Что такое сжатие, слияние атомов?
Физика
Химия
15 января 2023
Сжатие и слияние атомов – это процессы, которые происходят в области атомной физики, когда атомы или атомные кластеры сжимаются и притягивают друг к другу или сливаются друг с другом, изменяя свою структуру. Сжатие и слияние атомов происходит, когда воздушные молекулы или другие частицы с энергией выше критической притягиваются к атому или атомному кластеру и приводят к сжатию атомной структуры. Например, в химических слияниях элементарные частицы притягиваются друг к другу и сливаются вместе для того, чтобы создать новые атомы или молекулы.
Susanna Kazaryan
Сусанна Казарян, США, Физик · 18 янв 2023
Давайте сперва разберёмся с терминологией. Атом — квантовая система состоящая из ядра и электронов. В нормальном состоянии атом нейтрален и число электронов равно числу протонов. Атом с дефицитом (или избытком) электронов называется ионизированным, а при полном отсутствии электронов называется полностью ионизированным атомом, представляющим собой "голое" ядро.
Избегая погружения в дебри квантовой теории атома, попробуем сперва сжать воду, хотя она и считается несжимаемой. Так ли это и что мешает её сжать? Знакомые с атомной физикой ответят — противодействие электронных оболочек атомов. Верно, но частично. Расчёты показывают, что для сжатия радиуса сферической капли на 5%, требуется давление более 10000 атм, что в 10 раз больше, чем давление под толщею океана на дне Марианской впадины. Однако, даже при таком давлении, ни с атомами молекул воды, ни с химических связями валентных электронов заметных изменений не произойдёт и лишь уменьшатся на 5% межмолекулярные расстояния.
Для того, чтобы давлением сжать вещество настолько, чтобы все электронные оболочки выродились бы и электроны (e) захватывались бы протонами (p) ядер, образовывая нейтроны (n) и электронные нейтрино (p⁺ + e⁻ → n + νₑ, т.н. нейтронизация вещества), необходимы давления более 3×10²⁹ атм и температуры в триллионы градусов. Плотность вещества при этом станет равной 10¹⁷ кг/м³, что почти в 2 раза меньше плотности материи внутри атомных ядер. Такие давления, плотности и температуры реализуются только в нейтронных звёздах, рождённых от взрыва сверхновых звёзд массой более 8 солнечных масс (M☉) и только квантовый принцип Паули мешает сжать звёздную плазму больше. При массе сверхновой более 40 M☉ начинают рождаться чёрные дыры, где плотности вещества и давление в сингулярности (в центре дыры) теоретически бесконечны (неопределённо велики).
Таким образом, процессы сжатия и слияния атомов непрерывно происходят в звёздах. Скромная масса нашего Солнца приводит в центральной области к давлению ~3×10¹⁶ атм, плотности плазмы ~150 г/см³ (более 19 раз плотнее стали) и температуре ~15 млн К. Это позволяет протекать только процессам синтеза (слияния) ядер водорода в ядра гелия с выделением энергии, которая и зародила жизнь на Земле более 3 млрд лет назад и греет нас до сих пор.
Но человек любит бросать вызов Вселенной (Создателю, соседу) и мы построили огромные ускорители частиц, которые способны разгонять частицы и ядра до колоссальных энергий. Сталкивая ядра (золото) друг с другом создаётся кварк-глюонная плазма с температурой 150 МэВ, и плотностью энергии немногим менее 1 ГэВ/фм³, что соответствует температуре и плотности в центре нейтронных звёзд (см. выше). К сожалению за всё надо платить — время жизни кварк глюонной плазмы, полученной человеком, мало, около 2.7×10⁻²³ сек. Далее мне писать было уже лень и просто направляю Вас к кварк-глюонной плазме.
Послесловие. Если очень быстро осуществить слияние (синтез) ядра Дейтерия с ядром Трития (см. о Солнце выше), то получится ядро Гелия с выделением энергии порядка 3 пикоДж. Это меньше энергии комариного писка, но в достаточном количестве (десятки кг) Дейтерия и Трития, это уже термоядерная бомба.