Apa yang membuat suhu dingin cocok untuk pembentukan atom?

Saya telah membaca sehubungan dengan teori Big Bang bahwa setelah 300.000 tahun suhu big Bang berkurang menjadi 4.500 Kelvin dan ini memunculkan materi Atom. Jadi, pertanyaan saya adalah mengapa pengurangan suhu membuatnya cocok untuk pembentukan atom?

Suhu gas adalah ukuran energi kinetik partikel. Untuk molekul Anda dapat memiliki energi rotasi dan getaran, sedangkan untuk atom tunggal Anda hanya memiliki energi translasi, atau "gerakan termal". Pada suhu tertentu, partikel tidak memiliki energi yang sama persis, tetapi distribusi energi, dan karenanya kecepatan.

Sebagian besar (> 90%) gas di Semesta adalah hidrogen. Energi yang dibutuhkan untuk menjatuhkan elektron (yaitu mengionisasi) atom hidrogen adalah 13,6 eV. Untuk gas$T \gtrsim 3000\,\mathrm{K}$, fraksi partikel dengan energi yang cukup untuk mengionisasi hidrogen sangat tinggi, sehingga sebagian besar atom terionisasi , yaitu terpecah dalam proton dan elektron. Ini adalah kasus di awal sejarah Semesta. Setiap kali proton dan elektron bertemu dan bergabung kembali untuk membentuk atom netral, elektron akan segera terantuk kembali oleh partikel berenergi tinggi (biasanya elektron, tetapi juga bisa berupa proton atau foton, karena semua partikel berada di " kesetimbangan termodinamika ", yaitu pembagian energi yang sama).^$\dagger$

Saat Semesta mengembang, gas mendingin. Pada titik tertentu, 380.000 tahun setelah Ledakan Besar, suhunya telah cukup menurun sehingga tidak mungkin lagi untuk membuat atom terionisasi, sehingga selama periode waktu yang agak singkat ( tahun), mereka semua bergabung kembali. Oleh karena itu zaman ini disebut zaman rekombinasi .$\sim10^4$

Sampai saat ini, semua foton terus tersebar di elektron bebas. Dengan elektron "terperangkap" dalam atom, mereka sekarang dapat mengalir dengan bebas, dan "memisahkan". Mereka telah bepergian dengan bebas sejak itu, tetapi karena mereka melakukan perjalanan melalui Semesta yang mengembang, mereka menjadi tergeser sepanjang jalan. Sejak itu, Semesta telah berkembang dengan faktor ~ 1100, dan memiliki panjang gelombang foton, sehingga hari ini mereka memiliki suhu . Inilah yang kita lihat sebagai latar belakang gelombang mikro kosmik .$3000\,\mathrm{K}/1100\simeq2.7\,\mathrm{K}$

^$\dagger$ Dalam hal ini mereka pada prinsipnya bukan "atom", tetapi plasma. Namun, dalam astronomi itu cukup normal untuk menyebutnya atom.

Menjaga sesederhana mungkin.

Semakin banyak energi, semakin sulit gaya elektromagnetik lemah (relatif) untuk mengikat elektron ke inti (dan atom adalah inti dengan elektron yang terikat padanya).

Ketika ada lebih banyak energi, elektron dan inti memiliki terlalu banyak energi untuk diikat bersama.

Cara yang disederhanakan untuk melihat ini adalah bahwa elektron dan inti bergerak dengan cepat ketika panas (suhu berhubungan dengan energi rata-rata yang berhubungan dengan gerak).

Atom dibentuk oleh inti yang dikelilingi oleh elektron, terikat oleh gaya elektromagnetik ; nuklei tersusun atas proton dan neutron, terikat oleh gaya nuklir kuat ; proton dan neutron pada gilirannya terdiri dari (berbagai jenis dan jumlah) quark , juga diikat oleh gaya yang kuat.

Pada awal alam semesta berteori bahwa semua kekuatan (yang disebutkan ditambah gravitasi dan gaya nuklir lemah) adalah satu; ketika suhu turun mereka mulai menjadi berbeda. Temperatur, untuk partikel, berarti energi. Anda tidak dapat memiliki inti atom sampai quark menjadi terikat sebagai proton dan nukleon dan ini pada gilirannya terikat satu sama lain, yaitu, Anda memerlukan kekuatan nuklir yang kuat untuk menjadi berbeda dan mengatasi kecenderungan partikel energik untuk pergi secara acak.

Setelah suhu turun, proton dan netron terbentuk dan kemudian menjadi terikat pada nuklei. Elektron masih berserakan, meskipun gaya elektromagnetik telah menjadi berbeda juga, karena mereka masih sangat energik dan mereka terpukul setiap saat oleh partikel-partikel energik lainnya, dan gaya elektromagnetiknya sangat, sangat lemah dibandingkan dengan gaya nuklir kuat . Pada tahap ini alam semesta adalah plasma , yaitu sup nuklei dan elektron bebas. (Masih, sebagian besar dan tidak termasuk materi gelap dan energi gelap, meskipun itu tidak terjadi di sudut kecil kita itu, yaitu Bumi.)

Kemudian suhu turun lagi dan gaya elektromagnetik, yang menarik inti bermuatan positif ke elektron bermuatan negatif, mulai dirasakan. Pada titik ini, atom "biasa" dapat terbentuk (dan begitu suhunya cukup rendah, mereka juga dapat berikatan dengan satu sama lain membentuk molekul).

Kita dapat dengan mudah memaksa inti dan elektron untuk terlepas lagi dengan menggunakan suhu tinggi (atau bentuk energi lainnya). Agak lebih mahal untuk membongkar inti (kecuali kalau secara inheren tidak stabil, yaitu radioaktif, seperti dalam kasus uranium), dan sangat sulit untuk membongkar proton atau neutron .