При обсуждении строения атома и вещества часто можно прочитать, что вещество на 99.99…% состоит из пустоты, с разными версиями количества девяток. Как мы сейчас увидим, это утверждение имеет весьма шаткие основания, а попытки оценить долю пустоты в веществе могут с одинаковым успехом дать любое число от 0 до 100%. Последовательное же рассмотрение вопроса в рамках квантовой механики показывает, что от пустоты вещество отличается довольно сильно.
Что не так с 99%?
Традиционная линия рассуждений(*) выглядит так: в атоме, имеющем размер около одного ангстрема (10–10 метра), электроны вращаются вокруг ядра, размер которого в 100 000 раз меньше (около 10–15 метра). Размер самого электрона равен нулю, это точечная частица(**), поэтому атом оказывается практически пустым: в нем «непустое» лишь ядро. Чтобы получить долю объема атома, занимаемого ядром, нужно возвести в куб отношение их размеров. Получаем, что ядро занимает 10–15 объема атома, остальную долю объема — это 99.99…% с 13 девятками после запятой — занимает пустота.
Если атом растянуть до размеров футбольного поля, то ядро будет величиной с маковое зернышко.
Что не так в этих рассуждениях? Давайте продолжим ту же логику, рассматривая уже не атом, а его ядро. Мы считали атомное ядро непустым, но ведь оно состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из фундаментальных частиц — кварков и глюонов(***). По современным представлениям, кварки и глюоны тоже являются точечными частицами, как и электрон. Следуя такой же линии рассуждений, как и в случае атома, получим, что ядро — тоже пустота, в которой летают частицы нулевых размеров. Итог: вещество ровно на 100% состоит из пустоты. Эта линия рассуждений завела нас в никуда.
Квантовая механика говорит нам, что электрон в атоме является не маленьким шариком, летающим по орбите вокруг ядра, а размазан по пространству в виде вероятностного облака, называемого орбиталью. Плотность этого облака, или просто электронная плотность , зависит от координаты . Эта зависимость своя для каждой орбитали, тем не менее, есть общая закономерность: заметно отлична от нуля в области пространства размерами порядка ангстрема, а на больших расстояниях от ядра экспоненциально убывает.
Типичное поведение электронной плотности в атоме для разных электронных орбиталей.
Отсюда берется характерный размер атома в один ангстрем, использованный выше при сравнении размеров атома и ядра. Какой же количественный ответ на вопрос о доле пустоты в веществе может дать нам квантовая механика? Для этого нужно оценить суммарный объем, занимаемый электронными орбиталями всех атомов. А для этого, в свою очередь, следует провести четкую границу между атомом и окружающей его пустотой. Но как это сделать? Формально электронная плотность , хоть и стремится к нулю при удалении от ядра, никогда в ноль не обращается, поэтому каждая атомная орбиталь заполняет если не всю Вселенную, то, как минимум, весь объем рассматриваемого куска вещества. В этом случае получается, что пустоты в веществе нет — в любой точке есть отличная от нуля вероятность найти электрон.
Можно определить границу атома как место, где электронная плотность достигает 1/2 от максимальной. Или 1/15 — такая граница будет отстоять дальше от ядра. Или как поверхность, внутри которой содержится 1/2 всей суммарной электронной плотности. Можно ухватить и больше объема, проведя поверхность, внутрь которой попадает, например, 9/10 всей плотности.
Плотность электронного облака для орбитали в атоме водорода (показана белым цветом) и разные варианты проведения условной границы атома.
Даже если вещество от пустоты нельзя четко отделить, можно ли хотя бы ответить на вопрос, чем вообще, с точки зрения квантовой теории, вещество отличается от пустого пространства? Для ответа обратимся к квантовой теории поля, изучающей системы многих частиц и вакуум. В этой теории любое состояние системы (точнее, квантованного поля), в которой может находиться 0, 1, 2 и т.д. частиц, характеризуется вектором, длина которого равна единице.
Если в системе нет ни одной частицы (пустота), ее состояние называют вакуумом. Атом с одним электроном на любой орбитали — это состояние системы с одной частицей. Насколько отличаются эти два состояния друг от друга? Существуют разные способы описания «расстояния» между векторами, наиболее простой и часто используемый(****) — посчитать длину разности векторов . Можно показать, что векторы и взаимно перпендикулярны, это обычная ситуация для существенно отличающихся друг от друга квантовых состояний. Выходит, что, с точки зрения квантовой теории поля, «расстояние» между пустотой и электроном, находящимся на атомной орбитали, равно корню из 2 .
Два взаимно перпендикулярных вектора состояния — вакуум и один электрон на атомной орбитали, — и расстояние между ними.
Это сообщение отредактировал MECHLAB - 29 янв 2019 в 12:24
Если рассуждать в духе «в атоме непустым является лишь ядро», то придется признать, что вещество — ровно на 100% пустота, потому что ядро — это такой же пустой «атом», только состоящий из других частиц. В квантовой механике электронные оболочки атомов размазаны в пространстве, и невозможно точно сказать, где кончается атом и начинается окружающее его пустое пространство. Как следствие, нельзя и точно сказать, какова доля пустоты в веществе — с одинаковым успехом можно взять любое число от 0 до 100%. С точки зрения квантовой теории поля, вещество даже с одним электроном существенно отличается от вакуума — эти два квантовых состояния представляются взаимно перпендикулярными векторами, расстояние между которыми равно корню из 2. Однако можно, в каком-то смысле, ввести меру отличия вещества от вакуума не в целом, а локально, в каждой точке пространства. Этой мерой является электронная плотность . К сожалению, электронная плотность — размерная величина, она имеет размерность м–3, и поэтому не дает нам ответа на вопрос «на сколько процентов вещество вот в этой точке отличается от пустоты». С ее помощью можно лишь судить о том, где вещество сильнее отличается от пустоты, а где слабее. Вблизи центров атомов максимальна, там вещество отличается от пустоты сильнее всего, а на больших расстояниях от атомов она очень быстро убывает, и отличие вещества от пустоты становится несущественным.
Это сообщение отредактировал MECHLAB - 29 янв 2019 в 12:26
(*)Вот примеры такого рода рассуждений, в которых, впрочем, соотношение размеров атома и ядра иногда преувеличивают в миллионы раз: • www.popmech.ru/science/10566-zhizn-v-pustote-kvantovoe-osoznanie • www.yaplakal.com/forum7/topic1503279.html • pikabu.ru/story/tyi_nichto_561687 • thequestion.ru/questions/10102/atom-sostoit-iz-pustoty-vsyo-materialnoe-sostoit-iz-atomov-kak-materialnoe-mozhet-sostoyat-iz-pustoty
(**)По крайней мере, эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере показали, что размер электрона не превышает 10–19 м. Более поздние сверхточные измерения магнитного момента электрона дали верхнюю оценку размера электрона, равную 10–20 м. Эти оценки показывают, что электрон, как минимум, в десятки тысяч раз меньше ядра.
(***)Интересный факт: три кварка, из которых состоит протон, дают лишь менее 2% его массы. Остальная часть массы — это виртуальные частицы (кварки и глюоны), возникающие в результате взаимодействия трех исходных кварков. Этих частиц так много, что они образуют целое «море», и поэтому называются «морскими» кварками и глюонами.
А так выглядят поверхности постоянной плотности в некоторых белках. те наше туловище)
Это сообщение отредактировал MECHLAB - 29 янв 2019 в 12:30
Без бутылки не разберешся. Меня вот интересует почему соединяя литр спирта и литр воды, на выходе мы не получаем 2 литра? Контракция какая то происходит!
Это сообщение отредактировал Victorius - 29 янв 2019 в 12:29
Без бутылки не разберешся. Меня вот интересует почему соединяя литр спирта и литр воды, на выходе мы не получаем 2 литра? Контракция какая то происходит!
Как это? Ушёл проводить эксперимент...но чую ты пиздишь
Бро ну тут наверно стоит понимать, как и зачем это говорят. Это так же как в школе, в начальных классах говорят, что из 1 нельзя вычесть 2. Потом оказывается, что можно. А еще говорят, что 1 нельзя делить на 2. Потом можно... Потом 1 нельзя делить на 3, но потом оказывается можно. В конце концов, по школе нас учат, что на 0 делить нельзя... И вот в универе... Короче. Это делается для определенного уровня знаний. Если сразу все рассказывать, то просто все сразу не разберешься. Ты же не будешь школьнику рассказывать вышесказанное, когда он впервые сталкивается с темой про атомы? Да что говорить, не все взрослые смогут осилить... (не просто так же существуют всякие гомеопаты, живущие за счет глупост илюдей...)
Без бутылки не разберешся. Меня вот интересует почему соединяя литр спирта и литр воды, на выходе мы не получаем 2 литра? Контракция какая то происходит!
Как это? Ушёл проводить эксперимент...но чую ты пиздишь
Максимальное взаиммопроникновение воды и спирта при концентрации 46%, итак что ты там не филонь. Делай чистый эксперимент
Без бутылки не разберешся. Меня вот интересует почему соединяя литр спирта и литр воды, на выходе мы не получаем 2 литра? Контракция какая то происходит!
Да просто нефиг спирта отхлебывать в процессе подготовки к смешиванию
Без бутылки не разберешся. Меня вот интересует почему соединяя литр спирта и литр воды, на выходе мы не получаем 2 литра? Контракция какая то происходит!
Без бутылки не разберешся. Меня вот интересует почему соединяя литр спирта и литр воды, на выходе мы не получаем 2 литра? Контракция какая то происходит!
Как это? Ушёл проводить эксперимент...но чую ты пиздишь
Сто раз проверяли и постоянно недостача получается
А когда говорят, что не галактики разлетаются друг от друга, а пустота между ними увеличивается, это как?
Это сообщение отредактировал OlegusXuegus - 29 янв 2019 в 12:44
ТС вопреки постулатам Святой Церкви, пытается убедить нас в какой-то ереси. Эдак, можно договориться до того, что в фундаменте плоской Земли отсутствуют слоны и черепаха, что Солнце не проходит путь над нашей благословенной землей, а висит там, в пустоте, лишь одною дьявольскую силою! Опасные речи ведешь ты здесь, ТС!
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии. Авторизуйтесь, пожалуйста, или зарегистрируйтесь, если не зарегистрированы.
1 Пользователей читают эту тему (1 Гостей и 0 Скрытых Пользователей)
и постоянно недостача получается
yaplakal.com