4 Minutės
Pagrindinis klausimas: iš kur atsiranda atomai?
Garsus fizikas Richardas Feynmanas yra pasakęs, kad pati svarbiausia mokslo įžvalga – visas pasaulis sudarytas iš atomų. Būtent šie maži statybiniai blokai sudaro aplink mus esančią materiją – nuo oro, kuriuo kvėpuojame, iki tolimiausių galaktikų. Tačiau kyla esminis klausimas: kur ir kaip atsiranda atomai?
Atominės sandaros ir atomų susidarymo tyrimas yra itin reikšmingas šiuolaikinėje fizikoje ir kosmologijoje. Nors mokslininkai jau dešimtmečius tiria šį klausimą, jie vis dar renka žinias iš branduolinės fizikos, kvantinės mechanikos ir kosmologinių stebėjimų. Šie atradimai atskleidžia įspūdingą istoriją, prasidėjusią vos po Didžiojo sprogimo.
Kas yra atomai? Materijos struktūra
Atomas – tai mažiausia cheminio elemento dalelė, išlaikanti visas jo savybes. Kiekvieną atomą sudaro branduolys, kurį sudaro teigiamai įkrauti protonai ir neutralūs neutronai. Branduolį supa neigiamai įkrauti elektronai. Elemento chemines savybes lemia protonų skaičius – pavyzdžiui, vandenilio atomas turi vieną protoną, o helio – du.
Atomai iš principo yra elektriškai neutralūs, nes turi vienodą protonų ir elektronų kiekį. Nors egzistuoja tūkstančiai skirtingų atomų, vandenilis ir helis yra pačios gausiausios visatos elementariosios dalelės. Žemėje labai svarbūs yra ir anglies, deguonies, azoto atomai, kurie vykdo pagrindinį vaidmenį gyvybei būtinuose procesuose ir junginiuose.
Mokslininkai visus atomus, turinčius vienodą protonų skaičių, vadina „elementais“. Ši sistema yra periodinės elementų lentelės pagrindas, kuri jungia visus žinomus cheminius elementus pagal jų atomines savybes.
Pirmųjų atomų gimimas po Didžiojo sprogimo
Visata pradėjo savo egzistavimą nuo Didžiojo sprogimo prieš maždaug 13,8 milijardo metų, kai buvo neįtikėtinai karšta ir tanki. Pirmomis akimirkomis sąlygos buvo per daug ekstremalios – materija buvo tarsi karšta, chaotiška „sriuba“, sudaryta iš laisvų protonų, neutronų, elektronų ir fotonų.
Praėjus maždaug 400 000 metų po Didžiojo sprogimo, kai visata atvėso, elektronai ėmė judėti lėčiau, todėl galėjo jungtis su branduoliais. Šis procesas vadinamas „rekombinacija“ – būtent tada susidarė milžiniški kiekiai vandenilio ir helio atomų. Tuo metu visata buvo tūkstančiu kartų mažesnė nei dabar, o temperatūra siekė apie 2 760 laipsnių Celsijaus.
Prieš rekombinaciją, dėl didelės elektronų energijos, jie negalėjo pasilikti prie branduolių. Tik visatai plečiantis ir vėstant, energijos kiekis sumažėjo, todėl susiformavo stabilūs atomai. Beje, helis ir sunkesnis vandenilio izotopas – deuteris – pradėjo formuotis visai netrukus po Didžiojo sprogimo, kai temperatūra siekė daugiau kaip 556 mln. laipsnių Celsijaus. Tokios ekstremalios sąlygos buvo būtinos, kad protonai ir neutronai galėtų susijungti ir sudaryti pirmuosius branduolius.
Šiandien apie 90% visatos įprastosios materijos yra vandenilis, o dar 8% sudaro helis, parodant šių pirmųjų procesų svarbą visatos sandaroje.
Sunkesnių elementų gamyba: žvaigždžių ir supernovų vaidmuo
Rekombinacijos metu susiformavo daugiausiai vandenilio ir helio, tačiau sunkesnieji atomai, tokie kaip anglis, deguonis ar geležis, atsiranda tik itin ekstremaliomis sąlygomis žvaigždžių branduoliuose.
Žvaigždžių šerdyse, esant milžiniškai temperatūrai ir slėgiui, vyksta branduolių sintezės reakcijos, kai lengvesni branduoliai jungiasi į sunkesnius. Pavyzdžiui, daug už Saulę masyvesnių žvaigždžių viduje temperatūra siekia daugiau nei 556 mln. laipsnių Celsijaus – tuomet protonai ir neutronai įveikia tarpusavio atstūmimą ir susijungia. Tam vykstant lemia stiprioji branduolinė sąveika – be jos protonai, būdami vienodo krūvio, negalėtų susijungti.
Šių reakcijų metu žvaigždėse susidaro elementai iki geležies. Tačiau dar sunkesnių atomų, tokių kaip auksas ar uranas, gamybai reikia dar didesnės energijos nei standartinėse žvaigždėse įvykstanti sintezė, nes šie branduoliai labiau linkę skiltis.
Supernovos: sunkiųjų elementų kosminės kalvės
Kai masyvios žvaigždės išeikvoja kurą, jos sprogsta supernovos sprogimu – jų branduolys subliūkšta ir išsiskiria milžiniškas energijos kiekis. Tai idealios sąlygos sunkiųjų elementų sintezei: chaose susiduria neutronai ir protonai, formuodami atomus, sunkesnius už geležį. Šie atomai pasklinda po visatą, virsta naujomis žvaigždėmis, planetomis ir galiausiai tampa gyvybės dalimi.
Daugiau nei supernovos: neutroninių žvaigždžių susijungimai ir kosminė alchemija
Astrofizikai nustatė ir dar įspūdingesnius procesus. Kai susiduria dvi neutroninės žvaigždės – ypač tankūs žvaigždžių likučiai – išsiskiria milžiniška energija. Tokie susijungimai sukuria gravitacines bangas ir išmeta didelius kiekius aukso ar kitų sunkiųjų elementų visatos platybėse.
Mokslininkai nuolat ieško naujų duomenų, naudodami pažangius teleskopus, dalelių greitintuvus ir kosmines observatorijas, siekdami dar geriau suvokti kosminės branduolinės sintezės procesus.
Neatsakytos mįslės: tamsioji materija ir atominės teorijos ribos
Nors mokslininkai vis geriau supranta įprastosios materijos – atomų – kilmę, visata slepia didelę paslaptį. Stebėjimai rodo, kad net 85% visatos materijos sudaro tamsioji materija, kuri iš esmės nėra sudaryta iš mums žinomų atomų. Ši paslaptis – tamsioji materija – nei skleidžia, nei sugeria, nei atspindi šviesos, todėl ją aptikti itin sunku.
Moksliniai eksperimentai vyksta nuo požeminių detektorių iki tolimų galaktikų stebėjimų ir gravitacinio lęšiavimo. Tamsiosios materijos kilmės išaiškinimas galėtų iš esmės pakeisti mūsų supratimą apie visatos pagrindinius statybinius blokus.
Išvada
Atomų susidarymo istorija – tai viena įspūdingiausių visatos pasakų. Nuo Didžiojo sprogimo, kai pirmieji vandenilio ir helio atomai ėmė formuotis, iki žvaigždžių gelmių ir supernovų, kuriose gimsta sunkesnieji elementai, atomų kelias atspindi visos materijos istoriją. Tiriant, kaip gimsta atomai, susiduria milžiniškos kosmoso ir mikroskopinės kvantinės fizikos sferos, o kartu atsiveria nauji horizontai, tokie kaip tamsioji materija. Toliau tobulėjant mokslui, atsiskleidžia vis daugiau mūsų kilmės detalių ir visatos struktūros paslapčių.
Komentarai