Gaura neagraAstăzi vom afla de ce electronii nu cad în nucleele atomice şi nu provoacă în acest mod distrugerea întregii materii din Univers. Astăzi voi răspunde la următoarea întrebare: „De ce electronii încărcaţi electric negativ nu se „lipesc" de protonii încărcaţi electric pozitiv din atom atunci când aceştia se află în starea lor de energie minimă?"

 

 

Întrebarea poate fi reformulată şi în felul următor: „De ce nu colapsează spontan toată materia din Univers?" Îmi dau seama că acest subiect este ceva mai fundamental decât unele dintre lucrurile despre care v-am vorbit anterior, astfel încât dacă unii dintre voi cunoaşteţi răspunsul la această întrebare vă rog să nu-i deranjaţi pe cei din restul clasei.

Pentru aceia dintre voi care nu vă agitaţi mâinile în aer pentru a-mi arăta că ştiţi răspunsul, veţi fi iertaţi dacă aţi avut o imagine greşită cu privire la structura atomilor, cum ar fi cea din logourile Nuclear Regulatory Commission sau Springfield Nuclear Power Plant. În versiunea de desene animate a imaginii atomului există un nucleu în mijloc împreună cu o mulţime de electroni care zboară în jurul acestuia în cadrul unor orbite, într-un mod foarte asemănător celui în care planetele orbitează în jurul Soarelui.

Acest model atomic are însă o problemă serioasă. Este necesar să acceleraţi în mod constant o particulă pentru a o menţine pe o orbită, dar dacă veţi accelera o particulă încărcată electric atunci aceasta va emite radiaţii. Acesta este modul în care funcţionează un emiţător radio. Urmarea ar fi că dacă aţi avea într-adevăr un electron de tip planetă care zboară în jurul unui nucleu atunci acesta, în mod constant, va emite radiaţii.



Energia acestei radiaţii ar trebui să vină de undeva şi electronul este singura sursă posibilă. La fel ca într-un câmp gravitaţional electronul ar pierde constant energie şi s-ar apropia tot mai mult de nucleul atomic. Acest lucru s-ar întâmpla extrem de rapid. În cazul unui atom de hidrogen pentru ca electronul să cadă în nucleul atomic ar fi necesare 100 miliardimi dintr-o secundă, distrugându-se astfel în întregime atomul. Faptul că durata de viaţă a atomilor este mult mai mare decât atât este un semn destul de bun că ceva este în neregulă cu acest model al atomului.

În concluzie, dacă vă imaginaţi un electron aflat într-un loc şi la un anumit moment în jurul nucleului atomic atunci vă gândiţi la el într-un mod greşit. Când am vorbit despre experimentul cu fanta dublă, am spus că un electron nu trece printr-o fantă sau alta, ci că el într-adevăr trece prin ambele fante simultan. În exact acelaşi fel, nu există un loc în care electronul se află „cu adevărat" atunci când el se deplasează în jurul nucleului. Literalmente el se află în mai multe locuri odată, fiecare dintre acestea fiind caracterizat de o anumită probabilitate. Distribuţia acestor probabilităţi reprezintă acei nori orbitali despre care poate vă amintiţi de la orele de chimie. Şi aici nu este vorba doar despre imprecizia de măsură care ne împiedică să determinăm locul unde se află electronul. Nici măcar Universul nu ştie. De asemenea, nu se cunoaşte viteza sau impulsul acestuia, acesta fiind motivul pentru care într-adevăr nu are sens să ne gândim că un electron „orbitează" nucleul atomic.

Aceasta este incertitudinea care împiedică colapsul atomilor. La urma urmei, dacă electronul cade în nucleu atunci am cunoaşte cu precizie unde se află şi acest lucru este imposibil.

Mecanica cuantică ne spune cum putem cuantifica această incertitudine prin intermediul faimosului „principiu de incertitudine al lui Heisenberg" care afirmă că nu este posibil să măsuraţi simultan poziţia şi impulsul unei particule. Aceasta înseamnă că dacă aţi încerca să obţineţi atomi mai mici prin apropierea electronilor de nucleu, incertitudinea în ceea ce priveşte determinarea impulsului acestora ar deveni mai mare şi astfel aţi face să fie mult mai probabil ca atomul întreg să explodeze.

O cititoare mi-a scris următoarele:

„Am înţeles că nu se poate cunoaşte în acelaşi timp poziţia şi impulsul unui electron, dar eu nu pot înţelege ce forţă îl menţine pe acesta relativ aproape de nucleu, dar nu atât de aproape încât el să se prăbuşească în acesta".

Mai există o altă forţă care intervine aici. Este vorba despre forţa electromagnetică. La o scară mică electromagnetismul trebuie să includă efectele din mecanica cuantică. Pur şi simplu legile cunoscute din liceu care afirmă că „sarcinile electrice de acelaşi semn se resping" şi că „sarcinile electrice de semn contrar se atrag" trebuie să fie optimizate pentru a include incertitudinea cuantică. Particulele mai masive pot fi apropiate mai mult de nucleu decât cele mai puţin masive.

În afară de atomii simpli, acest lucru are unele implicaţii foarte interesante. Particulele precum electronii nu doar că ocupă un spaţiu anume, dar este posibil să puneţi doar unul dintre aceştia (din punct de vedere tehnic este vorba de 2 electroni din cauza spinului) într-un volum dat. În consecinţă este posibil să comprimăm foarte strâns atomii. Acest lucru este exact ceea ce se va întâmpla cu Soarele nostru peste aproximativ 5 miliarde de ani, atunci când el va deveni o stea pitică albă. În acel moment el va fi de aproximativ un milion de ori mai dens decât este în prezent şi el va avea o mărime aproximativ egală cu cea a Pământului.

Din cauza incertitudinii cuantice nici măcar gravitaţia nu poate comprima mai mult o stea pitică albă, decât dacă este posibilă adăugarea de masă. În acest caz, în cele din urmă, se va obţine o presiune suficient de mare pentru a forţa ca toţi electronii şi protonii să genereze neutroni şi o mulţime de neutrini. Acest lucru se întâmplă de fapt atunci când stelele roşii gigant transferă o parte din masa lor către stelele pitice albe.

La sfârşitul tuturor acestor lucruri (după o explozie cu adevărat minunată de supernovă) va rămâne doar o stea neutronică. O stea neutronică funcţionează în acelaşi mod ca o stea pitică albă, doar că acum neutronii sunt foarte apropiaţi unii de alţii. Deoarece neutronii sunt mult mai masivi decât electronii (cu aproximativ un factor de 2000), ei pot fi împachetaţi mult mai strâns. Pentru a prezenta lucrurile în perspectivă, atunci când Soarele se va transforma într-o stea neutronică el ar putea cu uşurinţă intra în interiorul oraşului Los Angeles, deşi n-aş recomanda acest lucru.

Şi, ca un bonus, poate vă întrebaţi ce s-ar întâmpla dacă aţi adăuga în continuare masă pe o stea neutronică. În cele din urmă aţi obţine o gaură neagră. Dar aceasta e o poveste pentru o altă zi.



Traducere de Cristian-George Podariu după ask-a-physicist-why-dont-collapsing-atoms-destroy-all-matter-in-the-universe.