Eines Tages dachte ich nach und entwickelte eine Theorie, nachdem ich gelesen hatte, wie Wissenschaftler Antimaterie untersuchten, indem sie elektromagnetische Felder nutzten, um Materie von der von ihnen hergestellten Antimaterie zu trennen. Ich dachte, wäre es möglich, sehr starke elektromagnetische Felder zu verwenden, um die atomare Struktur von Objekten aufzubrechen oder Dinge auf diese Weise zu bauen?
Ist diese atomare Rekonstruktion mit elektromagnetischen Feldern theoretisch möglich? Das heißt, ist es theoretisch möglich, von einer Maschine erzeugte elektromagnetische Felder zu verwenden, um die Teile eines Atoms zu trennen und dadurch ein Objekt auf atomarer/subatomarer Ebene zu dekonstruieren?
Ich frage nicht nach dem Aufbrechen molekularer Bindungen, sondern nach tatsächlichen Atomen. Wenn es möglich ist, Atome mit elektromagnetischen Feldern auseinander zu brechen, ist es dann auch möglich, sie mit einem ähnlichen Prozess zusammenzusetzen?
Es ist leicht machbar, wenn Sie zeitabhängige EM-Felder berücksichtigen - oder genauer gesagt Lichtimpulse. Dies liegt daran, dass Licht in einen engen Brennfleck von ~ Wellenlängengröße fokussiert werden kann, wodurch viel Energie (und damit EM-Feld) in einen engen Fleck gequetscht wird. Dies ist mit statischen Feldern unmöglich, die Maxima nur an ihren Quellen erreichen können. Ebenso wichtig ist, dass man wirklich kurze Strahlungspulse präparieren kann, die die in einem Lasermedium über etwa eine Millisekunde gespeicherte Energie in eine kurze (dh wenige Femtosekunden) Zeit komprimieren. Dies ermöglicht ziemlich bescheidene Energien - in der Größenordnung von Millijoule - elektrische Felder zu erzeugen, die mit den elektrischen Feldern der Atome vergleichbar sind (wie in John Rennies Antwort), und zwar lange genug, um fast jedes Atom zu ionisieren.
Beachten Sie, dass dies keine makroskopische Probe erfordert (obwohl dies normalerweise beim Beobachten von Dingen der Fall ist!). Wenn es Ihnen gelingt, ein einzelnes Atom dazu zu bringen, still an einer bekannten Position zu sitzen (was eine machbare, aber nicht triviale Übung ist), dann wird es durch das Abfeuern von genügend starken Laserimpulsen ionisiert und ein Elektron freigesetzt. Sie können natürlich mehr Elektronen freisetzen, aber es wird natürlich immer schwieriger (Sie können also höchstens auf eine dreifache Ionisierung hoffen). Photonenenergien (die proportional zur Frequenz sind) sind in diesem hochintensiven Regime nicht wirklich von Belang, wo Multiphotonen-Ionisation und Tunnel-Ionisation die Hauptmechanismen übernehmen, wenn man von optischen zu IR- und niedrigeren Frequenzen übergeht.
In Bezug auf das Gegenteil in Ihrer Frage haben wir nichts Vergleichbares mit der Technologie, um eine Tabelle Atom für Atom "atomar zu drucken", und ich würde die Machbarkeit eines solchen Schemas in Frage stellen. Beispielsweise können optische Pinzetten verwendet werden, um Moleküle zu bewegen, und das Ablagern auf einer Oberfläche könnte möglicherweise funktionieren, aber ihre räumliche Auflösung ist begrenzt (durch die Wellenlänge, die nicht zu kurz sein darf oder das Material zu brechen beginnt). Schlimmer noch, Sie müssten für so etwas wie Zeiten im geologischen Maßstab daran arbeiten, um etwas Größeres zu erhalten.
Andererseits sind Metamaterialien ein gutes Beispiel dafür, wie wir Materialien bis ins atomare Detail bauen können, damit sie die gewünschten makroskopischen Eigenschaften haben, einschließlich solcher Exoten wie negativer Brechungsindizes oder stark chiraler Medien. Obwohl es nicht genau zu der Rechnung passt, die Sie verlangen, finde ich es grundlegend cooler mit dem zusätzlichen Bonus, dass es machbar ist.
Es ist außerordentlich schwierig, ein isoliertes Atom mit einem elektrischen Feld zu zerreißen. Es ist viel einfacher, ein Gas aus vielen Atomen zu ionisieren, aber der Mechanismus ist ein anderer. Bleiben wir zunächst bei einem isolierten Atom, um zu sehen, warum es schwierig ist.
Betrachten Sie ein isoliertes Wasserstoffatom. Die Bindungsenergie von Proton und Elektron beträgt 13,6 eV und der durchschnittliche Abstand beträgt etwa 0,05 nm. Um also Elektron und Proton auseinander zu reißen, benötigen Sie einen Feldgradienten von etwa 13,6 V pro 0,05 nm. Die Umrechnung in sinnvollere Einheiten ergibt etwa 2,7 10 Volt/Meter, und das liegt weit über dem, was wir im Labor erzeugen können.
Ich habe gesagt, es ist einfacher, ein Gas aus vielen Atomen zu ionisieren. Angenommen, Sie legen ein starkes elektrisches Feld an ein Wasserstoffgas an und nehmen an, dass sich irgendwo im Gas ein Streuelektron befindet. Machen wir uns keine Sorgen, woher das Elektron kam; vielleicht hat es ein vorbeifliegender kosmischer Strahl erzeugt. Wie auch immer, das freie Elektron beginnt entlang der elektrischen Feldlinien zu beschleunigen und prallt irgendwann auf ein Atom. Wenn die Kollisionsenergie deutlich größer als 13,6 eV ist, ionisiert das Elektron das Atom, auf das es trifft, und Sie haben jetzt zwei freie Elektronen. Diese beiden Elektronen werden wiederum beschleunigen und mit anderen Atomen kollidieren, und Sie erhalten eine Elektronenlawine. Die mittlere freie Weglänge eines Elektrons in Luft beträgt etwa 0,5 Mikrometer, das entsprechende elektrische Feld beträgt also 27 MV/m, was leicht erreichbar ist. Mehr dazu im Wikipedia-Artikel zum Paschenschen Gesetz .
Elektrische Stärke = 5,145175226 x 10 ^ 11 N / C. Magnetische Stärke = 235125,6635 T, also Geschwindigkeit des Elektrons = E / B = 2,188266,117 ms ^ -1 = C / 137
anna v
lurscher
Brandon Enright