Cosa ha reso le temperature più fredde adatte alla formazione di atomi?

Ho letto in relazione alla teoria del Big Bang che dopo 300.000 anni di temperatura del Big Bang è stata ridotta a 4500 Kelvin e questo ha dato origine alla materia atomica, quindi la mia domanda è: perché la riduzione della temperatura la rende adatta alla formazione di atomi?

La temperatura di un gas è una misura dell'energia cinetica delle particelle. Per le molecole puoi avere energia rotazionale e vibrazionale, mentre per singoli atomi hai solo energia traslazionale o "movimento termico". A una data temperatura, le particelle non hanno esattamente la stessa energia, ma una distribuzione di energie, e quindi velocità.

La maggior parte (> 90%) del gas nell'universo è idrogeno. L'energia necessaria per eliminare l'elettrone (cioè ionizzare) un atomo di idrogeno è 13,6 eV. Per un gas di$T \gtrsim 3000\,\mathrm{K}$, la frazione di particelle con energia sufficiente per ionizzare l'idrogeno è così alta che la maggior parte degli atomi è ionizzata , cioè suddivisa in protoni ed elettroni. Questo era il caso all'inizio della storia dell'Universo. Ogni volta che un protone e un elettrone si incontravano e si ricombinavano per formare un atomo neutro, l'elettrone veniva quasi immediatamente respinto da una particella ad alta energia (di solito un elettrone, ma poteva anche essere un protone o fotoni, poiché tutte le particelle erano in " equilibrio termodinamico ", cioè condiviso la stessa distribuzione di energie).^$\dagger$

Mentre l'Universo si espandeva, il gas si raffreddava. Ad un certo punto, 380.000 anni dopo il Big Bang, la temperatura era diminuita abbastanza che non era più possibile mantenere ionizzati gli atomi, quindi per un periodo piuttosto breve ( anni), tutti si ricombinarono. Questa epoca è quindi chiamata l'epoca della ricombinazione .$\sim10^4$

Fino a questo punto, tutti i fotoni hanno continuato a disperdersi sugli elettroni liberi. Con gli elettroni "intrappolati" negli atomi, ora potevano fluire liberamente e "disaccoppiare". Da allora hanno viaggiato liberamente, ma poiché viaggiano attraverso un Universo in espansione, diventano spostati verso il rosso lungo la strada. Da allora, l'Universo si è espanso di un fattore di ~ 1100, e così anche la lunghezza d'onda dei fotoni, in modo che oggi abbiano una temperatura di . Questo è ciò che vediamo come lo sfondo cosmico a microonde .$3000\,\mathrm{K}/1100\simeq2.7\,\mathrm{K}$

^$\dagger$ Nel qual caso in linea di principio non sono "atomi", ma un plasma. Tuttavia, in astronomia è abbastanza normale chiamarlo atomi comunque.

Mantenerlo il più semplice possibile.

Più energia c'è, più è difficile per la forza elettromagnetica (relativamente) debole legare gli elettroni ai nuclei (e un atomo è un nucleo con elettroni legati ad esso).

Quando c'era più energia, gli elettroni e i nuclei avevano troppa energia per essere legati insieme.

Un modo semplificato di vedere questo è che gli elettroni e i nuclei si stavano semplicemente muovendo a digiuno quando erano caldi (la temperatura è correlata all'energia media che è collegata al movimento).

Gli atomi sono formati da nuclei circondati da elettroni, legati dalla forza elettromagnetica ; i nuclei sono composti da protoni e neutroni, legati dalla forte forza nucleare ; i protoni e i neutroni sono a loro volta composti da (diversi tipi e quantità di) quark , anch'essi legati dalla forza forte.

All'inizio dell'universo si ipotizza che tutte le forze (quelle menzionate più la gravità e la debole forza nucleare) fossero una; quando la temperatura calò, iniziarono a diventare distinti. La temperatura, per particelle, significa energia. Non si possono avere nuclei atomici fino a quando i quark non si legano come protoni e nucleoni e questi a loro volta si legano l'uno all'altro, cioè è necessario che la forte forza nucleare sia distinta e superata la tendenza delle particelle energetiche a sparire a caso.

Una volta che la temperatura scende, si formano protoni e neutroni che poi si legano nei nuclei. Gli elettroni sono ancora dispersi, anche se anche la forza elettromagnetica è diventata distinta, perché sono ancora molto energici e vengono colpiti continuamente da altre particelle energetiche, e la forza elettromagnetica è molto, molto debole rispetto alla forte forza nucleare . In questa fase l'universo è un plasma , cioè una zuppa di nuclei ed elettroni liberi. (Lo è ancora, per la maggior parte ed escludendo la materia oscura e l'energia oscura, anche se non è così nel nostro piccolo angolo di esso, cioè la Terra.)

Quindi la temperatura scende ancora e la forza elettromagnetica, che attira i nuclei carichi positivamente verso elettroni carichi negativamente, inizia a farsi sentire. A questo punto possono formarsi atomi "regolari" (e una volta che la temperatura è abbastanza bassa, possono anche legarsi tra loro formando molecole).

Possiamo facilmente forzare i nuclei e gli elettroni a staccarsi di nuovo usando la temperatura elevata (o altre forme di energia). È piuttosto più costoso smantellare i nuclei (a meno che non siano intrinsecamente instabili, cioè radioattivi, come nel caso dell'uranio), ed estremamente difficile smantellare protoni o neutroni .