أطفال فضوليون هي سلسلة للأطفال من جميع الأعمار. إذا كان لديك سؤال وترغب في أن يجيب عليه أحد الخبراء، أرسله إلى CuriousKidsUS@theconversation.com.

كيف تتشكل الذرات؟ – جوشوا، 7 سنوات، شورفيو، مينيسوتا

ريتشارد فاينمان، عالم فيزياء نظرية مشهور فاز بجائزة جائزة نوبل, قال ذلك إذا كان بإمكانه نقل معلومة علمية واحدة فقط إلى الأجيال القادمة، فستكون أن كل الأشياء مصنوعة الذرات.

إن فهم كيفية تشكل الذرات هو سؤال أساسي ومهم، لأنها تشكل كل شيء بالكتلة.

إن السؤال عن مصدر الذرات يتطلب الكثير من الفيزياء للإجابة عليه بشكل كامل، وحتى ذلك الحين، الفيزيائيون ليس لدينا سوى تخمينات جيدة لشرح كيفية تكوّن بعض الذرات.

ما هي الذرة؟

ذرة يتكون من مركز ثقيل يسمى النواة، مكون من جسيمات تسمى البروتونات والنيوترونات. الذرة لديها جسيمات أخف تسمى الإلكترونات التي يمكنك التفكير فيها على أنها تدور حول النواة.

ويحمل كل إلكترون وحدة واحدة من الشحنة السالبة، البروتونات كل منها يحمل وحدة واحدة من الشحنة الموجبة، و النيوترونات ليس لديهم تهمة. تحتوي الذرة على نفس عدد البروتونات الموجودة في الإلكترونات، لذا فهي محايدة، ولا تحتوي على شحنة إجمالية.

الآن، معظم الذرات في الكون هما أبسط نوعين: الهيدروجين، الذي يحتوي على بروتون واحد، وصفر نيوترونات وإلكترون واحد؛ والهيليوم، الذي يحتوي على بروتونين ونيوترونين وإلكترونين. بالطبع، يوجد على الأرض الكثير من الذرات إلى جانب تلك التي لها نفس القدر من الشيوع، مثل الكربون والأكسجين، ولكن سأتحدث عن تلك قريبا.

العنصر هو ما يسميه العلماء مجموعة الذرات المتشابهة، لأنها تحتوي جميعها على نفس عدد البروتونات.

متى تشكلت الذرات الأولى؟

تشكلت معظم ذرات الهيدروجين والهيليوم في الكون بعد حوالي 400 ألف سنة الانفجار الكبيروهو الاسم الذي يطلق على الوقت الذي يعتقد فيه العلماء أن الكون بدأ منذ حوالي 14 مليار سنة.

ولماذا تشكلوا في ذلك الوقت؟ يعرف علماء الفلك من خلال المراقبة النجوم المتفجرة البعيدة أن حجم الكون كان يكبر منذ الانفجار الكبير. عندما تشكلت ذرات الهيدروجين والهيليوم لأول مرة، كان الكون على وشك أصغر بـ 1000 مرة مما هو عليه الآن.

وبناء على فهمهم للفيزياء، يعتقد العلماء أن الكون كان أكثر سخونة بكثير عندما كان أصغر.

قبل هذا الوقت، كانت الإلكترونات تمتلك طاقة كبيرة جدًا بحيث لا يمكنها الاستقرار في مدارات حول نواة الهيدروجين والهيليوم. لذلك، يمكن لذرات الهيدروجين والهيليوم أن تتشكل فقط عندما يبرد الكون إلى ما يقرب من 5000 درجة فهرنهايت (2760 درجة مئوية). لأسباب تاريخية.. هذه العملية تسمى بشكل مضلل إعادة التركيب – الجمع سيكون أكثر وصفية.

الهيليوم والديوتيريوم – شكل أثقل من الهيدروجين – تشكلت النوى في وقت مبكر، بعد دقائق قليلة من الانفجار الكبير، عندما كانت درجة الحرارة أعلى من 1 مليار فهرنهايت (556 مليون درجة مئوية). يمكن للبروتونات والنيوترونات أن تتصادم وتشكل نوى مثل هذه فقط عند درجات حرارة عالية جدًا.

يعتقد العلماء أن كل المادة العادية في الكون تقريبًا تتكون من حوالي 90% ذرات هيدروجين و8% ذرات هيليوم.

كيف تتشكل الذرات الأكثر ضخامة؟

لذلك، تشكلت ذرات الهيدروجين والهيليوم أثناء إعادة التركيب، عندما سمحت درجة الحرارة المنخفضة للإلكترونات بالسقوط في المدارات. لكن أنت وأنا وكل شيء تقريبًا على الأرض يتكون من ذرات أكثر ضخامة من مجرد الهيدروجين والهيليوم. كيف تم صنع هذه الذرات؟

الجواب المدهش هو أن أكثر من ذلك تُصنع الذرات الضخمة في النجوم. إن تكوين ذرات تحتوي على عدة بروتونات ونيوترونات ملتصقة ببعضها البعض في النواة يتطلب حدوث نوع من الاصطدامات عالية الطاقة في الأماكن الحارة جداً. الطاقة اللازمة لتشكيل نواة أثقل يجب أن تكون كبيرة بما يكفي للتغلب على القوة الكهربائية التنافرية التي تشعر بها الشحنات الموجبة، مثل البروتونين، مع بعضها البعض.

تتمتع البروتونات والنيوترونات أيضًا بخاصية أخرى – تشبه نوعًا مختلفًا من الشحنات – وهي قوية بما يكفي لربطها معًا بمجرد أن تكون قادرة على الاقتراب من بعضها البعض. هذه الخاصية تسمى القوة القوية، وتسمى العملية التي يتم بها لصق هذه الجزيئات معًا بالاندماج.

ويعتقد العلماء أن معظم العناصر من الكربون حتى الحديد موجودة مندمجة في النجوم أثقل من شمسنا، حيث يمكن أن تتجاوز درجة الحرارة مليار فهرنهايت (556 مليون درجة مئوية) – وهي نفس درجة الحرارة التي كان عليها الكون عندما كان عمره بضع دقائق فقط.

لكن حتى في النجوم الساخنة، لن تتشكل عناصر أثقل من الحديد والنيكل. وهذا يتطلب طاقة إضافية، لأن العناصر الأثقل يمكن أن تتكسر إلى أجزاء بسهولة أكبر.

في حدث درامي يسمى المستعر الأعظم، ينهار اللب الداخلي لنجم ثقيل فجأة بعد نفاد الوقود اللازم للاحتراق. أثناء الانفجار القوي الذي يحدثه هذا الانهيار، يمكن أن تتشكل عناصر أثقل من الحديد وتخرج إلى الكون.

لا يزال علماء الفلك يكتشفون تفاصيل الأحداث النجمية الرائعة الأخرى التي تشكل ذرات أكبر. على سبيل المثال، الاصطدام النجوم النيوترونية يمكن أن تطلق كميات هائلة من الطاقة – و عناصر مثل الذهب — في طريقهم إلى تشكيل الثقوب السوداء.

إن فهم كيفية صنع الذرات يتطلب تعلم القليل من النسبية العامة، بالإضافة إلى بعض الفيزياء النووية والجسيمية والذرية. ولكن لتعقيد الأمور، هناك أشياء أخرى في الكون لا يبدو أنها مصنوعة من ذرات عادية على الإطلاق، تسمى المادة المظلمة. العلماء هم التحقيق في ما هي المادة المظلمة وكيف يمكن أن تتشكل.

أعيد نشر هذه المقالة المحررة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.