Egyszerű kérdés nehéz válasszal: honnan jöttek az atomok?

Az atom a kémiai elemeknek az a parányi, gömb alakú atommagból és elektronburokból álló semleges részecskéje, ami megőrzi az adott elem tulajdonságait és kémiai úton nem bontható tovább. Közismert, hogy a Földön szinte mindent az atomok építenek fel, ám az az egyszerű kérdés, hogy honnan származnak, már korántsem számít ennyire magától értetendőnek.

Az első atomok az univerzum keletkezése után keletkeztek 400 ezer évvel később Fotó: ESA

Egyszerű kérdés? Richard Feynman, a híres Nobel-díjas elméleti fizikus egyszer azt mondta, hogy ha csak egyetlen tudományos információt adhatna át a jövő generációinak, az feltétlenül az lenne, hogy minden dolog az atomokból épül fel. Annak megértése, hogy hogyan alakulhattak ki az atomok az egyik legfontosabb tudományos kérdés mégpedig azért, mert mindent aminek tömege van, az atomok építenek fel.

Egyszerú kérdés -e, hogy honnan származik az atom? Még ha nem is az, de Richard Feynman, a világhírű Nobel-díjas elméleti fizikus szerint az egyik legfontosabb          Fotó: Wikimedia Commons/Energy.gov

Egyszerű kérdés, amihez nehezen felfogható méretek társulnak

Az atomok eredetének kérdése már az atomelmélet megalkotója, Démokritosz kora óta foglalkoztatja a fizikusokat és a filozófusokat. Annak a megértéséhez, hogy hogyan keletkezhettek az atomok, sok, és nem egyszer bonyolult fizika ismeret szükséges, hogy ezt az egyszerűnek látszó kérdést megpróbáljuk mindenre kiterjedően megválaszolni. De mit is tekintünk atomnak? 

Az atomszerkezetet bemutató ábra     Fotó:  AG Caesar/Wikimedia Commons

Maga az atom csak kémiailag számít oszthatatlannak amit a protonokból és neutronokból álló atommag, illetve egy másik elemi részecskéből, az elektronokból álló elektronburok épít fel. Ez utóbbi a kémiai folyamatok, illetve reakciók kizárólagos terepe.

Az atom átmérője 100 pm nagyságrendű ( tíz a mínusz tizediken méter), ám térfogatának legnagyobb része üres. A középpontjában található parányi atommagnak nagyon kicsi az átmérője, ami tipikusan 10 fm, vagyis tíz a tizennegyediken méter. Ezt a nagyságrendi különbséget jól szemlélteti, hogy ha az atom modelljét 100 méter átmérőjűre nagyítanánk, a középpontjában lévő atommag mindössze kavicsméretű lenne.

Az elektronburkot felépítő elektronok az atommag körül keringenek közel a fény sebességével. Az elektronok egy egységnyi negatív töltést, a protonok pedig egy egységnyi pozitív töltést hordoznak, a neutronoknak viszont nincs töltésük. 

Egy atom ugyanannyi protont tartalmaz, mint amennyi elektront, vagyis semleges és nem rendelkezik össztöltéssel. 

Az univerzumot felépítő anyag túlnyomó részét az egyetlen protonból éd egyetlen elektronból felépülő hidrogén, másodlagosan pedig a kettő protonból, neutronból és elektronból álló hélium alkotja. A hidrogén messze leggyakoribb izotópjában, ami az univerzumban előforduló hidrogén több mint 99 százalékát alkotja  a neutron szám nulla, a neutront is tartalmazó hidrogénatom, a deutérium ennél jóval ritkább.

A korai univerzum még sokkal forróbb volt, mint a jelenlegi    Fotó: ESA/Lives Science

 Ennek az általános törvényszerűségnek látszólag ellentmond, hogy itt a Földön a hidrogénen és a héliumon kívül a periódusos rendszer szinte összes eleme fellelhető, de hogy miért van ez így, annak megvan az egzakt tudományos magyarázata. Elemeknek nevezzük azokat az atomcsoportotokat, amelyek azonos számú protont tartalmaznak és így azonos tulajdonságokkal rendelkeznek.

Mikor alakultak ki az első atomok?

Jelenlegi ismereteink szerint a világegyetem alapépítőköveinek tekinthető hidrogén - kisebb részt pedig a héliumatomok - legnagyobb része a 13,8 milliárd éve bekövetkezett ősrobbanás után hozzávetőleg 400 ezer évvel később keletkezett. De miért pont akkor alakulhattak ki? Azt már viszonylag régebb óta tudjuk, hogy az univerzum az ősrobbanás óta folyamatosan tágul, vagyis a kozmikus inflációnak köszönhetően a mérete is folyamatosan növekszik.

                Albert Einstein állította fel a véges de határtalan világegyetem modelljét az általános relativitáselmélettel                                         Fotó: Wikimedia Commons/Oren Jack Turner, Princeton, N.J

Az úgynevezett einsteini univerzum véges de határtalan entitás, amit leegyszerűsítve egy felfúvódó léggömbhöz hasonlíthatunk. Albert Einstein 1916-ban publikált általános relativitáselmélete a gravitációt a tér görbültségének következményeként írja le.

Amikor a hidrogén- és héliumatomok először alakultak ki, az univerzum körülbelül ezerszer volt kisebb a jelenlegi méretéhez képest. 

Az ősrobbanás utáni "bébi" univerzum azonban nem csak jóval kisebb, hanem sokkal forróbb is volt a mostaninál. 

Az ezt megelőző időkben az elektronoknak még túl sok energiájuk volt ahhoz, hogy a hidrogén- és héliummagok körüli pályákra álljanak. Így a hidrogén- és héliumatomok csak akkor alakulhattak ki, amikor az univerzum hőmérséklete a tágulás következtében körülbelül 2760 Celsius-fokra hűlt le. (Ezt a folyamatot nevezik rekombinációnak az elméleti fizikusok.) 

Az univerzum története az ősrobbanástól     Fotó: ELTE

A hélium és a deutérium atommagjai – utóbbi a hidrogén előzőekben említett, neutront is tartalmazó nehezebb formája – , ennél azonban sokkal korábban, mindössze néhány perccel az ősrobbanás után keletkeztek, amikor az újszülött univerzum hőmérséklete még meghaladta az 1 milliárd Fahrenheit-fokot, vagyis a szinte felfoghatatlanul magas 556 millió Celsius-fokot. A protonok és a neutronok csak az ehhez hasonló nagyon magas hőmérsékleten ütközhetnek és hozhatnak létre ilyen egyszerűbb atommagokat. A tudósok a legkorszerűbb univerzum-modellek alapján úgy vélik, hogy a világegyetemben található közönséges anyag csaknem teljes egészében, körülbelül 90%-ban hidrogénatomokból, 8%-ban pedig héliumatomokból áll.

De hogyan jöhettek létre a hidrogénnél és héliumnál nehezebb atomok?

Mint láttuk, az univerzum "közönséges" anyagának meghatározó részét felépítő hidrogén- és héliumatomok a rekombináció során jöttek létre, amikor a táguló világegyetem alacsonyabb hőmérséklete lehetővé tette az elektronok pályára kerülését. Csakhogy a Földön szinte minden - beleértve az emberi testet is -, a hidrogénnél és a héliumnál sokkal nagyobb tömegű atomokból áll, ezért is indokolt az a kérdés, hogy hogyan és hol alakulhattak ki ezek a nehéz atomok. 

A héliumatom sematikus ábrája     Fotó: Wikimedia Commons

Erre az a sokak számára talán meglepő válasz, hogy a csillagok belsejében. Ahhoz ugyanis, hogy olyan atomok jöjjenek létre, amelyek atommagjában a hidrogénhez és a héliumhoz képest több proton és neutron álljon össze, 

olyan típusú nagy energiájú ütközésekre van szükség, amelyek csak extrém nyomáson és forróságon következhetnek be. 

A nehezebb atommag kialakulásához szükséges energiának elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy legyőzze a pozitív töltések, például két proton egymásra ható elektromos taszító erejét. A protonok és a neutronok azonban egy másik olyan tulajdonsággal – egyfajta másfajta töltéssel – is rendelkeznek, ami elég erős ahhoz, hogy összekapcsolja őket, ha nagyon közel kerülnek egymáshoz. 

A periódusos rendszer 26-os rendszámú eleméig, a vasig terjedő elemek a normál csillagfejlődés termékai    Fotó:  Cmglee/Wikimedia Commons

Ezt a tulajdonságot erős kölcsönhatásnak nevezik, azt a folyamatot pedig, ami ezeket a részecskéket "összeragasztja", magfúziónak. A tudósok úgy vélik, hogy a periódusos rendszer 6-os rendszámú elemétől, a széntől egészen a 26-os rendszámú vasig bezárólag ezek az elemek a Napunknál nagyobb tömegű csillagokban alakulnak ki, ahol a hőmérséklet meghaladhatja az 1 milliárd Fahrenheit-fokot vagyis az 556 millió Celsius-fokot; ez ugyanaz a hőmérsékletet, amely a korai univerzumot jellemezte néhány perccel az ősrobbanás után.

Egy távoli csillagkatasztrófa emlékét hordozzuk az ujjunkon lévő aranygyűrűvel

De még forró csillagokban sem képződnek a vasnál és a nikkelnél nehezebb elemek. Az ezeknél is nehezebb elemek kialakulásához ugyanis olyan extra mennyiségű energia szükséges, ami csak kivételes esetekben képződhet méghozzá a csillagfejlődés egyik különleges epizódjaként. Ez utóbbi drámai esemény az úgynevezett II-típusú szupernóva-robbanás, ami a nagy tömegű csillagoknál következhet be az életük alkonyán, amikor a vörös óriássá felfúvódott csillag a nukleáris fűtőkészletét elégetve a gravitációs erő hatására összeomlik. 

Szupernóva-robbanás művészi ábrája    Fotó: AFP

A gravitációs kollapszus miatt az összeomló csillag magjában akkora nyomás és hő keletkezik, ami már lehetővé teszi a vasnál nehezebb elemek kialakulását. A felrobbanó szupernóva a csillag anyagát - így e gigantikus termonukleáris robbanás során keletkezett nehéz elemeket is -, szétröpíti a térben. 

Az egykori csillag anyagából kialakuló és nehéz elemekben is gazdag intersztelláris por és gázfelhő egy új csillag, illetve bolygórendszer bölcsőjévé válhat.

Az asztrofizikusok még mindig kutatják az élet kialakulása szempontjából nélkülözhetetlen nehéz elemeket, a nagy tömegű atomokat létrehozó fantasztikus csillagkeletkezési események részleteit. Például a neutroncsillagok ütközése - a II-típusú szupernóva-robbanás másik formája -, hatalmas mennyiségű energiát  szabadíthat fel és olyan elemeket hoz létre mint az arany – miközben fekete lyukak keletkezhetnek. Az atomok felépítésének megértéséhez elég egy kis általános relativitáselméleti, valamint némi atomfizika, és részecskefizikai ismeret - írja Stephen L. Levy, a Birminghami Egyetem asztrofizikus docense.

A Földön fellelhető arany egy régi csillagkatasztrófa terméke   Fotó: MTI/Szigetváry Zsolt

 De hogy a dolgok mégse legyenek olyan egyszerűek, van egy a "közönségestől" merőben eltérő más anyag is az univerzumban, amely látszólag egyáltalán nem normál atomokból épül fel, és amit sötét anyagnak nevezünk- fűzi hozzá az egyetemi docens. A tudósok még adósok a válasszal, hogy mi is lehet és hogyan keletkezhetett ez a rejtélyes a sötét anyag. Egyszerűnek látszó kérdés, amire pillanatnyilag még nehéz a válasz. 

A világegyetem látható anyagának építőköveit alkotó atomok:

• az ősrobbanás után nagyjából 400 ezer évvel később keletkeztek,
• az első elemek, a hidrogén és a hélium atomjaiként,
• amihez a korai univerzum hőmérsékletének lecsökkenésére volt szükség,
• a nehéz elemek atomjai pedig a csillagok belsejében, illetve szupernóva-robbanások során keletkeztek.