piątek, 19 października 2012

Dlaczego nie przenikamy przez ściany?


Nie przechodzimy przez ściany. Przedmioty nie przenikają przez siebie. Nie mieszamy się z otaczającym nas światem. Podczas podawania ręki znajomemu nie zlewamy się z nią. Kawa stojąca na stole nie przelewa się przez stół a przy okazji przez całą resztę świata. Ale dlaczego?

Orbitale molekularne atomu wodoru. Źródło.
Materia zbudowana jest z atomów, małych tworów o których można powiedzieć, w wielkim uproszczeniu- "kuleczki". Atom 'zbudowany' jest głównie z próżni- czyli z nicości. 99% masy atomu skupiona jest w małym, bardzo gęstym jądrze otoczonym wielką objętością nicości i dopiero gdzieś tam w oddali od jądra krążą małe kuleczki, które są falami o znikomej masie- elektrony. Oczywiście przedstawiam to w wielkim uproszczeniu, ale mniej więcej tak to wygląda.
Jeśli atom to w większości próżnia dlaczego nie jest w stanie przenikać przez inne atomy?

'W danym stanie kwantowym może znajdować się jeden fermion – żadne dwa fermiony nie mogą w jednej chwili występować w dokładnie tym samym stanie kwantowym.' (Odnośnik). Tekst przed nawiasem o odnośniku wydaje się dość skomplikowany, ale dla chemików, czy fizyków jest to  credo, coś jak naukowy symbol wiary znany pod mniej poetycką nazwą- zakaz Pauliego. Wolfgang Pauli -szwajcarski fizyk, sprawca wielu odkryć i jeden z twórców mechaniki kwantowej, sformułował zasadę dotyczącą się elektronów,  protonów i neutronów, czyli cząstek materii. W uproszczeniu zakaz ten 'zakazuje' cząstkom przebywania w tym samym miejscu, o tym samym czasie w tym samym stanie kwantowym. Inaczej mówiąc- w pobliżu siebie nie mogą przebywać 2 cząsteczki, które opisują te same liczby kwantowe, czyli muszą mieć różne od siebie funkcje falowe.

Zakaz Pauliego jest bardzo przełomowym sposobem myślenia. Tłumaczy on, dlaczego atomy mimo pustki w ich wnętrzu nie można zgniatać jak gąbek, oraz, że atomy nie mogą przenikać przez siebie- czyli występować w tym samym miejscu. Nadaje to materii sztywność  Samo odkrycie zakazu związane było z elektronami, krążącymi dookoła jądra atomowego. Pauli próbował wyjaśnić ich zachowanie- dzięki czemu rozpracował ich zasady postępowania. Elektrony w atomie, na mocy zakazu, nie mogą występować w tym samym miejscu, ale dążą do zachowania jak najniższej energii. Na pierwszej powłoce od jądra mogą występować jedynie 2 elektrony, ponieważ wykorzystują one konfiguracje liczb kwantowych i nie przeczą one zasadzie Pauliego. Nie ma możliwości by na pierwszej powłoce pojawił się trzeci elektron- ponieważ jedna z liczb kwantowych, która opisywałaby jego zachowanie była by powtórzona, a to łamie zakaz Pauliego. Im atom ma więcej elektronów, muszą one zajmować coraz to dalsze 'siedzenia' od jądra by spełniać warunki zakazu. Zajmują one miejsca dwójkami tworząc orbitale atomowe ulokowane dookoła jądra w specyficzny sposób. Na każdym orbitalu elektrony różnią się spinem- czyli tak jakby kręcą się w przeciwnych kierunkach. Idą za tym konsekwencje w postaci tego, że elektrony znajdujące się na swoich orbitalach nie mogą przechodzić bliżej jądra co nadaje materii sztywność  Zakaz Pauliego jest tak dobrze działającą zasadą, że nie potrafią się mu oprzeć nawet nowo powstające gwiazdy neutronowe. Podczas ogromnego grawitacyjnego zgniatania atomów na skutek siły pola grawitacyjnego tworzącej się gwiazdy neutronowej, elektrony są tak mocno ściskane, że maksymalnie zbliżają się do jądra, ale dalej pozostają na swoich miejscach nie łamiąc zakazu. W momencie gdy ściskanie jest tak wielkie, że atom nie jest w stanie dalej się powstrzymywać  elektrony zamiast zajmować obok siebie dowolne miejsca, wolą spaść na jądro atomu i w połączeniu ze znajdującym się tam protonem dać neutron. Stąd nazwa gwiazd- gwiazdy neutronowe. Elektrony te (podobnie jak cała materia) tak silnie nie potrafią złamać zakazu Pauliego, że znajdują inne rozwiązanie w postaci połączenia się z protonem.

____
Ostatnio zauważyłem, że mój blog często trafia na stronę Wykop.pl . Jest to bardzo miłe, ponieważ grono czytelników powiększa się, ale zdążyłem przeczytać kilka niepochlebnych opinii na temat mojego bloga. Nie chodzi mi o to, że forma bloga, czy zasady i poglądy jakie ja wyznaje mogą się komuś nie podobac- krytyka w tym wypadku jest pomocna, ponieważ daje do myślenia co można zrobić  by bloga polepszyć  Nie rozumiem tylko kwestii, że w kilku opiniach widziałem hejty o to, że podaje nieprawdziwe informacje- wszystkie informacje, które podaje w postach są zgodne z przyjętym stanem wiedzy. Często uciekam się do uproszczeń, ponieważ nie jest możliwe by przedstawiać tutaj naturę rzeczy w dosłownym jej znaczeniu, poza tym mija się to z celem. W momencie, gdy 'nie pamiętam' o obowiązującej nauce i daje od siebie własne pomysły informuje o tym na początku posta, by czytelnik miał świadomość,  że to co pisze może być różne z tym co myślą naukowcy.
Widziałem też posty dotyczące tego, że blogi naukowe powinny odejść od polityki i religii. Moim zdaniem tak nie jest, dlatego pisze też o swoich, prywatnych poglądach w tej sprawie. Religia i polityka też w swojej naturze są naukami, o których też możemy mówić- nie zostawiajmy tego tematem tabu.  To czy komuś się religia podoba czy nie to już jest inna sprawa- a ponieważ jest to mój blog, pisze w nim moje opinie na ten temat, które wiem, że nie muszą podobać się wielu ludziom.
Widziałem też niepochlebne komentarze, że blog dotyczy się wielu spraw i nie koncentruje się na konkretnej tematyce- ja pytam po co się ograniczać  Mam ochotę pisać o wielu dziedzinach nauki i tak będę pisał. Jednym z zadań bloga jest promocja nauki, a nauka nie ogranicza się tylko do jednego. Pisze o tym co mnie interesuje i staram się tym zainteresować innych. Jeśli się uda- super, jeśli nie- trudno.

36 komentarzy:

  1. Odejdź od polityki i religii! Ten blog dotyczy zbyt wielu spraw i nie koncentruje się na konkretnej tematyce! Skandal.
    Nie podobają mi się Twoje opinie! Nie zainteresowałeś mnie.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Pieprzysz synek, nie podoba Ci się - nie czytaj.

      Usuń
    2. "Odejdź od polityki i religii! Ten blog dotyczy zbyt wielu spraw i nie koncentruje się na konkretnej tematyce! Skandal.
      Nie podobają mi się Twoje opinie! Nie zainteresowałeś mnie."

      W tekście objaśniłem dlaczego dotykam polityki, religii i dlaczego blog dotyka wielu spraw. Można uznać to za kaprys ;)

      Anonimowy19 -"Pieprzysz synek, nie podoba Ci się - nie czytaj."- dzięki wielkie ;D

      Usuń
  2. @Anonimowy Skoro cię cie zainteresował to go nie czytaj, na blogu autor może pisać na temat wszystkiego, o każdej rzeczy, jaka mu tylko na myśl przyjdzie, bo to jego własność.

    OdpowiedzUsuń
  3. Nie spodziewaj się sensownej krytyki po wykopowiczach. Wystarczy abyś trafił na jakiegoś "profesora", który nie rozumie czym jest tekst popularnonaukowy i pozamiatane. Bo metafora nie taka, bo jakaś wiadomość jest nieścisła, bo on zna lepszą hipotezę itd. Nie ma się co przejmować.

    OdpowiedzUsuń
  4. A ja bym przestrzegał przed wrzucaniem wszystkich Wykopowiczów do jednego wora. Nie przejmuj się też niezasadną krytyką. To Twój blog, prowadź go jak chcesz, jak komuś się nie podoba to nie będzie czytał a najwięcej hejtują trole na które nie warto zwracać uwagi.
    Wykopowicz

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Ludzie zawsze są różni, ale myślałem, że tego pisać nie muszę. Chodziło o to, że im większe grono odbiorców tym większy odsetek buców. A, że wykop to tysiące ludzi, to i na różnoraką krytykę trzeba być gotowym.

      Usuń
    2. Nie chciałem wrzucać wszystkich Wykopowiczów do 1 wora. Co do krytyki- ona jest potrzebna i bardzo pomocna, ale musi być mądra.

      Usuń
  5. "W uproszczeniu zakaz ten 'zakazuje' cząstkĄ przebywania"
    zakazuje (komu? czemu?) CZĄSTKOM na litość boską :/
    A teraz dzieci wyjmujemy zeszyty i piszemy: Atom for the world jest tępy z ortografii.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Rozumiem i poprawiłem swój błąd.
      Myślę, że uwagi w takich sprawach można zgłaszać w kulturalny sposób.
      Każdy popełnia błędy, ale moja ortografia nikogo nie obraziła, natomiast Twój komentarz owszem.

      Usuń
  6. wykopki to debile, serio. wiec rób swoje.

    OdpowiedzUsuń
  7. Ja także trafiłem przez Wykop.pl na Twojego bloga czytam, bo całkiem fajnie tłumaczysz... pozdrawiam z Wrocławia

    OdpowiedzUsuń
  8. Mała uwaga: "W uproszczeniu zakaz ten 'zakazuje' cząstką przebywania w tym samym miejscu" - to poważny i częsty błąd. Powinno być: cząstkom! Ten błąd bardzo razi tym bardziej, że cały artykuł jest na poziomie.

    OdpowiedzUsuń
  9. calkiem interesujace, tylko radzilabym popracowac nad ortografia i interpunkcja. bede zagladac. pozdrawiam.

    OdpowiedzUsuń
  10. cząstkom!!! jestem cząstką, przyglądam się tym cząstkom!!!

    OdpowiedzUsuń
  11. Ile razy jeszcze przypierdzielicie sie do tej czastki? Na litosc Zeusa!

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Do skutku, aż poprawi.

      Niezależnie od powyższego, bardzo mi się tu podoba. Trafiłem z wykopu, ale zostanę na dłużej.

      Usuń
  12. Warto jednak nieco uściślić obraz atomu, bo wielu może sobie wyobrażać, że skoro elektrony są małymi kulkami krążącymi po orbitach, to inne elektrony na chwilę mogą się przez ten ich obszar przesunąć, gdy akurat będą na przeciwnym zakręcie. Mechanika kwantowa wskazuje, że elektrony są nieco rozmyte w przestrzeni, i zamiast orbit powinniśmy wyobrażać sobie obłoczki wokół jądra - tak jak na zamieszczonym obrazku. Jeśli jeden elektron jest "chmurką" wokół jądra, to druga taka nie może się prześlizgnąć przez to samo miejsce, bo nie natrafi na puste miejsce. Do tego dochodzą oddziaływania elektrostatyczne - elektrony odpychają się i jądra atomów także. Takie różne niuanse składają się razem na to, że Zakaz Pauliego działa.

    A krytykanterami się nie przejmuj. Jeszcze się taki nie narodził, co kazdemu by dogodził (choć próbować warto).

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. O to mniej więcej mi chodziło, gdy pisałem na temat orbitali atomowych ulokowanych dookoła jądra w specyficzny sposób. Dziękuje za komentarz, następnym razem postaram się uściślić.

      Usuń
  13. "W uproszczeniu zakaz ten 'zakazuje' cząstką przebywania w tym samym miejscu"
    Litości, rozumiem, że nie każdy jest polonistą, ale po blogu popularnonaukowym można się spodziewać poprawności językowej.
    To proste do zapamiętania: tym cząstkom / tą cząstką.
    Pozdrawiam

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Już kilkanaście osób zwróciło na mój potężny i niewybaczalny błąd uwagę i nie ma potrzeby o tym ciągle pisać, ale dziękuje za komentarz. Następnym razem na pewno o tym nie zapomnę i następne cząstki będą dobrze napisane ;)

      Usuń
  14. Jestem totalnym laikiem, ale zakaz pauliego dla mnie nie tlumaczy do konca dlaczego "dłoń nie wchodzi w ściane". Czy uzupełnieniem tej zasady moze byc fakt, ze elektron okrąża jądro atomu z predkością o ile wiem do 4 miliardów razy na sekunde? Zatem dla nas, jest zawsze i w kazdym miejscu....i ściana w efekcie robi się twarda :) Zakaz p tłumaczy wg Twojego wykladu tlumaczy dlaczego materia nie jest ściśliwa, tak to rozumiem.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Hmm.
      Przyznam się, że nie wiem ile razy na sekundę elektron okrąża jądro atomu. Jest to łatwe do policzenia, ale wynik będzie obarczony sporym błędem, ponieważ jak wiadomo (na dzień dzisiejszy) elektrony mogą pojawiać się i znikać. Po drugie ciężko określić dokładnie co znaczy 'okrążać dookoła jądra' z tego względu, że w rzeczywistości elektrony nie krążą po kołowych orbitach, ale po orbitalach. Kształty orbitali można znaleźć na wiki, albo w podręczniku. Ciężko mówić, że są to okręgi. Poza tym, elektron nie krąży po obrzeżach orbitali, ale w ich obrębie co już utrudnia fakt powiedzenia konkretnie jak wygląda jego ruch. Przy założeniu i ogromnym uproszczeniu, że orbity elektronów są kuliste nie jestem bez obliczeń w stanie powiedzieć ile razy na sekundę elektron krążyłby dookoła jądra, ale wiem, że jego prędkość na pierwszej orbicie atomu wodoru wg. Bohra to około 2180000 m/s więc można prosto powiedzieć, że jest on prawie wszędzie na tej orbicie w tym samym czasie ponieważ zachowuje się on jak kulka i fala jednocześnie.
      Wracając do tego, dlaczego ściana jest twarda można 'zwalić' winę twardości na odpychanie elektrostatyczne. Jeśli przyjmiemy, że elektrony tworzą (ze względu na swoją prędkość) swojego rodzaju powłokę elektronową to zbliżając rękę do ściany elektrony z powłok atomowych naszej ręki odpychają się z powłokami elektronowymi ściany i nie mamy na tyle siły by to odpychanie przeskoczyć. Do tego nakłada się zakaz Pauliego i myślę, że pomijając kilka spraw te 2 rzeczy są wystarczającym powodem dlaczego nie możemy przechodzić przez ściany ;)

      Usuń
  15. Przez betonową ścianę a przez papierową SIŁA WIĄZANIA między atomami w ciele człowieczym i w ścianie gdzie większa, gdzie mniejsza

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Nie za bardzo wiem o co Ci chodziło w pytaniu.
      Domyślam się, że miałeś na myśli gdzie siła między atomami jest większa- w betonie czy w ciele człowieka. Siły wewnątrz atomu- jeśli atomy są takie same- są identyczne tzn. w każdym atomie litu na elektrony działają takie same siły, a już w atomie złota działają inne siły, ale takie same dla atomów złota. Jeśli chodzi o cząsteczki jakie tworzą atomy to siły wiązań cząsteczek zależą od atomów jakie je budują. Ponieważ i beton i ciało człowieka złożony jest z wielu różnych związków więc siły wiązań są odpowiednio różne.

      Usuń
    2. To nie było pytanie

      Usuń
    3. "gdzie większa, gdzie mniejsza"- to brzmi jak pytanie.

      Usuń
  16. Hej, mógłbym zapytać, autorze bloga, ile masz lat i na którym roku studiów jesteś? Pytam ponieważ imponuje mi ogrom twojej wiedzy :)

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Zawsze podaje wiek rocznikowo- mam 19 lat ;)
      Jestem na 1 roku chemii ;)
      Dziękuję za miłe słowa ;)

      Usuń
  17. Witam. Trochę się późno dodaje komentarz do tego artykułu, ale mam pewne pytanie do autora.

    "Zajmują one miejsca dwójkami tworząc orbitale atomowe ulokowane dookoła jądra w specyficzny sposób."
    Skoro napisałeś że elektrony zajmują miejsce dwójkami na danym orbitalu, to dlaczego atom węgla na drugim orbitalu posiada aż cztery elektrony? Nie rozumiem tego.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Atom węgla ma 4 elektrony ale na drugiej orbicie, a nie orbitalu.

      Usuń