Rozmiary przedmiotów

Dlaczego na Świecie jest więcej węgla niż złota?

Aby odpowiedzieć na to pytanie musimy zrozumieć, skąd pochodzą jądra atomów złota i wegla. Jądra atomowe są głównym tematem tej prezentacji. W lekcjach o promieniotwórczości możemy jeden z aspektów istnienia jąder - radioaktywność, ale jądra mają wiele innych ciekawych właściwości, a ta lekcja pomoże je zrozumieć, jeśli będziesz mógł je dopasować do schematu rzeczy od najmniejszych do największych.

Aby zrozumieć jak Słońce świeci, musimy zrozumieć jądra atomowe. To zdjęcie Słońca wykonano w nadfiolecie korzystając z kamery umieszczonej na pokładzie satelity. Części pokazane jako żółte są bardziej gorące niż czerwone. Barwy nie są prawdziwe.

Wszystkie te miliardy gwiazd w Galaktyce Andromedy są jądrowymi piecami, wewnątrz których powstają nowe pierwiastki, z których pewnego dnia mogą utworzyć się nowe planety. Jasona Ware http://www.galaxyphoto.com

Niektóre przedmioty są mniejsze niż ludzie, a inne dużo większe. Na przykład ziarenko piasku może mieć mniej niż milimetr średnicy – to jest przeszło tysiąc razy mniej niż wzrost człowieka. Z drugiej strony, Mount Everest w Himalajach jest kilka tysięcy razy wyższy niż istota ludzka.

Nie mamy kłopotu z określeniem rozmiarów ziarenka piasku lub góry, ale obiekty, które wkrótce spotkamy, rzucają dużo większe wyzwanie naszej wyobraźni. Wszystko wokół nas zbudowane jest z atomów, a te są ponad tysiąckrotnie razy mniejsze od ludzi. Na przeciwnym krańcu mamy Wszechświat zawierający struktury więcej niż miliony razy większe niż cokolwiek z naszego codziennego doświadczenia.

Odległość Ziemi od Słońca przekracza w przybliżeniu 100 miliardów razy wzrost dorosłego człowieka i wynosi około 150 000 000 000 metrów. A to jest prawie nieporównywalne z odległością do innych gwiazd. Zapisanie takich odległości w metrach wymagałoby bardzo długiego ciągu zer. Jest więc rzeczą ważną mieć sposób zapisu liczb wielkich i bardzo małych tak, by zajmowało to mało miejsca. To musi również pozwolić nam ocenić wielkość bezpośrednio, bez zatrzymywania się i liczenia zer.

Oto stosowane przedrostki:

Znajomy „kilometr”, jako tysiąc metrów i „milimetr”, będący tysięczną częścią metra, niewiele pomogą nam w opisie obiektów bardzo wielkich i bardzo małych. Tabela podaje cały zakres przedrostków, które stosujemy nie tylko do miar długości i masy, ale i innych wielkości. Odległość Ziemi od Słońca może być podana wygodnie w gigametrach (150 Gm).

Niektóre rzeczy są dużo mniejsze niż ludzie. Postępując według strzałki w prawej części rysunku znajdujemy komórki naszego ciała, które mają rozmiary rzędu jednej stutysięcznej metra, co zapisujemy jako 10^-5 m. DNA, zawierające nasze geny, znajduje się w jądrach komórek tworzących nasze ciało. Jądra komórkowe są dużo mniejsze od komórek, w których występują. Atomy, z których zbudowana jest cała materia, są dużo mniejsze, około 10^-10 m. To znaczy, że szereg 10 000 000 000 atomów, ustawionych jeden przy drugim, będzie miał długość 1 metra! Jądra atomowe, będące „sercami” atomów, są jeszcze mniejsze. Ich rozmiar, to ... około 10^-14  m. Zbudowane są z protonów i neutronów, które z kolei zbudowane są z cząstek zwanych kwarkami.

Teraz, idąc w stronę większych wielkości, spotykamy najpierw Ziemię, dalej Układ Słoneczny, a dalej galaktyki zawierające wiele gwiazd, a ostatecznie gromady galaktyk o typowym rozmiarze 10²³ m. Taki zakres odległości jest dla nas wszystkich trudny do wyobrażenia. Zauważcie, że strzałki spotykają się u góry rysunku. To nie przypadek.

Na obrazku z poprzedniej strony były strzałki, które spotykają się końcami u góry rysunku po stronach obiektów największych i najmniejszych.

Te spotykające się strzałki znaczą coś ważnego, co naukowcy zrozumieli całkiem niedawno. Możemy zrozumieć cały Wszechświat – jak powstał, jak jest zbudowany i co się z nim stanie – tylko wtedy, gdy poznamy jego najmniejsze składniki. Co więcej, uczeni badający cały Wszechświat i jego historię od Wielkiego Wybuchu, nauczyli się wiele o najmniejszych obiektach.

Narodziny galaktyk. Ich światło dotarło do nas po 13 miliardach lat. [Dzięki uprzejmości NASA]

Sercami wszystkich atomów naszego ciała są jądra. Są bardzo ważne, choć bardzo małe. Każdy atom węgla ma swoje „węglowe” jądro, atom złota swoje "złote" jądro, itd. Czemu więcej jest węgla niż złota na świecie? Bo więcej jąder atomów węgla niż złota „wypieczono” w gigantycznych, gorących „piecach” zwanych gwiazdami. Jądra wszystkich pierwiastków, z których my i nasze otoczenie jesteśmy zbudowani, poza wodorem, powstały w gwiazdach.

Rozejrzyjcie się po pokoju, w którym jesteście. Może przypomina nieco ten z obrazka. Wy oraz wszystkie rzeczy, które widzicie, zbudowane są z paru pierwiastków, jak węgiel, wodór, tlen, żelazo, itd. Skąd te pierwiastki pochodzą? Ich jądra narodziły się w gwiazdach i jako pył wyleciały w przestrzeń w czasie wybuchów gwiazd! Miliardy lat później ten pył i gaz zebrany razem uformował Słońce, Ziemię i inne planety naszego systemu słonecznego.