كيف تتشكل الذرات؟ عالم فيزياء يشرح من أين تأتي الذرات التي تشكل كل شيء حولنا

Curious Kids هي سلسلة للأطفال من جميع الأعمار. إذا كان لديك سؤال تريد أن يجيب عليه أحد الخبراء، فأرسله إلى [email protected].

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

قال ريتشارد فاينمان، عالم الفيزياء النظرية الشهير الحائز على جائزة نوبل، إنه إذا استطاع أن ينقل معلومة علمية واحدة فقط إلى الأجيال القادمة، فستكون أن كل الأشياء مصنوعة من 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، فإن الفيزيائيين مثلي ليس لديهم سوى تخمينات جيدة لشرح كيفية تشكل بعض الذرات.

ما هي الذرة؟

تتكون الذرة من مركز ثقيل يسمى النواة، ويتكون من جسيمات تسمى البروتونات والنيوترونات. تحتوي الذرة على جسيمات أخف تسمى الإلكترونات والتي يمكنك التفكير فيها على أنها تدور حول النواة.

يحمل كل إلكترون وحدة واحدة من الشحنة السالبة، ويحمل كل بروتون وحدة واحدة من الشحنة الموجبة، والنيوترونات ليس لها شحنة. تحتوي الذرة على نفس عدد البروتونات الموجودة في الإلكترونات، لذا فهي محايدة، ولا تحتوي على شحنة إجمالية.

الآن، معظم الذرات الموجودة في الكون هي من أبسط نوعين: الهيدروجين، الذي يحتوي على بروتون واحد، وصفر نيوترونات وإلكترون واحد؛ والهيليوم، الذي يحتوي على بروتونين ونيوترونين وإلكترونين. بالطبع، هناك على الأرض الكثير من الذرات إلى جانب تلك التي لها نفس القدر من الأهمية، مثل الكربون والأكسجين، لكنني سأتحدث عنها قريبًا.

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 من الانفجار الكبير، وهو الاسم الذي يشير إليه العلماء عندما يعتقد العلماء أن الكون بدأ قبل حوالي 14 مليار سنة.

ولماذا تشكلوا في ذلك الوقت؟ يعرف علماء الفلك من خلال مراقبة النجوم المنفجرة البعيدة أن حجم الكون يكبر منذ الانفجار الكبير. عندما تشكلت ذرات الهيدروجين والهيليوم لأول مرة، كان الكون أصغر بحوالي 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). ولأسباب تاريخية، تُسمى هذه العملية بشكل مضلل بإعادة التركيب، وسيكون التجميع أكثر وصفًا.

تشكلت نواة الهيليوم والديوتيريوم – وهو شكل أثقل من الهيدروجين – 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 المفاجئ هو أن ذرات أكثر ضخامة تتكون في النجوم. يتطلب تكوين ذرات تحتوي على عدة بروتونات ونيوترونات ملتصقة ببعضها البعض في النواة نوعاً من الاصطدامات عالية الطاقة التي تحدث في الأماكن شديدة الحرارة. 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. تسمى هذه الخاصية بالقوة القوية، وتسمى العملية التي تعمل على لصق هذه الجزيئات ببعضها البعض بالاندماج.

يعتقد العلماء أن معظم العناصر، بدءًا من الكربون وحتى الحديد، تندمج في نجوم 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، يمكن للنجوم النيوترونية المتصادمة أن تطلق كميات هائلة من الطاقة – وعناصر مثل الذهب – في طريقها لتشكيل الثقوب السوداء.

إن فهم كيفية صنع الذرات يتطلب تعلم القليل من النسبية العامة، بالإضافة إلى بعض الفيزياء النووية والجسيمية والذرية. لكن ما يزيد الأمور تعقيدًا هو أن هناك أشياء أخرى في الكون لا يبدو أنها مصنوعة من ذرات عادية على الإطلاق، وتسمى بالمادة المظلمة. يبحث العلماء في ماهية المادة المظلمة وكيف يمكن أن تتشكل.

مرحبًا أيها الأطفال الفضوليون! هل لديك سؤال تود أن يجيب عليه أحد الخبراء؟ اطلب من شخص بالغ أن يرسل سؤالك إلى [email protected]. من فضلك أخبرنا باسمك وعمرك والمدينة التي تعيش فيها.

وبما أن الفضول ليس له حد عمري – أيها البالغون، أخبرنا بما تتساءل عنه أيضًا. لن نتمكن من الإجابة على كل الأسئلة، لكننا سنبذل قصارى جهدنا.

تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: ستيفن ل. ليفي، جامعة بينجهامتون، جامعة ولاية نيويورك

اقرأ المزيد:

يتلقى ستيفن إل. ليفي تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم والمعاهد الوطنية للصحة. وهو تابع لشركة CyteQuest, Inc.