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Comment se forment les atomes? —Joshua, 7 ans, Shoreview, Minnesota
Richard Feynmanun célèbre physicien théorique qui a remporté le prix Nobel, dit que S’il ne pouvait transmettre qu’une seule information scientifique aux générations futures, il serait que tout soit fait atomes.
Comprendre comment la forme des atomes est une question fondamentale et importante, car elles constituent tout avec la masse.
La question de savoir d’où vient les atomes nécessite beaucoup de physique pour répondre complètement – et même alors, physicienne Avoir de bonnes suppositions pour expliquer comment certains atomes se forment.
Qu’est-ce qu’un atome?
Un atome se compose d’un centre lourd, appelé le noyau, fait de particules appelées protons et neutrons. Un atome a particules plus légères appelées électrons que vous pouvez considérer comme une orbite autour du noyau.
Les électrons transportent chacun une unité de charge négative, les protons chacun porte une unité de charge positive, et les neutrons n’ont aucun frais. Un atome a le même nombre de protons que les électrons, il est donc neutre – il n’a pas de charge globale.
Maintenant, la plupart des atomes dans l’univers sont les deux types les plus simples: l’hydrogène, qui a un proton, zéro neutrons et un électron; et l’hélium, qui a deux protons, deux neutrons et deux électrons. Bien sûr, sur Terre, il y a beaucoup d’atomes en plus de ceux qui sont tout aussi communs, comme carbone Et l’oxygène, mais je vais en parler bientôt.
Un élément est ce que les scientifiques appellent un groupe d’atomes qui sont tous les mêmes, car ils ont tous le même nombre de protons.
Quand les premiers atomes se sont-ils formés?
La plupart des atomes d’hydrogène et d’hélium de l’univers se sont formés environ 400 000 ans après le big bangqui est le nom du moment où les scientifiques pensent que l’univers a commencé, il y a environ 14 milliards d’années.
Pourquoi se sont-ils formés à ce moment-là? Les astronomes savent de l’observation étoiles explosives distantes que la taille de l’univers a été devenir plus grand depuis le big bang. Lorsque les atomes d’hydrogène et d’hélium se sont formés pour la première fois, l’univers était sur 1 000 fois plus petit que maintenant.
Et sur la base de leur compréhension de la physique, les scientifiques croient que l’univers était beaucoup plus chaud quand il était plus petit.
Avant cette période, les électrons avaient trop d’énergie pour s’installer dans les orbites autour des noyaux d’hydrogène et d’hélium. Ainsi, les atomes d’hydrogène et d’hélium ne pourraient se former qu’une fois que l’univers s’est refroidi à quelque chose comme 5 000 degrés Fahrenheit (2 760 degrés Celsius). Pour des raisons historiques, Ce processus est informé de la recombinaison – La combinaison serait plus descriptive.
L’hélium et le deutérium – une forme plus lourde d’hydrogène – Les noyaux se sont formés encore plus tôt, quelques minutes seulement après le Big Bang, lorsque la température était supérieure à 1 milliard de F (556 millions C). Les protons et les neutrons peuvent entrer en collision et former des noyaux comme ceux-ci uniquement à des températures très élevées.
Les scientifiques pensent que presque toutes les matières ordinaires de l’univers sont faites d’environ 90% d’atomes d’hydrogène et d’atomes d’hélium à 8%.
Comment se forment des atomes plus massifs?
Ainsi, les atomes d’hydrogène et d’hélium se sont formés pendant la recombinaison, lorsque la température plus froide a permis aux électrons de tomber dans les orbites. Mais vous, moi et presque tout sur Terre est fait de beaucoup plus d’atomes massifs que de l’hydrogène et de l’hélium. Comment ces atomes ont-ils été fabriqués?
La réponse surprenante est que plus Des atomes massifs sont fabriqués en étoiles. Faire des atomes avec plusieurs protons et neutrons collés ensemble dans le noyau nécessite le type de collisions à haute énergie qui se produisent Dans des endroits très chauds. L’énergie nécessaire pour former un noyau plus lourd doit être suffisamment grande pour surmonter la force électrique répulsive que les charges positives, comme deux protons, se sentent les uns avec les autres.
Les protons et les neutrons ont également une autre propriété – un peu comme un type de charge différent – qui est suffisamment fort pour les lier ensemble une fois qu’ils peuvent se rapprocher de très près. Cette propriété est appelée la force forteet le processus qui rassemble ces particules est appelé fusion.
Les scientifiques pensent que la plupart des éléments du carbone jusqu’au fer fusionné dans les étoiles plus lourd que notre soleil, où la température peut dépasser 1 milliard de F (556 millions C) – la même température que l’univers était quand il n’avait que quelques minutes.
Mais même dans les étoiles chaudes, les éléments plus lourds que le fer et le nickel ne se formeront pas. Ceux-ci nécessitent une énergie supplémentaire, car les éléments plus lourds peuvent plus facilement se briser en morceaux.
Dans un événement dramatique appelé une supernovale noyau intérieur d’une star lourde s’effondre soudainement après qu’il ne manque pas de carburant pour brûler. Au cours de l’explosion puissante, cet effondrement se déclenche, des éléments plus lourds que le fer peuvent se former et être éjectés dans l’univers.
Les astronomes trouvent toujours les détails d’autres événements stellaires fantastiques qui forment des atomes plus grands. Par exemple, en collision étoiles à neutrons peut libérer d’énormes quantités d’énergie – et des éléments tels que l’or – en route pour formant des trous noirs.
Comprendre la façon dont les atomes sont fabriqués nécessitent simplement l’apprentissage d’un peu de relativité générale, ainsi que de la physique nucléaire, des particules et de la physique atomique. Mais pour compliquer les choses, il y a d’autres choses dans l’univers qui ne semblent pas du tout fabriquées à partir d’atomes normaux, appelés matière noire. Les scientifiques sont enquêter sur ce qu’est la matière noire et comment cela pourrait se former.
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