Branduolių susidarymas yra fizinis procesas, kurio metu medžiagoje aplink tam tikrus židinio taškus, vadinamus branduoliais, įvyksta būsenos pasikeitimas – pavyzdžiui, skystis tampa kietas. Dažni pavyzdžiai yra vandens garų kondensacija į atmosferoje esančius lašelius, ledo kristalų susidarymas vandeniui užšalus ir dujų burbuliukų atsiradimas skystyje. Heterogeninis branduolių susidarymas įvyksta tais atvejais, kai jau yra branduolių, tokių kaip mažos dulkių dalelės, suspenduotos skystyje ar dujose. Homogeninis branduolių susidarymas vyksta ten, kur tokių teršalų nėra, ir yra daug rečiau. Ši fizinė reakcija yra įvairių gamybos procesų ir įdomių gamtos reiškinių pagrindas.
Dažnai, kai tik pradeda formuotis branduolys, ji rodo eksponentinę augimo kreivę. Pavyzdžiui, kai tirpale pradeda formuotis kristalai, jų paviršiaus plotas didėja jiems augant, pritraukiant daugiau molekulių ir skatinant augimą vis spartesniu greičiu, kol tirpalas stabilizuosis ir nebegali susidaryti kristalai. Tai paaiškina, kodėl žiemą upei užšalti reikia laiko, tačiau kai upės kūne pradeda formuotis ledas, jis dažniausiai labai greitai uždengia upę.
Heterogeninis branduolys
Vanduo paprastai užšąla 32 °F (0 °C) temperatūroje. Taip yra todėl, kad jame yra daug mažų kietų dulkių ir organinių medžiagų dalelių, aplink kurias gali užšalti – jas galima laikyti „sėklomis“, kurios pradeda procesą. Itin grynas vanduo, kuriame nėra šių dalelių, iš tikrųjų užšąla -43.6°F (-42°C). Jei grynas vanduo atšaldomas iki temperatūros, žemesnės už įprastą užšalimo tašką, bet aukštesnę nei gryno užšalimo taškas, jis lieka skystas ir laikomas peršalusiu. Tada vanduo gali būti paskatintas labai greitai užšalti, pridedant vieną mažą ledo kristalą, kuris veikia kaip branduolys.
Panašų reiškinį galima parodyti naudojant persotintą natrio acetato tirpalą. Karštame vandenyje ištirps daugiau junginio nei šaltame, tačiau persotintą tirpalą galima paruošti įpilant į labai karštą vandenį, kol nebetirps, o po to leidžiant jam atvėsti. Kol vanduo atvės, jo tirpale bus daugiau natrio acetato, nei būtų galima ištirpinti tiesiog įpylus jį į šaltą vandenį. Tai yra persotintas tirpalas. Jei dabar pridedamas vienas junginio grūdelis, kristalai greitai susidarys branduolių susidarymo metu ir pasklis po visą skystį, todėl atrodo, kad jis užšąla.
Kitas įdomus pavyzdys, šį kartą susijęs su ištirpusių dujų išleidimu, yra gerai žinomas sprogmenų demonstravimas, naudojant populiarių prekių ženklų kalyklas ir gazuotus gėrimus. Mėtų paviršius padengtas cukrumi, kuris sudaro daug mažyčių branduolio centrų. Gazuotame gėrime yra daug ištirpusio anglies dioksido, kuris, susilietus su mėtomis, tampa dujomis, todėl susidaro daug burbuliukų ir susidaro slėgis, kuris dideliu greičiu išstumia skystį iš talpyklos, suformuodamas fontaną arba „geizerį“.
Debesų susidarymas atmosferoje yra pavyzdys, kai dujos per branduolį kondensuojasi į skystį. Jei ore nebūtų dulkių dalelių, vadinamų kondensacijos branduoliais, debesims susidaryti būtų daug sunkiau. Manoma, kad dūmai, suodžiai ir kitos žmogaus veiklos susidarančios dalelės gali taip veikti ir padidinti debesuotumą užterštose vietose. Kai kuriais atvejais į atmosferą sąmoningai išleidžiami smulkūs kristalai, kurie veiktų kaip kondensacijos branduoliai ir skatina debesų susidarymą labai sausose vietose; ši praktika žinoma kaip „sėjimas iš debesies“.
Homogeninis branduolys
Tai spontaniškai atsiranda medžiagoje, kurioje nėra priemaišų, kurios galėtų veikti kaip jau egzistuojantys branduoliai, todėl yra visiškai vienoda. Paprastai tai atsitinka reaguojant į temperatūros ar slėgio pokyčius. Kad procesas vyktų, iš pačios medžiagos per atsitiktinius svyravimus, kai tik bus tinkamos sąlygos, turi būti sukurti nauji branduoliai. Pavyzdys yra visiškai gryno vandens užšalimas esant -43.6 °F (-42 °C).
Kitas dalykas – ledo kristalų susidarymas debesyse arba užšalęs rūkas žemės lygyje. Ore pakibusius vandens lašelius galima atvėsinti iki gerokai žemiau užšalimo taško, nesudarant ledo; dėl šios priežasties debesys, net ir esant žemesnei oro temperatūrai, dažniausiai susideda iš peršalusio vandens lašelių. Šąlantis rūkas susidaro iš vandens lašelių, kurie susilietus su paviršiumi akimirksniu užšąla; sustingęs rūkas, susidedantis iš ledo kristalų, susidaro tik esant itin žemai temperatūrai.
Programos
Branduolių susidarymas veikia ir yra naudojamas daugelyje gamybos procesų. Pavyzdžiui, jis naudojamas gaminant katalizatorius chemijos pramonei, o daugelis katalizatorių savo poveikį pasiekia per šį procesą. Jis taip pat naudojamas gaminant puslaidininkius elektronikos pramonei. Konditerijos gaminiuose akmens saldainių gamyba yra branduolio susidarymo pavyzdys, leidžiantis susidaryti dideliems kristalams iš persotinto cukraus tirpalo.