Un fizician explică cum se formează atomii

Celebrul fizician teoretician Richard Feynman, laureat al Premiului Nobel, spunea că dacă le-ar putea transmite doar o singură idee științifică generațiilor viitoare, aceasta ar fi că „totul este alcătuit din atomi”. Dar cum se formează atomii?

Într-adevăr, înțelegerea modului în care se formează atomii este o întrebare fundamentală, pentru că ei alcătuiesc tot ceea ce are masă.

• Universul invizibil dezvăluie noi indicii despre materia întunecată
• De ce ni se pare că luna decembrie „vine mai devreme” în fiecare an?

Pentru a răspunde complet la întrebarea „cum se formează atomii?”, e nevoie de multă fizică și chiar și așa, pentru formarea unor atomi, oamenii de știință au doar ipoteze bine susținute. Un atom este alcătuit dintr-un centru greu, numit nucleu, format din protoni și neutroni. În jurul acestuia, electronii, particule mai ușoare, orbitează asemenea planetelor în jurul unui soare.

Fiecare electron poartă o sarcină electrică negativă, fiecare proton o sarcină pozitivă, iar neutronii nu au sarcină. Un atom are în mod normal același număr de protoni și electroni, așadar este neutru din punct de vedere electric.

Cum se formează atomii? O poveste despre începuturile materiei în Univers

Cei mai simpli și mai răspândiți atomi din Univers sunt hidrogenul (un proton, un electron, fără neutron) și heliul (doi protoni, doi neutroni, doi electroni). Pe Pământ, întâlnim frecvent și alți atomi, precum carbonul și oxigenul.

„Un element este, în termeni științifici, un grup de atomi care au același număr de protoni. Majoritatea atomilor de hidrogen și heliu din Univers s-au format acum aproximativ 400.000 de ani după Big Bang, momentul considerat începutul Universului, petrecut în urmă cu circa 14 miliarde de ani”, explică profesorul Stephen L. Levy.

De ce s-au format tocmai atunci? Astronomii știu, din observații asupra stelelor explozive îndepărtate, că Universul se extinde constant. Când atomii de hidrogen și heliu s-au format pentru prima dată, Universul era de aproximativ 1.000 de ori mai mic decât este în prezent.

Conform fizicii moderne, Universul era mult mai fierbinte în acea perioadă. Înainte ca atomii să se formeze, electronii aveau prea multă energie ca să rămână „legați” de nucleele de hidrogen și heliu. Numai după ce Universul s-a răcit sub 2.760 °C, electronii au putut să se stabilească pe orbite în jurul nucleelor, formând astfel atomii. Acest proces, cunoscut istoric drept „recombinare”, ar fi descris mai corect drept „combinare”.

Când s-a format heliul în Univers?

Nucleele de heliu și de deuteriu (o formă mai grea de hidrogen) s-au format chiar mai devreme, la doar câteva minute după Big Bang, când temperatura Universului atingea 556 milioane °C. La asemenea temperaturi extreme, protonii și neutronii puteau fuziona pentru a crea nuclee.

Aproximativ 90% din materia obișnuită din Univers este alcătuită din atomi de hidrogen, iar 8% din heliu. Acești atomi s-au format în perioada de „recombinare”, când Universul s-a răcit suficient pentru ca electronii să se lege de nuclee, scrie Live Science.

Însă noi, Pământul și aproape tot ceea ce vedem în jur suntem alcătuiți din atomi mult mai grei decât hidrogenul și heliul. Cum au apărut acești atomi mai masivi?

Cum se formează atomii din care și noi suntem alcătuiți?

Răspunsul surprinzător este că atomii mai grei se formează în stele. Ca să „faci” un nucleu cu mai mulți protoni și neutroni, e nevoie de coliziuni foarte energice, adică de temperaturi uriașe. Aceste energii trebuie să învingă respingerea electrică dintre protonii pozitivi.

Totuși, protonii și neutronii mai au o altă proprietate, cunoscută drept interacțiune tare, care îi poate ține uniți odată ce ajung foarte aproape unii de alții. Acest proces se numește fuziune nucleară.

Cercetătorii cred că majoritatea elementelor de la carbon până la fier s-au format prin fuziune în stele mai masive decât Soarele nostru, unde temperaturile depășesc jumătate de miliard de grade Celsius, la fel ca în primele minute ale Universului.

Dar nici măcar aceste stele nu pot crea elemente mai grele decât fierul și nichelul. Pentru acelea, e nevoie de energie suplimentară, deoarece nucleele grele tind să se destrame mai ușor.

Într-un eveniment dramatic, numit supernovă, inima unei stele masive se prăbușește după ce își epuizează combustibilul, declanșând o explozie uriașă. În acele momente, se pot forma elemente mai grele decât fierul și sunt împrăștiate în spațiu.

Astronomii încă cercetează și alte evenimente cosmice spectaculoase care pot genera atomi grei. De exemplu, coliziunile dintre stele neutronice eliberează cantități imense de energie și pot forma elemente precum aurul, înainte ca aceste stele să colapseze în găuri negre.

Pentru a înțelege cum se formează atomii, trebuie să înveți puțină relativitate generală, fizică nucleară, particule și atomi. Și totuși, povestea nu se încheie aici, pentru că în Univers există și altceva, care nu pare să fie format din atomi obișnuiți: materia întunecată. Oamenii de știință încearcă și astăzi să înțeleagă ce este aceasta și cum ia naștere.

Vă recomandăm să citiți și:

O mare teorie despre Calea Lactee și Andromeda ar fi fost infirmată

Suprafața Lunii ascunde „o comoară” de peste 1 trilion de dolari, susțin oamenii de știință

Oamenii de știință chinezi au detectat o reacție de fuziune a carbonului extrem de rară

Astronomii au descoperit cele mai mari explozii de la Big Bang încoace