Eu li em relação à teoria do Big Bang que após 300.000 anos de temperatura do Big Bang foi reduzida para 4500 Kelvin e isso deu origem à matéria atômica. Então, minha pergunta é por que a redução de temperatura a torna adequada para a formação de átomos?
A temperatura de um gás é uma medida da energia cinética das partículas. Para moléculas, você pode ter energia rotacional e vibracional, enquanto que para átomos únicos, apenas energia translacional, ou "movimento térmico". A uma dada temperatura, as partículas não têm exatamente a mesma energia, mas uma distribuição de energias e, portanto, velocidades.
A maioria (> 90%) do gás no Universo é hidrogênio. A energia necessária para derrubar o elétron (ionizar) um átomo de hidrogênio é 13,6 eV. Para um gás de , a fracção de partículas com energia suficiente para ionizar hidrogénio é tão elevada, que a maioria dos átomos são ionizados , isto é dividido em protões e electrões. Este foi o caso no início da história do universo. Sempre que um próton e um elétron se encontravam e se recombinavam para formar um átomo neutro, o elétron era quase imediatamente repelido por uma partícula de alta energia (geralmente um elétron, mas também poderia ser um próton ou fótons, pois todas as partículas estavam " equilíbrio termodinâmico ", ou seja, compartilhou a mesma distribuição de energias).
À medida que o Universo se expandia, o gás esfriava. Em algum momento, 380.000 anos após o Big Bang, a temperatura havia diminuído o suficiente para que não fosse mais possível manter os átomos ionizados; portanto, durante um período de tempo bastante curto ( anos), todos se recombinaram. Essa época é, portanto, denominada época da recombinação .
Até esse ponto, todos os fótons continuavam se espalhando pelos elétrons livres. Com os elétrons "presos" nos átomos, eles agora podiam fluir livremente e "desacoplar". Eles viajam livremente desde então, mas desde que viajam através de um Universo em expansão, tornam-se mudados de vermelho ao longo do caminho. Desde então, o Universo se expandiu por um fator de ~ 1100, e também o comprimento de onda dos fótons, de modo que hoje eles têm temperatura de . É isso que vemos como o fundo cósmico de microondas .
Nesse caso, eles não são, em princípio, "átomos", mas um plasma. No entanto, na astronomia é bastante normal chamá-lo de átomos de qualquer maneira.
Mantendo-o o mais simples possível.
Quanto mais energia existe, mais difícil é a força eletromagnética (relativamente) fraca ligar elétrons aos núcleos (e um átomo é um núcleo com elétrons ligados a ele).
Quando havia mais energia, os elétrons e os núcleos tinham energia demais para serem ligados.
Uma maneira simplificada de observar isso é que os elétrons e núcleos estavam simplesmente se movendo rapidamente quando estavam quentes (a temperatura está relacionada à energia média relacionada ao movimento).
Os átomos são formados por núcleos cercados por elétrons, ligados pela força eletromagnética ; os núcleos são compostos de prótons e nêutrons, ligados pela forte força nuclear ; prótons e nêutrons são, por sua vez, compostos de (diferentes tipos e quantidades de) quarks , também ligados pela força forte.
No começo do universo, teoriza-se que todas as forças (as mencionadas mais a gravidade e a força nuclear fraca) eram uma; quando a temperatura caiu, eles começaram a se tornar distintos. Temperatura, para partículas, significa energia. Você não pode ter núcleos atômicos até que os quarks fiquem ligados como prótons e núcleons, e estes, por sua vez, se ligam, isto é, é necessário que a força nuclear forte seja distinta e supere a tendência das partículas energéticas de desaparecerem aleatoriamente.
Quando a temperatura cai, prótons e nêutrons se formam e depois se ligam aos núcleos. Os elétrons ainda estão espalhados, mesmo que a força eletromagnética tenha se tornado distinta também, porque ainda são muito energéticos e são atingidos o tempo todo por outras partículas energéticas, e a força eletromagnética é muito, muito fraca em comparação com a força nuclear forte. . Nesta fase, o universo é um plasma , isto é, uma sopa de núcleos e elétrons livres. (Ainda é, na maioria das vezes, excluindo matéria escura e energia escura, embora esse não seja o caso em nosso canto minúsculo, como a Terra.)
Então a temperatura cai um pouco mais e a força eletromagnética, que atrai núcleos com carga positiva para elétrons com carga negativa, começa a ser sentida. Nesse ponto, átomos "regulares" podem se formar (e quando a temperatura é baixa o suficiente, eles também podem se ligar entre si, formando moléculas).
Podemos facilmente forçar núcleos e elétrons a se separarem novamente usando alta temperatura (ou outras formas de energia). É muito mais caro desmontar núcleos (a menos que sejam inerentemente instáveis, isto é, radioativos, como no caso do urânio) e extremamente difícil desmontar prótons ou nêutrons .