Zijn machines zo groot als een atoom mogelijk?

Share Button

Atomen zijn bijna helemaal leeg. Sommige visionaire natuurkundigen durven dus al na te denken over een techniek die nu nog extreem ver buiten ons bereik ligt: femtotechniek. 

Nanotechniek: atomenlego
De tijd dat atomen voor het eerst zichtbaar werden gemaakt met een elektronenmicroscoop ligt nog maar pas achter ons. Steeds meer onderzoekers stellen zich niet meer tevreden met een hele massa atomen tegelijk te manipuleren – scheikunde – maar willen apparaatjes en materialen atoom voor atoom samenstellen. 

Atoom bestaat uit leegte
Een nanometer is een miljoenste millimeter. Atomen bevinden zich op nanoschaal – zo is een waterstofatoom 0,05 nanometer groot. Het grootste atoom, cesium, is zes keer zo groot. 

Atomen bestaan vrijwel helemaal uit leegte.

Atomen bestaan vrijwel helemaal uit leegte.

 

Er passen dus twintig miljoen waterstofatomen of drie miljoen cesiumatomen op een millimeter. Klein, dat zeker. Maar de atoomkern is nog honderdduizend maal kleiner. Zou een atoom zo groot worden als heel Nederland, dan zou de atoomkern drie meter groot zijn. Of voor de echte visionairen: als een atoom zo groot zou zijn als de aarde, past de kern nog net in de Kuip.  

Femtotechniek
Een femtometer, de grootte van een kleine atoomkern, is een miljoen maal kleiner dan een nanometer. De hoeveelheid lege ruimte in een atoom is werkelijk immens. Als je nullen en enen uit protonen en neutronen zouden bestaan, zou je in theorie in een enkel atoom meer informatie kunnen proppen dan op duizend complete ultramoderne harde schijven. Volgens sommigen is dat meer dan de informatie in een menselijk brein. Je zou dan alle herinneringen van de complete wereldbevolking kunnen plaatsen in een kleine bacterie. Wel zou die bacterie ongeveer een ton wegen. 

De femtowereld: extreem energierijk en snel
Er zijn maar drie stabiele subatomaire bouwstenen: protonen, neutronen en elektronen. Zelfs losse neutronen vallen in gemiddeld tien minuten uit elkaar. Op atoomkernschaal zijn er maar twee krachten echt relevant: de nucleaire kracht, die protonen en neutronen aan elkaar laat kleven (een overblijfsel van de extreem sterke kernkrachten die quarks op elkaar uitoefenen binnen protonen en neutronen) en de elektromagnetische kracht. De zwakke kernkracht, die bijvoorbeeld protonen in neutronen kan omzetten, is extreem veel zwakker dan deze twee titanenkrachten. 

De aantrekkingskracht tussen quarks is heel erg sterk: voldoende om een massa van duizend kilo op te tillen. Het restje hiervan is net voldoende om de ook extreem sterke elektromagnetische kracht die de protonen uit elkaar probeert te rukken, te overwinnen. 

Voorlopig dieptepunt van femtotechniek: de atoombom

Voorlopig dieptepunt van femtotechniek: de atoombom

 

De neutronen werken als lijm om de protonen bij elkaar te houden, terwijl protonen voorkomen dat neutronen uit elkaar vallen. Er zijn in zware atoomkernen daarom veel meer neutronen dan protonen. 

Al deze processen vinden extreem snel plaats, denk aan femtoseconden (een femtoseconde staat tot een seconde als een seconde is tot dertig miljoen jaar). Een miljoen maal sneller dan elektronica. 

Worden atoomkernen te groot, de grens ligt achter het metaal bismuth, dan is er voorzover we weten geen enkele combinatie van protonen en neutronen meer die de kern stabiel houdt. Alle elementen zwaarder dan bismuth, de metalen uranium en plutonium bijvoorbeeld,  zijn daarom radioactief: ze vallen spontaan uit elkaar als je maar lang genoeg wacht. 

Glimpen van toekomstige techniek?
Omdat de femtowereld maar drie bouwstenen kent en geen deeltje waarmee de positief geladen protonen zijn te neutraliseren – elektronen nemen door hun lage massa  te veel ruimte in – wordt het construeren van machines op femtoschaal erg lastig. 

Misschien dat we zeer zware atomen kunnen maken als we de kerndeeltjes op een slimme manier kunnen herschikken. Zo zijn er lichte en instabiele atoomkernen ontdekt waar andere atoomkernen als satelliet omheen draaien. 

Omdat de femtowereld extreem snel en energierijk is, weten we nog vrij weinig wat er zich op zeer kleine schaal afspeelt. Wel duiken er steeds meer fascinerende aanwijzingen op van structuren op femtoschaal. Naast de satelliet-atoomkernen blijken ook zogeheten magische getallen een belangrijke rol te spelen. Atoomkernen waarin veelvouden van deze magische getallen aan kerndeeltjes voorkomen, zijn veel stabieler. Kerndeeltjes lijken ook paren te vormen. Atoomkernen met een oneven aantal deeltjes zijn vaak radioactiever zijn dan atoomkernen met een even aantal deeltjes.   

Op dit moment ligt verfijnde femtotechniek duidelijk ver buiten ons bereik. Verder dan de meest ruwe vormen van  kernsplijting komen we nog niet. Picotechniek, een factor duizend groter, is voorlopig interessanter. Al zijn ook hier lastige hordes…

Share Button

Dit vind je misschien ook interessant:

4 reacties

  1. Hannes schreef:

    Vermoedelijk moet er eerst nog veel meer bekend worden over de wisselwerkingen van elementaire deeltjes, de oorzaken en/of achterliggende processen hiervan, voordat er serieus over eventuele toepassingen hiervan in ‘femto-computers’ kan worden nagedacht. Wellicht heeft de nieuwe zwaartekracht theorie van Verlinden hiertoe een klein opstapje gemaakt. Als deze tenminste juist blijkt te zijn..

  1. 22 februari 2011

    […] commando het aantal (positief geladen) protonen in de kern aanpassen van een individueel atoom is nog niet mogelijk (atoombommen lenen zich niet echt voor consumententoepassingen), maar wel kunnen enorme kunstmatige […]

  2. 24 februari 2011

    […] de alchemistische droom waar te kunnen maken. Dit is waarschijnlijk het eerste echte staaltje van femtotechniek op de planeet. Met extreem krachtige laserstraling is het in principe mogelijk de juiste […]

  3. 17 mei 2011

    […] We hebben nu net het BIV stadium bereikt. Barrow-V is het manipuleren van atoomkernen (femtotechniek), terwijl BΩ beschavingen objecten tot op de extreem kleine Planckschaal en ruimtetijd zelf kan […]

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

Advertisment ad adsense adlogger