Πώς δημιουργήθηκαν τα στοιχεία;

Τα στοιχεία δημιουργήθηκαν μέσω της πυρηνικής σύντηξης στους πυρήνες των άστρων. Όταν τα αστέρια πεθαίνουν, εκρήγνυνται και διασκορπίζουν τα στοιχεία τους στη γύρω περιοχή. Ορισμένα στοιχεία δημιουργήθηκαν φυσικά, ενώ άλλα δημιουργήθηκαν με ανθρωπογενή μέσα.

Ένα από τα πιο όμορφα πράγματα που έχω διαβάσει στη ζωή μου είναι ότι είμαστε κυριολεκτικά τα απομεινάρια των σταρ. «Το άζωτο στο DNA μας, το ασβέστιο στα δόντια μας, ο σίδηρος στο αίμα μας, ο άνθρακας στις μηλόπιτες μας φτιάχτηκαν στο εσωτερικό των αστεριών που καταρρέουν», έγραψε ο Carl Sagan, καταλήγοντας, «Είμαστε φτιαγμένοι από αστεράκια».

Το Νεφέλωμα του Ωρίωνα, ένα από τα πλησιέστερα φυτώρια αστεριών μας. (Φωτογραφία:peresanz / Fotolia)

Τα στοιχεία που συνθέτουν τη ζωή είναι οι διάσπαρτες στάχτες των αστεριών μετά από φρικτούς, εκρηκτικούς θανάτους. Έτσι, κατά κάποιον τρόπο, πέθαναν για να γεννηθείς. Ωστόσο, δεν δημιουργήθηκαν όλα τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα στον πυρήνα ενός αστεριού. Λίγα δημιουργήθηκαν έξω από αυτό, από τη φύση, και τα υπόλοιπα, από εμάς . Ας καταλάβουμε πρώτα πώς δημιουργήθηκαν μερικά μέσα σε έναν πυρήνα, που απαιτεί από εμάς να εξετάσουμε τη ζωή ενός αστεριού.

Φυσικά στοιχεία

Τα ελαφρύτερα στοιχεία υδρογόνο και ήλιο δημιουργήθηκαν όταν η σκόνη κατακάθισε μετά το Big Bang. Ένα εκκολαπτόμενο αστέρι αποτελείται κυρίως από αυτό το αέριο υδρογόνο που καταρρέει από μόνο του. Αυτή η συμπίεση θερμαίνει το αέριο και αναγκάζει τα άτομα του να συγκρούονται βίαια μεταξύ τους. Οι συγκρούσεις θερμαίνουν περαιτέρω το αέριο και τελικά τα άτομα υδρογόνου δεν συγκρούονται και εκτελούν ρικοσκέτες, αλλά αντ' αυτού συντήκονται για να σχηματίσουν άτομα ηλίου!

Η μάζα ενός ατόμου ηλίου είναι μικρότερη από τη συνδυασμένη μάζα δύο ατόμων υδρογόνου. Η υπόλοιπη μάζα απελευθερώνεται ως ενέργεια της οποίας το μέγεθος δίνεται από το E =mc του Αϊνστάιν ². Ενώ το μέγεθος μπορεί να είναι μικρό για μια μεμονωμένη αντίδραση σύντηξης, το αθροιστικό σύνολο είναι τεράστιο. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται πυρηνική σύντηξη. Η ίδια αρχή που κάνει τα αστέρια να λάμπουν αντιγράφεται μέσα σε καταστροφικές βόμβες υδρογόνου, αν και με ελεγχόμενο τρόπο.

Τελικά, το αστέρι ξεμένει από καύσιμα. Όλο το υδρογόνο έχει εξαντληθεί. Ωστόσο, η συμπίεση και η διογκωμένη θερμότητα αναγκάζουν τώρα τα άτομα ηλίου να συντηχθούν και να σχηματίσουν βηρύλλιο! Τελικά, τα άτομα του βηρυλλίου αναγκάζονται να συντηχθούν και να σχηματίσουν άνθρακα και στη συνέχεια οξυγόνο και ούτω καθεξής μέχρι να συντεθεί σίδηρος στον πυρήνα. Σε αυτό το σημείο, το αστέρι έχει υπερβολική μάζα - δύο ή τρεις φορές τη μάζα του Ήλιου. Ωστόσο, δεν μπορεί πλέον να εξουδετερώσει τη συμπίεση της βαρύτητας επειδή ο σίδηρος αρνείται να υποστεί περαιτέρω σύντηξη. Χωρίς καύσιμο και χωρίς θερμότητα για διαστολή, το αστέρι αρχίζει να ψύχεται και να συστέλλεται.

Στα τελευταία στάδια της ζωής του, το αστέρι μπορεί να έχει πυκνότητα εκατομμυρίων τόνων ανά κυβική ίντσα καθώς όλα τα βαρύτερα στοιχεία συγκεντρώνονται σε μια σφαίρα με ακτίνα μόλις 10 μιλίων. Ωστόσο, περαιτέρω συστολή καταρρέει το αστέρι σε ένα σημείο άπειρης πυκνότητας! Αλλά πριν καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα, εκρήγνυται κατακλυσμικά με την ενέργεια ενός οκτισεκατομμυρίου (1027) ατομικών βομβών!

Οι σουπερνόβα απελευθερώνουν μια τεράστια ποσότητα ενέργειας σε αυτό το σύντομο χρονικό διάστημα, καθιστώντας τους τα πιο ισχυρά γεγονότα στο Σύμπαν. (Φωτογραφία:ESO/A. Roquette / Wikipedia Commons)

Ο εκρηκτικός θάνατος ενός αστεριού ονομάζεται σουπερνόβα και είναι η πιο κολοσσιαία έκρηξη που μπορεί κανείς να δει στο διάστημα. Όλα τα στοιχεία μέσα στον πυρήνα διασκορπίζονται βίαια στο περιβάλλον. Επιπλέον, η θερμότητα που απελευθερώνεται είναι τόσο έντονη που τα στοιχεία υφίστανται πυρηνικές αντιδράσεις που προηγουμένως δεν ήταν δυνατές μέσα στον πυρήνα. Τα στοιχεία βομβαρδίζονται με τυχαία νετρόνια για να δημιουργηθούν ακόμη περισσότερα στοιχεία. Ο σίδηρος μετατρέπεται σε χρυσό, ο οποίος μετατρέπεται σε μόλυβδο και ούτω καθεξής μέχρι να σχηματιστεί το ουράνιο, το βαρύτερο φυσικό συνθετικό στοιχείο. Έτσι, η καταστροφή γεννά τη δημιουργία.

Ανθρωπογενή στοιχεία

Ολόκληρο το ηλιακό σύστημα δημιουργήθηκε από ένα παρόμοιο ερείπιο που διασκορπίστηκε από μια σουπερνόβα. Μπορείτε να φανταστείτε την εκπληκτική ποσότητα σκόνης και συντριμμιών που συσσωρεύτηκαν για να σχηματίσουν όχι μόνο τον Ήλιο, αλλά οκτώ πλανήτες και έναν νάνο που περιστρέφονται αφοσιωμένα γύρω του;

Ωστόσο, όπως είπα, δεν δημιουργούνται όλα τα στοιχεία στον πυρήνα ή έξω από αυτόν. Το ουράνιο είναι το 92ο στοιχείο, πώς λοιπόν εμφανίστηκαν τα άλλα 27; Ενώ το πλουτώνιο και το ποσειδώνιο μπορούν να συντεθούν σε μια σουπερνόβα, τα ίχνη τους μπορεί να μην είναι σημαντικά. Αυτά τα στοιχεία μπορούν να συντεθούν φυσικά. Ίσως τα αστέρια δημιουργούν στοιχεία πολύ βαρύτερα από ποτέ, αλλά αυτά τα στοιχεία δεν μπορούν να επιβιώσουν περισσότερο από μερικά μικροδευτερόλεπτα — διασπώνται αμέσως σε ελαφρύτερα στοιχεία.

Τότε ο άνθρωπος πήρε τους νόμους της φύσης στα χέρια του όταν η τεχνολογία ήταν αρκετή. Στοιχεία βαρύτερα από το ουράνιο δημιουργήθηκαν απλά βομβαρδίζοντας το ουράνιο με νετρόνια υψηλής ταχύτητας στα κυκλοτρόνια. Ακολουθεί μια αλυσιδωτή αντίδραση που μπορεί να περιλαμβάνει έως και 17 νετρόνια. Αυτή η διαδικασία, ωστόσο, μπορεί επίσης να συμβεί σε «φυσικούς» πυρηνικούς αντιδραστήρες ή βαριά κοιτάσματα ουρανίου κάτω από τη Γη. Η πενιχρή ποσότητα πλουτωνίου και ποσειδώνιου στη Γη βρίσκεται σε κοιτάσματα ουρανίου όπου σχηματίστηκαν πριν από ένα δισεκατομμύριο χρόνια όταν το ουράνιο εκτοξεύτηκε με ελεύθερα νετρόνια.

Ωστόσο, το φερίμιο (100) είναι το τελευταίο στοιχείο που μπορεί να σφυρηλατηθεί από πυρηνικό βομβαρδισμό. Τα υπερ-βαριά στοιχεία θα μπορούσαν να δημιουργηθούν μόνο μετά την ανάπτυξη επιταχυντών σωματιδίων ανώτερα προηγμένων από τα κυκλοτρόνια. Τα νέα στοιχεία δεν δημιουργήθηκαν απλώς βομβαρδίζοντας υπάρχοντα άτομα με νετρόνια, αλλά με ολόκληρα άτομα . Σκεφτείτε το μεντελεύιο (101), το οποίο συντέθηκε με τη σύντηξη ηλίου (2) και αϊνστάιν (99), ή νοβέλιο (102), ένα συνασπισμό νέον (10) και ουρανίου (92). Ή, το τελευταίο, 118ο στοιχείο, το oganesson, το οποίο δημιουργήθηκε από τη σύντηξη καλιφόρνιο (98) και ασβεστίου (20).

σκηνή επιταχυντή σωματιδίων" width="945" height="531" srcset ="https://www.scienceabc.com/wp-content/uploads/2018/05/Ironman-2-particle-accelerator-scene.jpg 945w, https://www.scienceabc.com/wp-content/uploads /2018/05/Ironman-2-particle-accelerator-scene-300x169.jpg 300w, https://www.scienceabc.com/wp-content/uploads/2018/05/Ironman-2-particle-accelerator-scene- 768x432.jpg 768w" sizes="(max-width:945px) 100vw, 945px"> Ο Tony Stark συνέθεσε το Vibranium, το ισχυρότερο στοιχείο στο σύμπαν της Marvel, με έναν επιταχυντή σωματιδίων που κατασκεύασε στο σπίτι του. Μόνο αν ήταν τόσο απλό (Φωτογραφία:Iron Man 2 / Marvel Studios)

Το ερώτημα που δεν έχει ακόμη απαντηθεί είναι εάν υπάρχει όριο στη σύνθεση ολοένα και βαρύτερων στοιχείων. Οι άνθρωποι συνήθως ρωτούν πώς τα πρωτόνια μπορούν να κατοικούν τόσο κοντά σε έναν πυρήνα όταν η ηλεκτρομαγνητική απωστική δύναμη πρέπει να τα διαλύσει. Η δύναμη που τους δένει, όμως, είναι ισχυρότερη από την απωθητική δύναμη. Στην πραγματικότητα, είναι η ισχυρότερη από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που κυβερνούν τους τρόπους του Σύμπαντος. Ονομάζεται — με τη μέγιστη έλλειψη δημιουργικότητας — η ισχυρή δύναμη.

Αλλά και η ισχυρή δύναμη έχει τα όριά της. Υπάρχει σίγουρα μια διάταξη πρωτονίων στην οποία η αθροιστική απωστική δύναμη μεταξύ τους γίνεται αρκετά ισχυρή ώστε να ανατρέψει την ισχυρή δύναμη που τα δεσμεύει. Σίγουρα, το κλειδί για τη δημιουργία ενός νέου στοιχείου είναι να αποφύγετε αυτήν τη διαμόρφωση. Αυτό είναι το όριο μας πέρα ​​από το οποίο οι νόμοι της φυσικής αρνούνται να συνεργαστούν. Ωστόσο, φαίνεται ότι δεν είμαστε πολύ μακριά. Ο περιοδικός πίνακας φαίνεται να έχει σχεδόν τελειώσει. Απέχουμε μόνο λίγες αποκαλύψεις για να ολοκληρώσουμε το παζλ.