Ich habe in Bezug auf die Urknalltheorie gelesen, dass nach 300.000 Jahren Urknalltemperatur die Temperatur auf 4500 Kelvin gesenkt wurde und dies zu Atommaterie führte. Meine Frage ist also, warum die Temperaturreduzierung sie für die Atombildung geeignet macht.
Antworten:
Die Temperatur eines Gases ist ein Maß für die kinetische Energie der Partikel. Für Moleküle können Sie Rotations- und Schwingungsenergie haben, während Sie für einzelne Atome nur Translationsenergie oder "thermische Bewegung" haben. Bei einer bestimmten Temperatur haben die Teilchen nicht genau die gleiche Energie, sondern eine Verteilung der Energien und damit der Geschwindigkeiten.
Das meiste (> 90%) des Gases im Universum ist Wasserstoff. Die Energie, die benötigt wird, um das Elektron von einem Wasserstoffatom abzustoßen (dh zu ionisieren), beträgt 13,6 eV. Für ein Gas von ist der Anteil der Teilchen mit ausreichender Energie zur Ionisierung von Wasserstoff so hoch, dass der Großteil der Atome ionisiert \ Dolch ist , dh in Protonen und Elektronen aufgeteilt ist. Dies war zu Beginn der Geschichte des Universums der Fall. Jedes Mal, wenn sich ein Proton und ein Elektron trafen und zu einem neutralen Atom rekombinierten, wurde das Elektron fast sofort wieder von einem hochenergetischen Teilchen (normalerweise einem Elektron, aber es könnte auch ein Proton oder Photonen sein, abgeschlagen, da sich alle Teilchen in "befanden. thermodynamisches Gleichgewicht ", dh die gleiche Energieverteilung).†
Als sich das Universum ausdehnte, kühlte das Gas ab. Irgendwann, 380.000 Jahre nach dem Urknall, war die Temperatur so weit gesunken, dass es nicht mehr möglich war, die Atome ionisiert zu halten, so dass sie sich über einen relativ kurzen Zeitraum ( Jahre) alle wieder vereinigten. Diese Epoche wird daher als Rekombinationsepoche bezeichnet .
Bis zu diesem Zeitpunkt streuten alle Photonen weiter auf den freien Elektronen. Wenn die Elektronen in Atomen "gefangen" sind, können sie nun frei strömen und sich "entkoppeln". Seitdem reisen sie frei, aber seit sie durch ein expandierendes Universum reisen, verschieben sie sich auf dem Weg rot. Seitdem hat sich das Universum um einen Faktor von ~ 1100 erweitert, ebenso wie die Wellenlänge der Photonen, so dass sie heute eine Temperatur von . Dies ist, was wir als kosmischen Mikrowellenhintergrund sehen .
In diesem Fall werden sie im Prinzip sind nicht „Atome“, sondern ein Plasma. In der Astronomie ist es jedoch ganz normal, es Atome zu nennen.
Halte es so einfach wie möglich.
Je mehr Energie vorhanden ist, desto schwieriger ist es für die (relativ) schwache elektromagnetische Kraft, Elektronen an Kerne zu binden (und ein Atom ist ein Kern, an den Elektronen gebunden sind).
Wenn mehr Energie vorhanden war, hatten die Elektronen und Kerne zu viel Energie, um miteinander verbunden zu werden.
Eine vereinfachte Sichtweise ist, dass sich die Elektronen und Kerne einfach zu schnell bewegten, wenn sie heiß waren (die Temperatur hängt mit der durchschnittlichen Energie zusammen, die mit der Bewegung zusammenhängt).
Atome werden von Kernen gebildet, die von Elektronen umgeben sind, die durch die elektromagnetische Kraft gebunden sind . Kerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die durch die starke Kernkraft gebunden sind ; Protonen und Neutronen bestehen wiederum aus (verschiedenen Arten und Mengen von) Quarks , die ebenfalls durch die starke Kraft gebunden sind.
Ganz am Anfang des Universums wird angenommen, dass alle Kräfte (die genannten plus Schwerkraft und die schwache Kernkraft) eins waren; Als die Temperatur sank, wurden sie deutlich. Temperatur bedeutet für Partikel Energie. Sie können keine Atomkerne haben, bis Quarks als Protonen und Nukleonen gebunden sind und diese wiederum aneinander gebunden sind. Das heißt, Sie müssen die starke Kernkraft unterscheiden und die Tendenz der energetischen Teilchen überwinden, einfach zufällig zu verschwinden.
Sobald die Temperatur sinkt, bilden sich Protonen und Neutronen und werden dann in Kernen gebunden. Elektronen sind immer noch verstreut, obwohl auch die elektromagnetische Kraft deutlich geworden ist, weil sie immer noch sehr energiereich sind und ständig von anderen energetischen Teilchen getroffen werden und die elektromagnetische Kraft im Vergleich zur starken Kernkraft sehr, sehr schwach ist . In diesem Stadium ist das Universum ein Plasma , dh eine Suppe aus Kernen und freien Elektronen. (Es ist zum größten Teil immer noch und schließt dunkle Materie und dunkle Energie aus, obwohl dies in unserer winzigen Ecke davon, dh der Erde, nicht der Fall ist.)
Dann sinkt die Temperatur weiter und die elektromagnetische Kraft, die positiv geladene Kerne zu negativ geladenen Elektronen anzieht, beginnt zu spüren. Zu diesem Zeitpunkt können sich "reguläre" Atome bilden (und sobald die Temperatur niedrig genug ist, können sie sich auch unter Bildung von Molekülen aneinander binden).
Wir können Kerne und Elektronen leicht dazu zwingen, sich wieder zu lösen, indem wir hohe Temperaturen (oder andere Energieformen) verwenden. Der Abbau von Kernen ist etwas kostspieliger (es sei denn, sie sind von Natur aus instabil, dh radioaktiv, wie im Fall von Uran), und der Abbau von Protonen oder Neutronen ist äußerst schwierig .