Τα άτομα

Είναι δύσκολο να κατανοήσετε πόσο μικρά είναι τα άτομα που συνθέτουν το σώμα σας μέχρι να ρίξετε μια ματιά στο πλήθος τους. Ένας ενήλικας λοιπόν αποτελείται από περίπου 7.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 άτομα.

Στα μοντέλα της Μεγάλης Έκρηξης προβλέπεται ότι τα πρώτα 1 έως 3 λεπτά, πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια,  δημιουργήθηκαν σχεδόν όλα τα άτομα στο σύμπαν. Καθώς το ζεστό, πυκνό νέο σύμπαν ψύχθηκε, οι συνθήκες έγιναν κατάλληλες για να σχηματιστούν πρώτα πρώτα τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια. Τα κουάρκ ενώθηκαν για να σχηματίσουν πρωτόνια και νετρόνια και αυτά τα σωματίδια σχημάτισαν τους πυρήνες. 

Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, σχηματίστηκαν σε αφθονία πυρήνες υδρογόνου και ηλίου, αλλά σχεδόν κανένα άλλο στοιχείο βαρύτερο του λιθίου. Ωστόσο, παρόλο που σχηματίστηκαν πυρήνες (πλήρως ιονισμένα άτομα), δε μπόρεσαν να σχηματιστούν ουδέτερα άτομα λόγω υψηλής θερμότητας.

Όμως 379.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν η κοσμική θερμοκρασία είχε πέσει στους περίπου 3.000K, οι συνθήκες έγιναν κατάλληλες ώστε οι πυρήνες να συλλάβουν τα ηλεκτρόνια που είχαν επιβραδυνθεί και έτσι σχηματίστηκαν τα πρώτα ουδέτερα άτομα. Τα πρώτα άτομα ήταν κυρίως υδρογόνο και ήλιο, τα οποία εξακολουθούν να είναι τα πιο άφθονα στοιχεία του σύμπαντος.  Με το σχηματισμό των ατόμων, μόνο φωτόνια συγκεκριμένων ενεργειών μπορούσαν να απορροφηθούν και να εκπεμφθούν από αυτά. Αυτά τα φωτόνια είναι ακόμα και σήμερα ανιχνεύσιμα στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια και βρίσκονται στον πυρήνα του ατόμου. Τα ηλεκτρόνια είναι εξαιρετικά ελαφριά και υπάρχουν σαν ένα νέφος γύρω από τον πυρήνα. Το νέφος των ηλεκτρονίων έχει ακτίνα 10.000 φορές μεγαλύτερη από τον πυρήνα.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν περίπου την ίδια μάζα. Ωστόσο, ένα πρωτόνιο ζυγίζει πάνω από 1.800 ηλεκτρόνια. Τα άτομα έχουν πάντα ίσο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων και ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων συνήθως διαφέρει. Η προσθήκη ενός πρωτονίου σε ένα άτομο κάνει ένα νέο στοιχείο, ενώ προσθέτοντας ένα νετρόνιο κάνει ένα ισότοπο, ή βαρύτερη έκδοση, αυτού του ατόμου.

Ο πυρήνας μπορεί να έχει στο εσωτερικό του ομώνυμα θετικά φορτία (πρωτόνια), αλλά συγκρατούνται μαζί λόγω της «ισχυρής πυρηνικής δύναμης», μία από τις τέσσερις βασικές δυνάμεις στη φύση. Αυτή η δύναμη μεταξύ των πρωτονίων και των νετρονίων ξεπερνά την απωστική ηλεκτρική δύναμη που, σύμφωνα με τους κανόνες του ηλεκτρισμού, θα απομάκρυναν τα πρωτόνια. Μερικοί ατομικοί πυρήνες είναι ασταθείς επειδή η δύναμη σύνδεσης ποικίλει για διαφορετικά άτομα με βάση το μέγεθος του πυρήνα. Αυτά τα άτομα θα αποσυντεθούν έπειτα σε άλλα στοιχεία, όπως ο άνθρακας-14 που αποσυντίθεται σε άζωτο-14.

Τρία κουάρκ συνθέτουν κάθε πρωτόνιο – δύο κουάρκ «πάνω» (καθένα με θετικό φορτίο 2/3) και ένα κουάρκ «κάτω» (με αρνητικό φορτίο 1/3) – που συγκρατούνται μαζί με κάποια άλλα υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται γκλουόνια, τα οποία είναι χωρίς φορτίο.