Integrovaný vědní základ pro výuku o přírodě a společnosti 1

Stavba hmoty ve vesmíru

2.1 Stavba hmoty ve vesmíru

Experimentálně i teoreticky bylo dokázáno, že hmota se skládá z atomů, přestože málokdo z nás atomy skutečně viděl na vlastní oči. Podobně bylo nade vší pochybnost dokázáno i vnitřní složení atomů: skládají se z kladně nabitého jádra a záporných elektronů. Samotný atom, jehož velikost je v mezích 10^-10 – 10^-9 m je „prázdný“, veškerá hmotnost se nachází v jádře o velikosti asi 10^-15m (Obr.6.). Pro znázornění si představme jádro jako zrnko rýže uprostřed fotbalového stadionu. Elektrony pak krouží někde v horních řadách hlediště.

Zatímco elektrony jsou již dále nedělitelné, skládá se jádro z tzv. nukleonů (kladné protony a neutrální neutrony). Kladné protony jsou odpuzovány velkou elektrostatickou silou a naopak přitahovány tzv. silnou jadernou interakcí, takže jádro zůstane stabilní.

Protony a neutrony ještě nejsou elementárními částicemi, skládají se z tzv. kvarků (kvarky „up“ a „down“)

Další podrobnosti vycházejí za rámec učebního textu a vědychtivý čtenář je může najít v kterékoliv učebnici fyziky či na Internetu.

Obr.5. Bohrův model atomu.

2.2 Vznik Vesmíru

Názory na vznik Vesmíru se v minulosti měnily, lze je však rozdělit na dva základní: materialisté pokládali Vesmír za neměnný, idealisté za stvořený Bohem.

Současný názor svým způsobem spojuje oba názory, je však na rozdíl od nich nezvratně podpořen výsledky pozorování a je následující:

Asi před 14 miliardami let došlo k tzv. Velkému Třesku (Big Bang), který představuje vznik prostoru a času (těžko si takovou situaci lze názorně představit). Od tohoto okamžiku se Vesmír neustále rozpíná. Co se přesně dělo právě v okamžiku Velkého Třesku (B.B.) není známo, snad se více dozvíme z výsledků, prováděných na novém Collideru v Cernu. Kvantová mechanika však již dovede opovědět na to, co se dělo krátce po B.B, tj. v době od 10^-35 s do 1 s. Za tuto velmi krátkou dobu se rozpínající se Vesmír (tzv. Inflační Vesmír) rozrostl z bodového zárodku do oblasti o průměru asi 100 000 miliard km. Ještě přesnější představy o vývoji Vesmíru máme pro dobu od 1 s po B.B do dneška, neboť v té době platily stejné fyzikální zákony, které známe i dnes. Uveďme velmi stručně hlavní rysy vývoje Vesmíru v čase:

· 10^-35 s po B.B: teplota plazmatu, složeného z kvarků a antikvarků je 10²⁸ K. Vesmír se rozpíná, teplota klesá a při teplotě 10²⁷ K by mělo dojít k tzv. anihilaci kvarků a antikvarků na fotony. Pokud by byl počet obou druhů částic stejný, výsledkem by byl vznik fotonů (záření), ale ve Vesmíru by nezůstala žádná hmota. Skutečnost však byla překvapující (a dosud její příčinu neznáme): na 10 miliard antikvarků připadalo v raném Vesmíru 10 miliard + 1 kvarků. Při každé anihilaci obou druhů částic tak zůstal jeden kvark (a z nich vznikl náš Vesmír).

· Při poklesu teploty na 10 000 miliard K – 1000 miliard K vznikly z kvarků protony a neutrony a antiprotony a antineutrony. Stále dochází k anihilaci částic a antičástic a tím ke vzniku fotonů. Stále zůstávají navíc částice (protony a neutrony). Zdůrazněme, že toto vše trvalo jen asi 1/10000 sekundy! Tak rychlý proces se již nikdy ve Vesmíru neopakoval !

· Asi 1s po B.B začínají vznikat jádra deuteria (proton + neutron). Expanze Vesmíru stále pokračuje a zatím jsou v něm přítomna pouze jádra budoucích atomů. Ta nejsou schopná udržet u sebe elektrony, neboť v důsledku vysoké teploty částice na sebe narážejí tak velkou rychlostí, že by se případně zachycené elektrony od jader odštěpily.

· Asi po 200 letech po B.B dochází k tzv. rekombinaci a vzniku atomů vodíku a helia.

· V době asi 400 000 let po B.B začínají vznikat první hvězdy díky gravitačnímu přitahování atomů vodíku. Ve Vesmíru vzniklo asi 100 miliard velkých hvězd, které nazýváme hvězdami první generace. Tyto hvězdy se vlivem gravitační síly stále zahušťovaly, až tlak uvnitř nich dosáhl asi 200 miliard atm. a teplota 15 milionů K. To jsou podmínky, za kterých se může zapálit termonukleární reakce. Ta je charakterizována tím, že z atomů vodíku vznikají atomy helia + energie. Když je veškerý vodík spotřebován, začne se spalovat helium a tak vše postupuje ke stále těžším prvkům a vše končí železem. Prvky těžší než železo vznikají zejména v obalech kolabujících hvězd (supernovy).

· Hvězdy první generace se zhroutily díky vlastní gravitaci a nakonec došlo k rozmetání celé hvězdy do prostoru. Ze zbylého vodíku (zůstal v obalech hvězd, kde nebyla tak vysoká teplota a tlak) vznikly hvězdy druhé generace (např. naše Slunce) a z ostatních prvků vznikly planety (např. naše Země), planetky, komety, apod.

Poznámka 1: uvědomme si, že každý atom v našem těle vznikl v dávných hvězdách první generace. Rčení „Ty jsi hvězda“ je tedy v pořádku a týká se každého z nás.

Poznámka 2: Zánik hvězd. „Život“ hvězd závisí na jejich hmotnosti (podoba s námi, lidmi). Měřítkem je hmotnost Slunce M_S.

· Při hmotnosti hvězdy m < 0,07 M_S nedojde k zažehnutí termonukleární reakce (např. planeta Jupiter).

· Hvězdy s m ≈ 0,1 M_S se prakticky nezměnily, velmi šetří energií a budou žít miliardy let (tzv. Bílí trpaslíci).

· Hvězdy s m ≈ 2M_S žijí pouze necelou miliardu let.

· Hvězdy s m ≈ 70 M_S žijí pouze asi 10 000 let (Modří veleobři)

· Slunce je z tohoto hlediska „tuctovou“ hvězdou, kterých je ve Vesmíru nejvíce. Svůj život skončí asi za 6 miliard let, pak se rozepne, stane se Červeným

obrem a pohltí Merkur, Venuši a možná i Zemi. Nakonec se zhroutí a stane se Bílým trpaslíkem.

Zajímavost: Vesmír za jeden den. Pro názornost si představme, že Vesmír je starý pouze jeden den (tj. 14 miliard let = 1 den).

· 0 – Velký třesk

· 36 ps (pikosekund) – vznik jader H, He

· 2s - vznik atomů

· 30 m – Vytvoření chuchvalců vesmírné látky

· 45 m – Vznik galaxií a hvězd. Největší žijí několik minut. Vznik všech 92 prvků.

· 5 hod. ráno – Vznik Mléčné dráhy s hvězdami druhé generace

· 16 hod. – Vznik Slunce a planet

· 17 hod. – Vznik jednobuněčného života na Zemi

· 23 hod. – První mnohobuněční tvorové

· 23h40m – Vznik veleještěrů