¿Qué hizo que las temperaturas más frías fueran adecuadas para la formación de átomos?

He leído en relación con la teoría del Big Bang que después de 300,000 años de temperatura del Big Bang se redujo a 4500 Kelvin y esto dio lugar a la materia atómica. Entonces, mi pregunta es ¿por qué la reducción de la temperatura lo hace adecuado para la formación de átomos?

La temperatura de un gas es una medida de la energía cinética de las partículas. Para las moléculas puede tener energía rotacional y vibracional, mientras que para los átomos individuales solo tiene energía traslacional o "movimiento térmico". A una temperatura dada, las partículas no tienen exactamente la misma energía, sino una distribución de energías y, por lo tanto, de velocidades.

La mayoría (> 90%) del gas en el Universo es hidrógeno. La energía necesaria para eliminar el electrón (es decir, ionizar) un átomo de hidrógeno es de 13,6 eV. Para un gas de , la fracción de partículas con suficiente energía para ionizar hidrógeno es tan alta que la mayoría de los átomos están ionizados , es decir, divididos en protones y electrones. Este fue el caso al comienzo de la historia del Universo. Cada vez que un protón y un electrón se reunían y se recombinaban para formar un átomo neutro, una partícula de alta energía volvía a expulsar el electrón casi de inmediato (generalmente un electrón, pero también podría ser un protón o fotones, ya que todas las partículas estaban en " equilibrio termodinámico ", es decir, compartió la misma distribución de energías).$T \gtrsim 3000\,\mathrm{K}$^$\dagger$

A medida que el Universo se expandió, el gas se enfrió. En algún momento, 380,000 años después de Big Bang, la temperatura había disminuido lo suficiente como para que ya no fuera posible mantener los átomos ionizados, por lo que en un período de tiempo bastante corto ( años), todos se recombinaron. Por lo tanto, esta época se llama la época de la recombinación .$\sim10^4$

Hasta este punto, todos los fotones se dispersaron en los electrones libres. Con los electrones "atrapados" en los átomos, ahora podían fluir libremente y "desacoplarse". Han estado viajando libremente desde entonces, pero como viajan a través de un Universo en expansión, se desplazan hacia el rojo en el camino. Desde entonces, el Universo se ha expandido por un factor de ~ 1100, y también la longitud de onda de los fotones, de modo que hoy tienen una temperatura de . Esto es lo que vemos como el fondo cósmico de microondas .$3000\,\mathrm{K}/1100\simeq2.7\,\mathrm{K}$

^$\dagger$ En cuyo caso, en principio, no son "átomos", sino un plasma. Sin embargo, en astronomía es bastante normal llamarlo átomos de todos modos.

Manteniéndolo lo más simple posible.

Cuanta más energía haya, más difícil será para la fuerza electromagnética (relativamente) débil unir electrones a núcleos (y un átomo es un núcleo con electrones unidos a él).

Cuando había más energía, los electrones y los núcleos tenían demasiada energía para unirse.

Una forma simplificada de ver esto es que los electrones y los núcleos simplemente se movían demasiado rápido cuando estaban calientes (la temperatura está relacionada con la energía promedio que está relacionada con el movimiento).

Los átomos están formados por núcleos rodeados de electrones, unidos por la fuerza electromagnética ; los núcleos están compuestos por protones y neutrones, unidos por la fuerza nuclear fuerte ; Los protones y los neutrones a su vez están compuestos de (diferentes tipos y cantidades de) quarks , también unidos por la fuerza fuerte.

Al principio del universo se teoriza que todas las fuerzas (las mencionadas más la gravedad y la fuerza nuclear débil) eran una; A medida que bajaba la temperatura, comenzaron a diferenciarse. Temperatura, para partículas, significa energía. No puedes tener núcleos atómicos hasta que los quarks se unan como protones y nucleones y estos a su vez se unan entre sí, es decir, necesitas la fuerza nuclear fuerte para ser distinta y superar la tendencia de las partículas energéticas a desaparecer al azar.

Una vez que baja la temperatura, se forman protones y neutrones y luego se unen en los núcleos. Los electrones todavía están dispersos, a pesar de que la fuerza electromagnética también se ha diferenciado, porque todavía son muy enérgicos y son golpeados todo el tiempo por otras partículas energéticas, y la fuerza electromagnética es muy, muy débil en comparación con la fuerza nuclear fuerte. . En esta etapa, el universo es un plasma , es decir, una sopa de núcleos y electrones libres. (Todavía lo es, en su mayor parte y excluye la materia oscura y la energía oscura, aunque ese no es el caso en nuestro pequeño rincón, es decir, la Tierra).

Luego, la temperatura baja un poco más y comienza a sentirse la fuerza electromagnética, que atrae núcleos cargados positivamente a electrones cargados negativamente. En este punto, se pueden formar átomos "regulares" (y una vez que la temperatura es lo suficientemente baja, también pueden unirse entre sí formando moléculas).

Podemos forzar fácilmente que los núcleos y los electrones se desprendan nuevamente usando altas temperaturas (u otras formas de energía). Es bastante más costoso desmantelar núcleos (a menos que sean inherentemente inestables, es decir, radiactivos, como en el caso del uranio), y extremadamente difícil de desmantelar protones o neutrones .