Tôi đã đọc liên quan đến lý thuyết Big Bang rằng sau 300.000 năm nhiệt độ Bang lớn đã giảm xuống còn 4500 Kelvin và điều này đã làm phát sinh vật chất nguyên tử. Vì vậy, câu hỏi của tôi là tại sao việc giảm nhiệt độ lại phù hợp với sự hình thành nguyên tử?
Câu trả lời:
Nhiệt độ của chất khí là thước đo động năng của các hạt. Đối với các phân tử, bạn có thể có năng lượng quay và năng lượng rung động, trong khi đối với các nguyên tử đơn lẻ, bạn chỉ có năng lượng tịnh tiến hoặc "chuyển động nhiệt". Ở một nhiệt độ nhất định, các hạt không có cùng năng lượng, nhưng phân bố năng lượng và do đó vận tốc.
Khi vũ trụ mở rộng, khí lạnh đi. Tại một số thời điểm, 380.000 năm sau Big Bang, nhiệt độ đã giảm đủ đến mức không còn có thể giữ các nguyên tử bị ion hóa, vì vậy trong một khoảng thời gian khá ngắn ( năm), tất cả đều kết hợp lại. Kỷ nguyên này do đó được gọi là kỷ nguyên tái hợp .
Cho đến thời điểm này, tất cả các photon tiếp tục tán xạ trên các electron tự do. Với các electron "bị mắc kẹt" trong các nguyên tử, giờ đây chúng có thể truyền phát tự do và "tách rời". Họ đã đi du lịch tự do kể từ đó, nhưng kể từ khi họ đi qua một vũ trụ đang mở rộng, họ trở nên chuyển hướng trên đường đi. Kể từ đó, Vũ trụ đã giãn nở với hệ số ~ 1100 và do đó có bước sóng của các photon, do đó ngày nay chúng có nhiệt độ . Đây là những gì chúng ta thấy là nền vi sóng vũ trụ .
Trong trường hợp đó về nguyên tắc chúng không phải là "nguyên tử", mà là plasma. Tuy nhiên, trong thiên văn học, việc gọi nó là nguyên tử là điều khá bình thường.
Giữ nó đơn giản nhất có thể.
Càng có nhiều năng lượng, lực điện từ yếu (tương đối) càng khó liên kết các electron với hạt nhân (và một nguyên tử là hạt nhân với các electron liên kết với nó).
Khi có nhiều năng lượng hơn, các electron và hạt nhân có quá nhiều năng lượng để liên kết với nhau.
Một cách đơn giản để xem xét điều này là các electron và hạt nhân chỉ đơn giản là chuyển động nhanh khi chúng nóng (nhiệt độ có liên quan đến năng lượng trung bình có liên quan đến chuyển động).
Các nguyên tử được hình thành bởi các hạt nhân được bao quanh bởi các electron, bị ràng buộc bởi lực điện từ ; hạt nhân gồm các proton và neutron, bị ràng buộc bởi lực hạt nhân mạnh ; proton và neutron lần lượt bao gồm (các loại và lượng khác nhau) quark , cũng bị ràng buộc bởi lực mạnh.
Vào thời kỳ đầu của vũ trụ, người ta đưa ra giả thuyết rằng tất cả các lực (được đề cập cộng với lực hấp dẫn và lực hạt nhân yếu) là một; khi nhiệt độ giảm họ bắt đầu trở nên khác biệt. Nhiệt độ, đối với các hạt, có nghĩa là năng lượng. Bạn không thể có hạt nhân nguyên tử cho đến khi các quark bị ràng buộc như các proton và nucleon và chúng lần lượt liên kết với nhau, nghĩa là, bạn cần lực hạt nhân mạnh để phân biệt và vượt qua xu hướng các hạt năng lượng biến mất một cách ngẫu nhiên.
Khi nhiệt độ giảm, các proton và neutron hình thành và sau đó bị ràng buộc trong các hạt nhân. Các electron vẫn bị phân tán, mặc dù lực điện từ cũng trở nên khác biệt, bởi vì chúng vẫn rất mạnh và chúng bị các hạt năng lượng khác tấn công mọi lúc, và lực điện từ rất yếu so với lực hạt nhân mạnh . Ở giai đoạn này, vũ trụ là một plasma , nghĩa là một súp hạt nhân và các electron tự do. (Phần lớn vẫn là và không bao gồm vật chất tối và năng lượng tối, mặc dù đó không phải là trường hợp trên góc nhỏ của chúng ta, tức là Trái đất.)
Sau đó, nhiệt độ giảm thêm một chút và lực điện từ, thu hút các hạt nhân tích điện dương đến các electron tích điện âm, bắt đầu được cảm nhận. Tại thời điểm này, các nguyên tử "thông thường" có thể hình thành (và một khi nhiệt độ đủ thấp, chúng cũng có thể liên kết với các phân tử hình thành lẫn nhau).
Chúng ta có thể dễ dàng buộc các hạt nhân và điện tử bị tách ra một lần nữa bằng cách sử dụng nhiệt độ cao (hoặc các dạng năng lượng khác). Việc tháo dỡ các hạt nhân sẽ tốn kém hơn (trừ khi chúng vốn không ổn định, tức là phóng xạ, như trong trường hợp của urani) và cực kỳ khó để phá hủy các proton hoặc neutron .