¿Qué hizo que los electrones orbitaran el núcleo después del Big Bang?

Después del Big Bang, el plasma de partículas se expandió y enfrió rápidamente. Era algo así como esta máquina de nieve:

Esta máquina en realidad rocía agua líquida a alta presión. A medida que el agua se expande, en realidad se enfría a través del efecto Joule-Thomson y se une en pequeñas partículas de hielo, cayendo al suelo como nieve.

El universo primitivo estaba en una situación similar. Estaba hecho de un plasma caliente de electrones, protones, neutrones y otras partículas elementales. A medida que este plasma de partículas cargadas se expandió, la distancia promedio entre partículas aumentó. La energía potencial de dos partículas con carga opuesta es [matemática] V \ propto -1 / r [/ matemática] donde [matemática] r [/ matemática] es la distancia entre ellas. Entonces, a medida que aumentaban las distancias entre las partículas cargadas, aumentaba la energía potencial. Debido a que la energía total (energía total = energía cinética + energía potencial) es siempre constante, un aumento en la energía potencial significa una disminución en la energía cinética del plasma. La temperatura de un objeto es proporcional a su energía cinética total, por lo que el resultado de esta expansión es una temperatura decreciente. Este efecto termodinámico, que es el mismo mecanismo explotado por la máquina de nieve anterior, es el efecto Joule-Thomson.

Para que un electrón en un átomo de hidrógeno escape de la atractiva fuerza de Coulomb del protón, debe tener al menos 13,6 eV de energía cinética (debe tener una velocidad de escape suficientemente grande para superar la fuerza de Coulomb). Del mismo modo, si un electrón se acerca a un protón con menos de 13,6 eV de energía cinética, entonces estará unido al protón, formando un átomo de hidrógeno. Por lo tanto, cuando el plasma en expansión se enfrió y la energía cinética de los electrones cayó por debajo de este umbral crítico, se unieron a los protones, formando átomos.

Este evento, llamado Recombination, ocurrió unos 400,000 años después del Big Bang. Cuando esto sucedió, la radiación electromagnética (luz) que había quedado atrapada por el plasma de repente pudo propagarse libremente y explotó hacia afuera, dejando atrás lo que vemos ahora como el fondo cósmico de microondas. Es posible que haya visto esto usted mismo. Si alguna vez activó el canal en un televisor analógico y se puso estático, un pequeño porcentaje de esa estática es causado por este fondo de microondas. Puede que no te hayas dado cuenta en ese momento, pero en realidad estabas viendo el comienzo del universo.

Los electrones no “orbitan” núcleos atómicos en la forma en que orbitan estrellas, planetas, lunas y satélites. A diferencia de los objetos macroscópicos, el electrón es un objeto cuántico puntual. Esto significa que un electrón es más como una onda estacionaria (o excitación) en un océano más amplio (o campo de electrones). La naturaleza cuántica del electrón significa que su posición nunca se define con precisión y, en cambio, es una función de probabilidad, donde, para cualquier medición realizada, la carga puntual del electrón se encontrará en un lugar determinado que puede no tener una relación causal obvia con el lugar donde estaba medido antes. El electrón para cualquier átomo dado posiblemente puede estar en cualquier parte del Universo, pero lo más probable es que se encuentre en ciertas regiones difusas alrededor de los núcleos atómicos a los que está unido. La naturaleza cuántica del electrón da lugar a ciertos efectos como el túnel cuántico que hace posible el fenómeno físico como el brillo de las estrellas y la fotosíntesis.

Después del llamado “Big Bang”, las cuatro fuerzas fundamentales ( gravedad , fuerte , débil y electromagnética ) emergieron del campo unificado con propiedades distintas. Estos campos son como océanos tranquilos con excitaciones ondulantes en ellos que experimentamos como partículas fundamentales como quarks ( arriba, abajo, arriba, abajo, encantados y extraños ) y leptones ( electrón, neutrino electrónico, tau, tau- neutrino, muon y muon-neutrino ). A medida que el universo se enfriaba, estas excitaciones se establecieron en varias ondas estables estables que interactúan de acuerdo con reglas específicas mediante la transferencia de bosones (gravitón ?, higgs, fotón, gluón, w y z) .

De acuerdo con estas reglas, los quarks se ensamblan en protones cargados positivamente y neutrones neutros. Los electrones, que están cargados negativamente, son atraídos a los protones cargados positivamente a través del intercambio de fotones.


(Ver: Orbital atómico, túnel cuántico y biología cuántica)

La creación de la materia después del Big Bang, de acuerdo con las leyes de la física en esta etapa, comienza con el plasma de los quarks y el gluón, en sus sabores conocidos, por la fuerza nuclear fuerte después de cierto tiempo, donde la temperatura disminuye. , los núcleos existen (protones y neuronas), entonces este punto con carga positiva traerá a su alrededor electrones en movimiento como prototipo de un universo, aquí aparecen las fuerzas que organizan el movimiento circular de los electrones alrededor de este punto que llamamos núcleo. un movimiento circular hacia un objeto habrá clssicaly dos fuerzas actuantes, una tirando hacia el centro y otra tirando del centro, en caso de que sean iguales, el objeto sigue dando vueltas alrededor del núcleo a una cierta distancia llamada radio. En este caso, cada partícula fragmentada que se mueve en un movimiento circular irradia radiación, energía, lo que significa que finalmente la partícula cae en el centro del círculo.
Aquí viene el papel de la física cuántica, donde todas las cosas están en la etapa de los sistemas microscópicos. En este caso, como propuso Bohr, cada electrón se mueve en cierta órbita con una velocidad uniforme que no emite energía, a menos que cambie su órbita, y su momento angular viene dado por L = nh, donde n es el número cuántico principal y
h es constante de planck = 6-63X10 ^ -34 j.seg. eso significa que el momento angular está cuantificado. Por lo tanto, estas fuerzas y leyes naturales se crearon con la creación del universo tal como está ahora.

Rápida inflación. Esto permitió el enfriamiento hasta que se permitieron los cambios de fase, la condensación de gluones en hadrones y el desacoplamiento de la luz de los electrones. La neutralidad de carga mantiene los protones y electrones en estrecha asociación, y el hidrógeno se condensa del plasma. Las propiedades cuánticas configuran la forma en que estas partículas ocupan el espacio, como orbitales, no como órbitas.

Tenían la misma propensión a “orbitar” (un nombre poco apropiado, pero tendrá que hacerlo) núcleos en todo momento, es solo que la temperatura promedio y, por lo tanto, la energía cinética promedio de las partículas era demasiado alta al principio Big Bang para permitirlo. En la medida en que lo intentaron, habrían sido eliminados casi de inmediato por alguna partícula de alta energía que zumbaba a través. No fue sino hasta que la temperatura bajó a unos pocos miles de grados en la era de la Recombinación (cosmología), unos 380000 años después del “comienzo”, que hubo un número sustancial de átomos neutros.

La materia atómica tardó bastante en establecerse en un estado en el que los electrones se molestarían en establecerse en núcleos en órbita. Es algo eléctrico, pero el voltaje necesario para ionizar Él es algo así como 53,6 voltios, que es relativamente frío. La temperatura ambiente es de alrededor de 0.02 voltios.

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