Откуда берутся атомы? Объясняет физик

Curious Kids — это сериал для детей всех возрастов.

Как образуются атомы? — Джошуа, 7 лет, Шорвью, Миннесота

Ричард Фейнман, известный физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии, сказал, что если бы он мог передать будущим поколениям только одну научную информацию, то это было бы то, что всё состоит из атомов.

Понимание того, как формируются атомы, является фундаментальным и важным вопросом, поскольку атомы составляют всё, что имеет массу.

Чтобы полностью ответить на вопрос о том, откуда берутся атомы, нужно хорошо разбираться в физике. Но даже в этом случае физики могут лишь строить догадки о том, как образуются некоторые атомы.

Что такое атом?

Атом состоит из тяжёлого центра, называемого ядром, состоящим из частиц, называемых протонами и нейтронами. В атоме есть более лёгкие частицы, называемые электронами, которые, можно представить, вращаются вокруг ядра.

Каждый электрон имеет один отрицательный заряд, каждый протон имеет один положительный заряд, а нейтроны не имеют заряда. В атоме столько же протонов, сколько электронов, поэтому он нейтрален — у него нет общего заряда.

Итак, большинство атомов во Вселенной — это два простейших вида: водород, в котором один протон, ноль нейтронов и один электрон, и гелий, в котором два протона, два нейтрона и два электрона. Конечно, на Земле есть множество других атомов, которые встречаются так же часто, например углерод и кислород, но о них я расскажу позже.

Элемент — это то, что учёные называют группой одинаковых атомов, потому что у всех них одинаковое количество протонов.

Когда образовались первые атомы?

Большая часть атомов водорода и гелия во Вселенной образовалась примерно через 400 000 лет после Большого взрыва, который, по мнению учёных, произошёл около 14 миллиардов лет назад.

Почему они сформировались именно в то время? Наблюдая за далёкими взрывающимися звёздами, астрономы знают, что размер Вселенной увеличивается с момента Большого взрыва. Когда впервые образовались атомы водорода и гелия, Вселенная была примерно в 1000 раз меньше, чем сейчас.

Основываясь на своём понимании физики, учёные считают, что Вселенная была намного горячее, когда была меньше.

До этого момента у электронов было слишком много энергии, чтобы занять орбиты вокруг ядер водорода и гелия. Таким образом, атомы водорода и гелия могли образоваться только после того, как Вселенная остыла примерно до 5000 градусов по Фаренгейту (2760 градусов по Цельсию). По историческим причинам этот процесс ошибочно называют рекомбинацией, хотя более подходящим было бы слово «комбинация».

Ядра гелия и дейтерия — более тяжёлой формы водорода — образовались ещё раньше, всего через несколько минут после Большого взрыва, когда температура превышала 1 миллиард градусов по Фаренгейту (556 миллионов градусов по Цельсию). Протоны и нейтроны могут сталкиваться и образовывать такие ядра только при очень высоких температурах.

Ученые считают, что почти вся обычная материя во Вселенной состоит примерно на 90% из атомов водорода и на 8% из атомов гелия.

Как образуются более массивные атомы?

Итак, атомы водорода и гелия образовались в результате рекомбинации, когда более низкая температура позволила электронам выйти на орбиты. Но вы, я и почти всё на Земле состоит из гораздо более массивных атомов, чем просто водород и гелий. Как образовались эти атомы?

Удивительный ответ заключается в том, что более массивные атомы образуются в звёздах. Чтобы образовались атомы с несколькими протонами и нейтронами, связанными в ядре, необходимы столкновения с высокой энергией, которые происходят в очень горячих местах. Энергия, необходимая для образования более тяжёлого ядра, должна быть достаточно большой, чтобы преодолеть силу отталкивания, с которой положительные заряды, например два протона, взаимодействуют друг с другом.

У протонов и нейтронов есть ещё одно свойство — своего рода другой тип заряда, — которое достаточно сильно, чтобы связывать их вместе, когда они оказываются достаточно близко друг к другу. Это свойство называется сильным взаимодействием, а процесс, в ходе которого эти частицы соединяются, называется термоядерным синтезом.

Ученые считают, что большинство элементов от углерода до железа образуются в звездах более массивных, чем наше Солнце, где температура может превышать 1 миллиард градусов по Фаренгейту (556 миллионов градусов по Цельсию) — такую же температуру имела Вселенная, когда ей было всего несколько минут от роду.

Но даже в горячих звёздах не образуются элементы тяжелее железа и никеля. Для этого требуется дополнительная энергия, потому что более тяжёлые элементы легче распадаются на части.

В результате драматического события, называемого сверхновой, внутреннее ядро массивной звезды внезапно коллапсирует после того, как в ней заканчивается топливо для горения. Во время мощного взрыва, вызванного этим коллапсом, могут образоваться элементы тяжелее железа, которые выбрасываются во Вселенную.

Астрономы всё ещё изучают детали других фантастических звёздных событий, в результате которых образуются более крупные атомы. Например, при столкновении нейтронных звёзд может высвобождаться огромное количество энергии — и таких элементов, как золото — на пути к образованию чёрных дыр.

Чтобы понять, как устроены атомы, нужно немного изучить общую теорию относительности, а также ядерную физику, физику элементарных частиц и атомную физику. Но ситуация усложняется тем, что во Вселенной есть и другие вещества, которые, по-видимому, вообще не состоят из обычных атомов. Они называются тёмной материей. Учёные исследуют, что такое тёмная материя и как она может образовываться.

К Земле летит новый Оумуамуа? Астрономы обнаружили загадочного межзвёздного гостя