宇宙15︱中性原子诞生为啥用了38万年？微波背景为啥是黑体谱？在我们生活中

在我们生活中，很少能够看到等离子体，我们身边的物质大部分都是中性原子，或者是中性分子构成的，这是因为我们现在所处的宇宙是一个低能的状态。
在这样的宇宙中，我们想要制造等离子体，就必须给物质施加能量，电离它们的分子、原子结构，使电子脱离原子核的束缚。

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但在138亿年前，不用这么复杂，我们的宇宙就是一个大火球，里面根本就没有中性原子，而是充斥着密度比太阳中心还要高的等离子体。
很显然，这样的宇宙不能诞生任何物质结构，当然也不适合我们生存，所以它必须降温，原子核和电子必须抱在一起形成中性原子，这样才能有分子，才能有物质结构，才能有我们。所以今天的内容是，等离子体到中性原子的转变。
好，我们开始正题，上节课结束以后，我们知道了宇宙在诞生以后的4分钟，原子核就形成了，按数量来算的话，其中包括92%的氢核， 8%的氦核，在核合成的过程中，还残留下了少量的氘、氦3 ，以及锂元素，不过三种元素非常少，可以忽略不计。

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所以我们可以认为， 4分钟后的宇宙是一个由质子、氦核、电子、光子组成的高温等离子体，此时宇宙的密度仍然很高，电子和原子核的平均距离不会超过原子的尺度。
你可能会认为，既然原子核和电子挨得这么近，它们肯定会相互吸引，电子会被原子核俘获，绕着原子核运行，中性原子很容易就形成了。
【宇宙15︱中性原子诞生为啥用了38万年？微波背景为啥是黑体谱？】其实并没有这么简单，要知道当时宇宙的温度高达数亿摄氏度，在这种温度下，电子和原子核像打鸡血一样，在空间中暴走，速度接近光速，当然电子的质量更小，它的速度会更快，所以这时的原子核是绑不住电子的。

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那么随着宇宙的膨胀冷却，原子核和电子会慢慢地冷静下来，在这种情况下，有些原子核就试着开始俘获电子了，但这时它们又会遇见电子兴奋剂，光子。
光子只要看见有一个原子核绑了电子，就会一头撞过去，把自己的能量传给电子，电子获得动能以后，就逃出原子核的怀抱。
而且每个电子的身边会有多达10亿个光子看着电子，所以在很长一段时间内，电子是没有办法找原子核的。
根据伽莫夫的计算，要想让原子核和电子稳定地抱在一起，宇宙的温度需要从数亿摄氏度降到大约3000摄氏度，这一降温过程至少需要30万年的时间。

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也就是说，宇宙从诞生以后花了4分钟，把原子核和电子都准备好了，但是想要形成中性原子，至少要花几十万年的时间。
在这漫长的时间内，宇宙虽然说没有发生啥大的变化，但也没闲着，尤其是光子，它不仅在搞拆迁，而且还在不断地与电子发生碰撞，这个专业术语叫汤姆逊散射。
这里我解释一下，散射并不是简单的反弹，所以并不是光子和电子碰了一下，交换了动能，就被电子以随机的方向反弹出去了。

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而是电子会先吸收这个光子，并且会因为入射光子的电场分量振动起来，或者是产生一个加速，这时电子就会受激发，处在激发态，这就像你拿着鞭子抽陀螺一样，一鞭子下去陀螺就兴奋起来了，入射光子打到电子的身上，电子也兴奋，所以我说光子是电子兴奋剂。
那么处在激发态的电子就要落回基态，它就会朝着任意一个方向释放出一个和入射光子波长一摸一样的散射波，这个过程就叫汤姆逊散射。
其实汤姆逊散射就是弹性散射，弹性散射的意思是，入射光子和散射光子能量没有变化，只不过方向发生了改变而已。还有天空中的瑞丽散射，丁达尔效应都是弹性散射。

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在最初的一段时间内，光子和自由电子的这种弹性散射发生得非常频繁，每秒能达到几万亿次，随着宇宙的膨胀，密度的降低， 30万年后，这种散射就变的不那么频繁了，也就每秒几十次。