Var kommer atomer ifrån? En fysiker förklarar.
Nyfikna barn är en serie för barn i alla åldrar. Om du har en fråga du vill att en expert ska svara, skicka den till Curioikkidsus@theconversation.com.
Hur bildas atomer? —Joshua, 7 år, Shoreview, Minnesota
Richard Feynmanen berömd teoretisk fysiker som vann Nobelpriset, sa Om han bara kunde vidarebefordra en bit vetenskaplig information till kommande generationer, skulle det vara så att alla saker är gjorda av atomer.
Att förstå hur atomer bildas är en grundläggande och viktig fråga, eftersom de utgör allt med massa.
Frågan om var atomer kommer från kräver att mycket fysik ska besvaras helt – och även då, fysiker Har bara bra gissningar för att förklara hur vissa atomer bildas.
Vad är en atom?
En atom består av ett tungt centrum, kallad kärnan, gjord av partiklar som kallas protoner och neutroner. En atom har lättare partiklar som kallas elektroner som du kan tänka på som kretsande runt kärnan.
Elektronerna har vardera en enhet med negativ laddning, protonerna var och en har en enhet med positiv laddning, och neutronerna har ingen kostnad. En atom har samma antal protoner som elektroner, så den är neutral – den har ingen övergripande laddning.
Nu, de flesta av Atomer i universum är de två enklaste sortarna: väte, som har en proton, nollneutroner och en elektron; och Helium, som har två protoner, två neutroner och två elektroner. Naturligtvis finns det på jorden många atomer förutom dessa som är lika vanliga, till exempel kol Och syre, men jag pratar om dem snart.
Ett element är vad forskare kallar en grupp atomer som alla är desamma, eftersom de alla har samma antal protoner.
När bildades de första atomerna?
De flesta av universumets väte- och heliumatomer bildades cirka 400 000 år efter Big Bangsom är namnet på när forskare tror att universum började, för cirka 14 miljarder år sedan.
Varför bildades de vid den tiden? Astronomer vet från att observera avlägsna exploderande stjärnor att universums storlek har varit Blir större sedan Big Bang. När väte- och heliumatomerna först bildades handlade universum 1 000 gånger mindre än det är nu.
Och baserat på deras förståelse av fysik tror forskare att universum var mycket hetare när det var mindre.
Innan denna tid hade elektronerna för mycket energi att slå sig in i banor runt väte- och heliumkärnorna. Så väte- och heliumatomerna kunde bara bildas när universum kyldes ner till något som 5 000 grader Fahrenheit (2 760 grader Celsius). Av historiska skäl, Denna process kallas vilseledande rekombination – Kombination skulle vara mer beskrivande.
Helium och deuterium – en tyngre form av väte – Kärnor bildades ännu tidigare, bara några minuter efter Big Bang, när temperaturen var över 1 miljard F (556 miljoner C). Protoner och neutroner kan kollidera och bilda kärnor som dessa endast vid mycket höga temperaturer.
Forskare tror att nästan alla vanliga ämnen i universum är gjord av cirka 90% väteatomer och 8% heliumatomer.
Hur bildas mer massiva atomer?
Så väte- och heliumatomerna bildades under rekombination, när den svalare temperaturen tillät elektroner att falla i banor. Men du, jag och nästan allt på jorden är gjord av många mer massiva atomer än bara väte och helium. Hur gjordes dessa atomer?
Det överraskande svaret är att mer Massiva atomer tillverkas i stjärnor. Att göra atomer med flera protoner och neutroner som fastnar i kärnan kräver typen av högenergikollisioner som förekommer på mycket heta platser. Den energi som behövs för att bilda en tyngre kärna måste vara tillräckligt stor för att övervinna den avvisande elektriska kraften som positiva laddningar, som två protoner, känner med varandra.
Protoner och neutroner har också en annan egenskap – typ av en annan typ av laddning – som är tillräckligt stark för att binda dem när de kan komma mycket nära varandra. Den här egenskapen kallas den starka kraftenoch processen som sticker ihop dessa partiklar kallas fusion.
Forskare tror att de flesta element från kol upp till järn är smält i stjärnor tyngre än vår sol, där temperaturen kan överstiga 1 miljard F (556 miljoner C) – samma temperatur som universum var när det bara var några minuter gammalt.
Men även i heta stjärnor bildas element tyngre än järn och nickel inte. Dessa kräver extra energi, eftersom de tyngre elementen lättare kan bryta i bitar.
I en dramatisk händelse kallade en supernovaden inre kärnan i en tung stjärna kollapsar plötsligt efter att den har slut på bränsle för att bränna. Under den kraftfulla explosionen kan denna kollaps utlöser element som är tyngre än järn bildas och utkastas ut i universum.
Astronomer räknar fortfarande ut detaljerna i andra fantastiska stjärnhändelser som bildar större atomer. Till exempel kolliderande neutronstjärnor kan släppa enorma mängder energi – och element som guld – på väg till bildar svarta hål.
Att förstå hur atomer görs kräver bara att lära sig lite allmän relativitet, plus vissa kärnkrafts-, partikel- och atomfysik. Men för att komplicera frågor finns det andra saker i universum som inte verkar vara gjorda av normala atomer alls, kallade mörk. Forskare är det undersöker vilken mörk materia är och hur det kan bildas.
Denna redigerade artikel publiceras från Konversationen under en Creative Commons -licens. Läs ursprunglig artikel.
