Atomlar gerçekten birbirlerine dokunur mu?
Atomlar gerçekten birbirlerine dokunur mu?
- Konbuyu başlatan Mandıra Filozofu
- Başlangıç tarihi
Çözüm
Cevap, "dokunma" ile neyi kastettiğinize bağlıdır. Atomik düzeyde dokunmanın üç olası anlamı vardır: 1) iki nesne birbirini etkiler, 2) iki nesne birbirini önemli ölçüde etkiler veya 3) iki nesne tam olarak aynı konumda bulunur. Gündelik dokunma kavramının (yani iki nesnenin katı sınırlarının aynı yerde bulunması) atom düzeyinde hiçbir anlam ifade etmediğini unutmayın, çünkü atomların katı sınırları yoktur. Atomlar gerçekte katı küreler değildir. Bunlar, "yörüngeler" adı verilen dalgalı bulut benzeri şekillere yayılmış elektronlarla dolu bulanık kuantum olasılık bulutlarıdır. Tıpkı gökyüzündeki bir bulut gibi, bir atom da kesin bir sınır olmaksızın bir şekle ve konuma sahip olabilir. Bu mümkündür çünkü atomun yüksek yoğunluklu bölgeleri ve düşük yoğunluklu bölgeleri vardır. Bir atomun A noktasında durduğunu söylediğimizde aslında atomun olasılık bulutunun yüksek yoğunluklu kısmının A noktasında bulunduğunu kastediyoruz. Bir elektronu bir kutuya koyarsanız (kuantum nokta lazerlerde yapıldığı gibi) ), bu elektron yalnızca çoğunlukla kutunun içindedir. Elektronun dalga fonksiyonunun bir kısmı kutunun duvarlarından geçerek sonsuza kadar dışarı sızar. Bu, taramalı tünelleme mikroskoplarında kullanılan kuantum tünellemenin etkisini mümkün kılar. Atomların katı olmayan doğasını aklımızda tutarak dokunmanın olası anlamlarına bakalım.
1. "Dokunmak" iki atomun birbirini etkilemesi anlamında alınırsa, atomlar her zaman temas halindedir. Bir mil uzakta tutulan iki atomun dalga fonksiyonları hala örtüşmektedir. Bir atomun diğer atomun merkeziyle çakıştığı noktada dalga fonksiyonunun genliği, eğer aralarında bir mil uzaktaysa gülünç derecede küçük olacaktır, ancak sıfır olmayacaktır. Prensip olarak iki atom evrenin neresinde olursa olsun birbirini etkiler çünkü her yöne doğru uzanırlar. Uygulamada, eğer iki atom arasındaki mesafe birkaç nanometreden fazlaysa, bunların birbirleri üzerindeki etkisi genellikle o kadar küçük olur ki, daha yakın atomların etkisi gölgede kalır. Bu nedenle, birbirlerinden bir mil uzakta olan iki atom teknik olarak birbirine temas ediyor olsa da (eğer dokunmayı atomik dalga fonksiyonlarının örtüşmesi olarak tanımlarsak), bu temas genellikle göz ardı edilebilecek kadar önemsizdir.
Bu "dokunmak" nedir? Fiziksel dünyada nesnelerin birbirini etkilemesinin yalnızca dört temel yolu vardır: elektromanyetik kuvvet yoluyla, güçlü nükleer kuvvet yoluyla, zayıf nükleer kuvvet yoluyla ve yerçekimi kuvveti aracılığıyla. Atomun çekirdeğini oluşturan nötronlar ve protonlar birbirine bağlanarak iki nükleer kuvvet aracılığıyla reaksiyona girerler. Atomun geri kalanını oluşturan elektronlar çekirdeğe elektromanyetik kuvvetle bağlıdır. Elektromanyetik kuvvet sayesinde atomlar moleküllere, moleküller de günlük nesnelere bağlanır. Son olarak, gezegenler (diğer büyük astronomik nesneler gibi) ve gezegenin yüzeyindeki makroskobik nesneler yerçekimi ile birbirine bağlıdır. Eğer iki atom bir metre uzakta tutulursa, dört temel kuvvetin tümü yoluyla birbirlerine dokunuyorlar. Ancak tipik atomlar için elektromanyetik kuvvet diğer kuvvetlere üstün gelme eğilimindedir. Bu dokunuş neye yol açıyor? Eğer iki atom birbirinden çok uzaktaysa, etkileşimleri çevredeki diğer cisimlerle karşılaştırıldığında herhangi bir şey ifade edemeyecek kadar zayıftır. İki atom yeterince yakınlaştığında bu etkileşim birçok şeye yol açabilir. Kimya alanının tamamı, atomlar birbirini elektromanyetik olarak etkileyecek kadar yakınlaştığında meydana gelen tüm ilginç şeylerin incelenmesi olarak özetlenebilir. Eğer iki atom reaktif değilse ve kovalent, iyonik veya hidrojen bağları oluşturmuyorsa, bu durumda bunların elektromanyetik etkileşimi tipik olarak Van der Walls kuvveti biçimini alır. Van der Walls etkisinde birbirine yakınlaştırılan iki atom, birbirlerinde elektrik dipol momentlerini indükler ve bu dipoller daha sonra elektrostatik çekim yoluyla birbirlerini zayıf bir şekilde çekerler. "Gezegendeki tüm atomlar her zaman gezegendeki diğer tüm atomlara dokunmaktadır" ifadesi, bu dokunma tanımına göre kesinlikle doğru olsa da, pek de yararlı değildir. Bunun yerine, atomun çoğunu içeren etkili bir çevreyi keyfi olarak tanımlayabiliriz ve ardından atomun bu çevrenin ötesine uzanan herhangi bir parçasının dikkate değer olmadığını söyleyebiliriz. Bu bizi bir sonraki dokunma tanımımıza götürüyor.
2. "Dokunmak", iki atomun birbirini önemli ölçüde etkilediği anlamına gelirse, o zaman atomlar gerçekten de temas ederler, ancak yalnızca yeterince yakınlaştıklarında. Sorun, "önemli"yi oluşturan şeyin yoruma açık olmasıdır. Örneğin bir atomun dış çevresini, atomun elektron kütlesinin %95'ini içeren matematiksel yüzey olarak tanımlayabiliriz. Bu noktada açıkça görüleceği gibi, atomun %100'ünü içeren bir çevre, Dünya'dan daha büyük olacaktır. Bu matematiksel yüzeyde atomun elektron olasılık yoğunluğunun %95'i yer aldığına göre, atomların %95'lik bölgeleri üst üste binmeye başlayana kadar birbirine dokunmadığını söyleyebiliriz. Bir atoma etkili bir kenar atamanın başka bir yolu da onun kovalent bağlı iki atomun ortasında bulunduğunu söylemektir. Örneğin, bir H2 molekülü oluşturmak üzere birbirine kovalent olarak bağlanan iki hidrojen atomunun merkezleri arasında 50 pikometre mesafe vardır. Bu ayrılıkta “dokunaklı” sayılabilirler. Bu yaklaşımda atomlar, potansiyel olarak bir kimyasal bağ oluşturacak kadar yakın olduklarında birbirine dokunur.
3. "Dokunmak" iki atomun tam olarak aynı konumda bulunduğu anlamına gelirse, Pauli dışlama ilkesi nedeniyle iki atom oda sıcaklığında asla birbirine değmez. Pauli dışlama ilkesi, vücudumuzdaki tüm atomların tek bir noktaya çökmesini engelleyen şeydir. İlginç bir şekilde, çok düşük sıcaklıklarda belirli atomlar tam olarak aynı konuma toplanabilir. Sonuç Bose-Einstein yoğunlaşması olarak bilinir.
Tekrar ediyorum, atomlar kelimenin günlük anlamında hiçbir zaman birbirine değmez, bunun basit nedeni, katı sınırları olmamasıdır. Ancak atom düzeyinde anlamı olan "dokunma" sözcüğünün diğer tüm anlamlarında atomlar kesinlikle dokunur.
1. "Dokunmak" iki atomun birbirini etkilemesi anlamında alınırsa, atomlar her zaman temas halindedir. Bir mil uzakta tutulan iki atomun dalga fonksiyonları hala örtüşmektedir. Bir atomun diğer atomun merkeziyle çakıştığı noktada dalga fonksiyonunun genliği, eğer aralarında bir mil uzaktaysa gülünç derecede küçük olacaktır, ancak sıfır olmayacaktır. Prensip olarak iki atom evrenin neresinde olursa olsun birbirini etkiler çünkü her yöne doğru uzanırlar. Uygulamada, eğer iki atom arasındaki mesafe birkaç nanometreden fazlaysa, bunların birbirleri üzerindeki etkisi genellikle o kadar küçük olur ki, daha yakın atomların etkisi gölgede kalır. Bu nedenle, birbirlerinden bir mil uzakta olan iki atom teknik olarak birbirine temas ediyor olsa da (eğer dokunmayı atomik dalga fonksiyonlarının örtüşmesi olarak tanımlarsak), bu temas genellikle göz ardı edilebilecek kadar önemsizdir.
Bu "dokunmak" nedir? Fiziksel dünyada nesnelerin birbirini etkilemesinin yalnızca dört temel yolu vardır: elektromanyetik kuvvet yoluyla, güçlü nükleer kuvvet yoluyla, zayıf nükleer kuvvet yoluyla ve yerçekimi kuvveti aracılığıyla. Atomun çekirdeğini oluşturan nötronlar ve protonlar birbirine bağlanarak iki nükleer kuvvet aracılığıyla reaksiyona girerler. Atomun geri kalanını oluşturan elektronlar çekirdeğe elektromanyetik kuvvetle bağlıdır. Elektromanyetik kuvvet sayesinde atomlar moleküllere, moleküller de günlük nesnelere bağlanır. Son olarak, gezegenler (diğer büyük astronomik nesneler gibi) ve gezegenin yüzeyindeki makroskobik nesneler yerçekimi ile birbirine bağlıdır. Eğer iki atom bir metre uzakta tutulursa, dört temel kuvvetin tümü yoluyla birbirlerine dokunuyorlar. Ancak tipik atomlar için elektromanyetik kuvvet diğer kuvvetlere üstün gelme eğilimindedir. Bu dokunuş neye yol açıyor? Eğer iki atom birbirinden çok uzaktaysa, etkileşimleri çevredeki diğer cisimlerle karşılaştırıldığında herhangi bir şey ifade edemeyecek kadar zayıftır. İki atom yeterince yakınlaştığında bu etkileşim birçok şeye yol açabilir. Kimya alanının tamamı, atomlar birbirini elektromanyetik olarak etkileyecek kadar yakınlaştığında meydana gelen tüm ilginç şeylerin incelenmesi olarak özetlenebilir. Eğer iki atom reaktif değilse ve kovalent, iyonik veya hidrojen bağları oluşturmuyorsa, bu durumda bunların elektromanyetik etkileşimi tipik olarak Van der Walls kuvveti biçimini alır. Van der Walls etkisinde birbirine yakınlaştırılan iki atom, birbirlerinde elektrik dipol momentlerini indükler ve bu dipoller daha sonra elektrostatik çekim yoluyla birbirlerini zayıf bir şekilde çekerler. "Gezegendeki tüm atomlar her zaman gezegendeki diğer tüm atomlara dokunmaktadır" ifadesi, bu dokunma tanımına göre kesinlikle doğru olsa da, pek de yararlı değildir. Bunun yerine, atomun çoğunu içeren etkili bir çevreyi keyfi olarak tanımlayabiliriz ve ardından atomun bu çevrenin ötesine uzanan herhangi bir parçasının dikkate değer olmadığını söyleyebiliriz. Bu bizi bir sonraki dokunma tanımımıza götürüyor.
2. "Dokunmak", iki atomun birbirini önemli ölçüde etkilediği anlamına gelirse, o zaman atomlar gerçekten de temas ederler, ancak yalnızca yeterince yakınlaştıklarında. Sorun, "önemli"yi oluşturan şeyin yoruma açık olmasıdır. Örneğin bir atomun dış çevresini, atomun elektron kütlesinin %95'ini içeren matematiksel yüzey olarak tanımlayabiliriz. Bu noktada açıkça görüleceği gibi, atomun %100'ünü içeren bir çevre, Dünya'dan daha büyük olacaktır. Bu matematiksel yüzeyde atomun elektron olasılık yoğunluğunun %95'i yer aldığına göre, atomların %95'lik bölgeleri üst üste binmeye başlayana kadar birbirine dokunmadığını söyleyebiliriz. Bir atoma etkili bir kenar atamanın başka bir yolu da onun kovalent bağlı iki atomun ortasında bulunduğunu söylemektir. Örneğin, bir H2 molekülü oluşturmak üzere birbirine kovalent olarak bağlanan iki hidrojen atomunun merkezleri arasında 50 pikometre mesafe vardır. Bu ayrılıkta “dokunaklı” sayılabilirler. Bu yaklaşımda atomlar, potansiyel olarak bir kimyasal bağ oluşturacak kadar yakın olduklarında birbirine dokunur.
3. "Dokunmak" iki atomun tam olarak aynı konumda bulunduğu anlamına gelirse, Pauli dışlama ilkesi nedeniyle iki atom oda sıcaklığında asla birbirine değmez. Pauli dışlama ilkesi, vücudumuzdaki tüm atomların tek bir noktaya çökmesini engelleyen şeydir. İlginç bir şekilde, çok düşük sıcaklıklarda belirli atomlar tam olarak aynı konuma toplanabilir. Sonuç Bose-Einstein yoğunlaşması olarak bilinir.
Tekrar ediyorum, atomlar kelimenin günlük anlamında hiçbir zaman birbirine değmez, bunun basit nedeni, katı sınırları olmamasıdır. Ancak atom düzeyinde anlamı olan "dokunma" sözcüğünün diğer tüm anlamlarında atomlar kesinlikle dokunur.