es jedoch eine Wechselwirkung, die noch stärker als die elektromagnetische ist: eine starke Wechselwirkung, die zwischen Quarks durch den Austausch von Gluonen funktioniert. Verschiedene Protonen und Neutronen können Paare von Quarks-Antiquarks - Mesonen - austauschen, dies bindet sie im Kern und überwindet mit einer geeigneten Konfiguration die Kraft der elektromagnetischen Abstoßung.
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In den Tiefen des Atomkerns manifestiert sich die starke Wechselwirkung auf andere Weise: Einzelne Quarks tauschen ständig Gluonen aus. Neben der Gravitationsladung (Masse) und der der Materie innewohnenden elektromagnetischen Ladung gibt es auch eine Ladungscharakteristik von Quarks und Gluonen: farbig. Sie ziehen nicht nur immer an, wie die Schwerkraft, oder sie haben zwei Ladungen, die wie elektrische abgestoßen oder angezogen werden können. Sie haben drei unabhängige Farben - Rot, Grün und Blau - und drei Anti-Farben. Sie kommen nur in einer „farblosen“ Kombination vor, in der alle drei Farben (oder Anti-Farben) oder Farb-Anti-Farb-Kombinationen kombiniert sind.
Protonen und Neutronen intakt zu halten, ist der Austausch von Gluonen - besonders wenn sich die Quarks entfernen und die starke Kraft zunimmt. Je mehr Energie Sie durch Kollisionen mit subatomaren Partikeln übertragen können, desto mehr Quarks, Antiquarks und Gluonen können Sie sehen. Es sieht so aus, als ob die Innenseiten des Protons mit einem ganzen Meer von Partikeln gefüllt sind. Je stärker Sie darauf treffen, desto klebriger werden sie. Wenn wir die Menge der uns zur Verfügung stehenden maximalen Energie vertiefen, sehen wir immer noch keine Einschränkungen hinsichtlich der Dichte dieser subatomaren Teilchen innerhalb der Atomkerne.
Das Proton besteht nicht nur aus drei Quarks mit Gluonen. Es ist ein ganzes Meer von dichten Partikeln und Antiteilchen. Je mehr wir das Proton untersuchen, desto mehr Energie verbrauchen wir für unelastische Kollisionen, desto mehr innere Struktur finden wir darin.
Aber nicht jedes Atom kann für immer in einer stabilen Konfiguration leben. Viele Atome zerfallen radioaktiv - früher oder später emittieren sie ein oder mehrere Teilchen, was ihre Eigenschaften grundlegend verändert. Die häufigste Art des Zerfalls ist der Alpha-Zerfall , bei dem ein instabiles Atom einen Heliumkern mit zwei Protonen und zwei Neutronen ausspuckt. Der zweithäufigste Typ ist der Beta-Zerfall , bei dem ein Atom ein Elektron und ein Anti-Elektronen-Neutrino ausspuckt und eines der Neutronen im Kern sich in ein Proton verwandelt.
Dies erfordert eine weitere neue Kraft: die schwache Atomkraft. Es hängt von der Art der Ladung ab - schwach, was eine Kombination aus schwacher Hyperladung und ist schwaches Isospin . Schwache Ladungen haben sich als äußerst schwierig zu messen erwiesen, da schwache Wechselwirkungen millionenfach schwächer sind als starke oder elektromagnetische - bis Sie zu extrem kleinen Maßstäben wie 0,1% des Durchmessers eines Protons gelangen. In einem geeigneten Atom, das für den Beta-Zerfall bereit ist, können schwache Wechselwirkungen beobachtet werden. Es stellt sich heraus, dass alle vier fundamentalen Wechselwirkungen einfach durch Untersuchung des Atoms untersucht werden können.
Schematische Darstellung des Beta-Zerfalls eines massiven Atomkerns. Das Neutron verwandelt sich in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Elektronen-Neutrino. Vor der Entdeckung von Neutrinos schienen Energie und Impuls bei Beta-Zerfällen nicht erhalten zu sein.
Daraus folgt etwas Bemerkenswertes: Wenn Sie ein Teilchen des Universums nehmen, das noch nicht offen ist, aber einer dieser Wechselwirkungen unterliegt, wird es auch mit Atomen interagieren. Durch Wechselwirkungen mit Partikeln in einem unauffälligen Atom haben wir eine große Anzahl von Partikeln entdeckt - einschließlich aller Arten von Neutrinos und Antineutrinos. Ein Atom ist sowohl das, woraus wir gemacht sind, als auch ein Fenster in die wahre Natur der Materie.
Je tiefer wir in die Bausteine der Materie schauen, desto besser verstehen wir die Natur des Universums selbst. Nur wenn wir das Universum nach dem Thema befragen, welchen Regeln alle Teilchen und Antiteilchen gehorchen und wie sie sich aneinander binden, können wir seine Struktur verstehen. Und während Wissenschaft und Technologie es uns erlauben, tiefer und tiefer zu graben, wäre es eine Schande, Forschung nur deshalb abzulehnen, weil sie uns keine neue revolutionäre Entdeckung garantieren können. Das einzige, was sicher bekannt ist: Wenn wir nicht tiefer graben, werden wir nie etwas finden.