Yksittäisen atomin/molekyylin lämpöenergia

Seuraa 
Viestejä2875
Liittynyt20.9.2005

Oletetaan että sinulla on vaikkapa rautainen alasin. Saat kyvyn asettaa yksittäisen rauta-atomin lämpötilan haluamallesi tasolle, ja asetat sen lämpötilaksi vaikka 100 000 000 kelviniä. Mitä tapahtuu?

Mietin vain että miten paljon lämpöenergiaa yksittäisellä atomilla voi olla, ja miten se siirtyy ympäristöön. Vapautuuko gammasäteilyä joka kilpistyy ympäröivään rautaan? Leviääkö lämpö ympäröiviin atomeihin jolloin alasimeen syntyy lämmin piste? Tapahtuuko räjähdys (tai ainakin pamahdus) kun alasimen sisällä tapahtuu yhtäkkiä lämpölaajenemista - vai riittääkö yhden atomin lämpöliike-energia sellaiseen edes noin korkealla lämpötilalla?

Entä mitä tapahtuu jos teet saman yhdelle happimolekyylille huoneellisessa ilmaa? Tai yhdelle vesimolekyylille uima-altaallisessa vettä?

Kommentit (13)

Vierailija

Oman käsitykseni mukaan lämpö on vain atomien/molekyylien liike energiaa. Voit varmaan laskea yksittäisen atomin liike-energian, jos tiedät sen massan ja nopeuden. En tiedä missä kohtaa raja menee, mutta jos yksittäisen hiukkasen liike-energia("lämpö") on kovin suuri niin seuraukset ovat varmaan samat mitä hiukkaskiihdyttimessä. Korkein lämpötila on varmaankin tuo planckin lämpötila.

PeterH
Seuraa 
Viestejä2875
Liittynyt20.9.2005
kvanttilainen
Oman käsitykseni mukaan lämpö on vain atomien/molekyylien liike energiaa.

Näin minäkin olin asian käsittänyt, jos vaivauduit lukemaan aloitukseni.

Tarkoitus oli enemmänkin spekuloida mitä tapahtuu ihan vain käytännössä. Hiukkaskiihdyttimessä tuo kaikki tapahtuu tyhjiössä. Itse kiinnostaisi tietää mitä tapahtuu jos, esimerkiksi, yksi atomi keskellä rautamöhkälettä saa yhtäkkiä ihan sikana lämpöliike-energiaa. Tapahtuisiko yhtään mitään ihmisaistein havaittavaa, ja kuinka korkea lämpötila sellaiseen tarvittaisiin?

Vierailija

Mietippä ensin sitä, miten yksittäinen atomi tai molekyyli rautamöykyn sisällä voisi saada tuollaisen energian. Jos haluaa tietää mitä käytännössä tapahtuu, pitäisi ensin reunaehtojen olla myös käytännössä mahdollisia.

PeterH
Seuraa 
Viestejä2875
Liittynyt20.9.2005
korant
Mietippä ensin sitä, miten yksittäinen atomi tai molekyyli rautamöykyn sisällä voisi saada tuollaisen energian.

Siksi puhuinkin epämääräisellä ilmaisulla "saat kyvyn", eli tämä olisi se yliluonnollinen supervoima. Termodynamiikkamies, joka hallitsee atomien lämpötilaa! *naamioitu sankarihymiö*

Mielikuvitus on ilmeisesti myös supervoima? Onhan tällä osastolla puhuttu myös painovoimasta planeetan kokoisen onton pallon sisällä, eikä kukaan ruvennut ihmettelemään miten sellainen rakennettaisiin käytännössä.

Vierailija

Ensin pitää todeta, että "lämpötila" on lähinnä suuria hiukkasjoukkoja kuvaava suure, joka liittyy hiukkasten keskimääräiseen liike-energiaan. Jos yksittäinen atomi saisi äkkiä suuren energian, en usko, että se saisi aikaan mitään kovin silmin havaittavaa, ei välttämättä edes kovin suurta lämpötilan nousua - atomeja kun on aineessa aikas rutosti. Yksittäisen atomin tapauksessa varmaan kvanttimekaniikalla ja epätarkkuusperiaatteellakin olisi asiaan sanomista; ehkä koko atomi sinkoutuisi ulos aineesta jättämättä mitään suurempia merkkejä...

Tai sitten atomi törmäilee muihin atomeihin ja hajottaa koko rautahilan tuusan nuuskaksi. Itse en tosin jaksa uskoa tähän vaihtoehtoon.

Ajattelin joskus, että jos valonnopeus on suurin mahdollinen nopeus, niin suurimmassa mahdollisessa lämpötilassa ainehiukkaset varmaan liikkuisivat valonnopeudella Suhteellisuusteorian mukaan niillä tosin pitäisi silloin olla ääretön energia, joten atomin maksimilämpöenergiasta en osaa sanoa mitään.

Vierailija

Onttoja pallojahan on olemassa. Yhtä hyvin voit antaa lehmälle kyvyn lentää ja sitten ihmetellä mitä tapahtuu käytännössä. Lämpö tasaantuu rautamöykyn sisällä mutta noin korkea lämpö todennäköisesti johtaa tilanteeseen, jota ei luonnonlait selitä. Räjähdys kaiketi olisi seurauksena, mikäli möykky on riittävän pieni kooltaan.

PeterH
Seuraa 
Viestejä2875
Liittynyt20.9.2005
EeTee
Ajattelin joskus, että jos valonnopeus on suurin mahdollinen nopeus, niin suurimmassa mahdollisessa lämpötilassa ainehiukkaset varmaan liikkuisivat valonnopeudella

Hmm... eikös tuo ylempänä mainittu Planckin lämpötila tapaile juuri näitä rajoja? Siinä lämpötilassa ydinvoimat ja painovoima alkavat heittää häränpyllyä.

Vierailija

Ehkäpä lämmitetty atomi ionisoituu, josta tapahtuma sitten etenee ihan normaalina ionisoitujen partikkelien etenemisenä raudan läpi.

Vierailija

Juu, Planckin lämpötila taitaa olla yläraja - siis noin 1,4 * 10^32 kelviniä. Tuo alunperin ehdotettu 100 000 000 kelviniä jää kyllä vielä aika kauas siitä.

Mitä taas tulee atomien ionisoitumiseen, niin raudassa (metallihila) atomit ovat jo valmiiksi menettäneet elektroneitaan yhteiseen elektronipilveen. Ilmeisesti hyvin korkeat lämpötilat kuitenkin johtavat atomin rakenteen perusteellisempaan rikkoutumiseen.

Vierailija

Ei yksittäisen atomin kuumenemista huomaa mitenkään. Periaatteessa se on sama, kun ammuttaisiin atomeita tarpeaksi nopeasti. Ja kun kuumentaa yksittäistä atomia tarpeeksi siitä lähtee elektronit pois ja siitä tulee plasmaa.

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26890
Liittynyt16.3.2005

Yksi atomi kidehilassa voi saada äkillisesti suuren energian esimerkiksi ydinreaktiosta tai vuorovaikutuksesta aineen läpi kulkevan kosmisen säteen kanssa. Tuollaisessa tapauksessa se irtautuu hilapaikaltaan, törmäilee ympärillään oleviin atomeihin kunnes menettää energiansa. Loppu energia menee hilavärähtelyille, eli lämpöenergiaksi. Lopputulos on siis joukko kidevirheitä ja hieman lämmennyt kappale. Älyttömät energiat voivat johtaa ydinreaktiohin, mutta sellaisen antaminen yksittäiselle atomille on lähinnä teoreettinen mahdollisuus.

Yleisempää on, että suurienergisiä hiukkasia törmää kiteen pinnalle. Silloin vastaavat ilmiöt tapahtuvat pinnan lähellä. Silloin atomeja voi myös karata aineesta. Secondary ion mass spectromerty (SIMS) menetelmä hyödyntää ilmiötä aineen pintakoostumuksen mittaamiseen. Tuolla tavoin voidaan myös muutta pintakerroksen koostumusta, esimerkiksi puolijohteien valmistuksessa, ampumalla ioneja sopivalle syvyydelle.

visti
Seuraa 
Viestejä6331
Liittynyt16.11.2009
PeterH
Oletetaan että sinulla on vaikkapa rautainen alasin. Saat kyvyn asettaa yksittäisen rauta-atomin lämpötilan haluamallesi tasolle, ja asetat sen lämpötilaksi vaikka 100 000 000 kelviniä. Mitä tapahtuu?

Mietin vain että miten paljon lämpöenergiaa yksittäisellä atomilla voi olla, ja miten se siirtyy ympäristöön. Vapautuuko gammasäteilyä joka kilpistyy ympäröivään rautaan? Leviääkö lämpö ympäröiviin atomeihin jolloin alasimeen syntyy lämmin piste? Tapahtuuko räjähdys (tai ainakin pamahdus) kun alasimen sisällä tapahtuu yhtäkkiä lämpölaajenemista - vai riittääkö yhden atomin lämpöliike-energia sellaiseen edes noin korkealla lämpötilalla?




Kineettinen kaasuteoria antaa sadan miljoonan kelvinin lämpötilassa rauta-atomille keskim. nopeudeksi 6,1*10^5 m/s
Rauta on silloin plasmana, joten en tiedä päteekö laskukaava sellaisenaan. Laskettu nopeus voidaan saada aikaan esimerkiksi H:n yliopiston Van der Graaf-kiihdyttimellä. Siellä on tutkittukin tällaisia törmäyksiä, mallinnettu ja katsottu syntyneitä koloja atomivoimamikroskoopilla. Näillä kokeilla haetaan uutta tietoa esimerkiksi fuusioreaktorien materiaalien kestävyyden arviointiin; ne kun joutuvat tuon luokan pommituksiin.
Sinänsä yksittäisen atomin lämpötilaa ei ole olemassa. Se on yhtä hassu käsite kuin yhden atomin astiaan aiheuttama paine.
Olen kyllä vakuuttunut, että kuvittelet tämän tilanteen monin verroin dramaattisemmaksi, mitä se todellisuudessa on. Esimerkiksi kuutiomikrometrissä (miljardisosa kuutiomillimetriä) "alasinta" on rauta-atomeja 8*10^10 kpl. Kuvitellaanpa, että tämä nopea atomi luovuttaisi liikemääränsä tasan näille kaikille. Se merkitsisi alle 0,01 millimetrin lisänopeutta sekunnissa (kidehilassaan alasinatomit eivät vapaasti liiku). Tai jos ajattelet, että "lämmin" atomi lämmittäisii 100 miljoonan K:n lämpötilallaan lasketun määrän atomeja, nousisi kuutiomikrometrin atomien lämpötila noin 1/1000 astetta.
Hiukkastason ilmiöillä ei ole makromaailmassa näkyvää merkitystä. Kyse on samasta, jos kysytään, mikä merkitys Kiinan kansalle on sillä, että huutaa Shanghaissa tosi lujaa "HEI"?

PeterH
Seuraa 
Viestejä2875
Liittynyt20.9.2005

Kiitokset, EeTee, Neutroni ja Visti. Tuli asia selväksi: eipä siis alasimen kokoisessa kappaleessa ole yhdellä atomilla mitään merkitystä. Ehkä voisi havaita pienen muutokset elektronimikroskoopilla, jos sitäkääin.

Nyt tuli hieman lisää suhteellisuudentajua näihin minun ajatusleikkeihini.

Uusimmat

Suosituimmat