Общие знания

Откуда взялись элементы?


Все, что когда-либо существовало или когда-либо будет существовать, стало возможным благодаря некоторой перестановке или комбинации элементов, найденных в периодической таблице. Этот красочный набор элементов содержит целую вселенную информации.

Таблица Менделеева делает нашу жизнь намного проще, но в то же время и труднее! Это не только помогает нам помнить и понимать наши элементы, но также вызывает глубокие экзистенциальные вопросы, например, как эти элементы вообще возникли?

Появление материи

Эта попытка обнаружить происхождение химических элементов возвращает нас к началу времен.

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой плотный суп из материи и энергии. Температура была около 1032 Кельвина. Вселенная начала надуваться и одновременно остывать (хотя температура все еще составляла триллионы Кельвина). Начали появляться элементарные частицы (кварки и электроны).

Когда Вселенной было немногим менее 0,0001 секунды, она начала испытывать новую форму возмущения. Космическая энергия, которая раньше была излучением высокой энергии, начала сталкиваться друг с другом.

Эти столкновения производят частицы (протоны) и античастицы (антипротоны) в процессе, называемом образованием пар.

Вселенная непрерывно выпускала все больше и больше таких пар. С другой стороны, эти протонные и антипротонные пары аннигилировали друг друга и снова превращались в фотоны и излучение.

Теперь, в возрасте 0,0001 секунды, Вселенная была немного холоднее, и фотоны перестали образовывать новые пары, но уже сформированные противоположные пары продолжали аннигилировать друг друга.

Можно было подумать, что в конечном итоге протонов не останется, но, как назло, процесс образования пар был немного более склонен к протонам (мы до сих пор не знаем почему). После того как все процессы прекратились, Вселенная осталась в основном фотонами, а также легкими брызгами протонов.

Быстро расширяющаяся Вселенная заставила несколько протонов столкнуться с электронами, породив нейтроны (на каждые 7 протонов приходится 1 нейтрон). На тот момент Вселенная была на несколько секунд старше и намного холоднее (всего один миллиард Кельвинов).

Протоны и нейтроны собрались вместе, чтобы сформировать ядро/ион первого элемента Водорода (H), который затем слился с другим ядром водорода, чтобы сформировать ядро Гелия (He). Прошло три минуты после Большого взрыва, и соотношение теперь составляет 75% ионов H и 25% ионов He (вместе с очень незначительным количеством Li-ионов). Элементы находятся в ионной форме, потому что Вселенная все еще очень горячая - слишком горячая, чтобы образовывать атомы.

Примерно 380 000 лет после Большого взрыва наступила эпоха рекомбинации. После многих лет расширения и охлаждения Вселенная была наконец готова к тому, что ядра захватили электроны. Ионы H и He рекомбинируют с электронами и образуют первые стабильные атомы (представьте, насколько легкими были бы занятия по химии на этом этапе!), Давая нам нашу первую форму света и эффективно инициируя химическую эволюцию.

Однако после эпохи рекомбинации Вселенная снова потемнела.

Нуклеосинтез и жизнь звезд

Со временем Вселенная остыла, плотные газовые облака собрались вместе под действием силы тяжести и создали первые области звездообразования. Когда облака слились воедино, они начали формировать горячие и тяжелые ядра, которые не хотели становиться больше. Горячее ядро ​​начало гореть, чтобы предотвратить слипание еще большего количества облаков. Так началось соревнование между силой тяжести и давлением горения в конденсированном ядре. Точка, в которой эти две силы приходят в равновесие, - это когда рождается звезда!

За бесчисленные тысячелетия образовалось множество галактик, в каждой из которых мерцали миллионы больших и малых звезд. И что делает их яркими? Их горящие ядра.

Чтобы их ядра не коллапсировали под действием силы тяжести, звездам нужно было подключиться к постоянному источнику энергии. Эта энергия охотно обеспечивалась высвобождением энергии связи.

Представьте, что 4 атома водорода объединяются в ядре суммы; два протона из его ядра остаются, а два других превращаются в нейтроны (n) с помощью квантового туннелирования.

После слияния они образуют ядро ​​гелия. Образовавшийся гелий весит немного меньше общей массы 2 n и 2 p. Недостающая масса - это то, что преобразуется в энергию связи и в конечном итоге питает звезду. Одна такая реакция высвобождает 26,71 мегаэлектронвольт энергии… теперь представьте себе миллионы таких взаимодействий, происходящих с невероятной скоростью!

Горение водорода в звездах

На протяжении всей жизни звезда претерпевает различные стадии сжигания топлива, чтобы не разрушиться. Этот процесс порождает звездный феномен нуклеосинтеза, который начинается с горения или слияния водорода. Звезда тратит 90% своей жизни на превращение водорода в гелий. После того как водород истощен, он начинает превращать гелий в высшие элементы. С каждым новым этапом слияния элементов ядро ​​становится все плотнее, а внешние слои звезд начинают расширяться, постепенно превращаясь в красного гиганта.

Жизненный цикл звезды

Звезды, примерно эквивалентные массе нашего Солнца (или более легкие), могут производить элементы выше гелия только после превращения в красный гигант (что означает, что он вот-вот умрет), поскольку их ядра недостаточно горячи. Однако ядра звезд большой массы делают идеальные котлы для синтеза ядер тяжелее гелия, чтобы генерировать энергию. С этого момента в статье мы будем рассматривать только массивные звезды.

Два атома гелия сливаются, образуя углерод, который затем соединяется с другим гелием, образуя кислород, в результате чего образуются все элементы периодической таблицы вплоть до кремния.

Последний этап стабильной звездной эволюции наступает, когда начинается горение кремния. Когда ядро ​​начинает плавить кремний с железом, дни звезды действительно сочтены. Вскоре в ядре больше не будет ядерных реакций для "победы" над гравитацией. Железо имеет самое стабильное ядро ​​во Вселенной, и его сплавление с чем-то более тяжелым не высвобождает энергию, но фактически требует внешней энергии. Это знаменует начало конца жизни огромной звезды.

Когда в ядре есть только железо (и следы никеля), оно становится настолько плотным, что начинает разрушаться само по себе. В последние несколько минут звезда выглядит слоистой как лук. В последние несколько секунд, когда ядро продолжает разрушаться, все атомы прижимаются друг к другу, что создает колоссальное количество энергии и давления. Это посылает ударную волну энергии по разным оболочкам.

В этот момент звезда становится сверхновой, распыляя каждый созданный ею элемент в бесконечное пространство!

Образование элементов тяжелее железа

Помните последние несколько секунд и только что упомянутую ударную волну? Когда звезда умирает и взрывается в сверхновую, она выделяет огромное количество энергии (температура поднимается до миллиардов Кельвинов) и очень плотное облако нейтронов.

Эти нейтроны взаимодействуют с атомами уже сформированных элементов. Они претерпевают серию сплавов и делений с образованием элементов вплоть до урана, а также нескольких трансурановых элементов, таких как кюрий, калифорний и фермий. Весь этот процесс быстрого захвата нейтронов или r-процесс происходит менее чем за секунду. Такие элементы, как золото, платина и серебро, настолько редки и дороги, потому что для их создания требуется умирающая звезда!

Таблица Менделеева

Другой распространенный путь - гораздо более медленный процесс захвата нейтронов, также известный как s-процесс. Это может происходить в различных термоядерных слоях звезды или внутри нейтронной звезды, которая имеет достаточно нейтронов и подходящие условия для захвата. Механизм для s- и r-процессов одинаков.

Ядро элемента захватывает нейтроны и превращается в свой изотоп. Если образовавшийся изотоп нестабилен, ядро ​​подвергается бета-распаду с образованием следующего стабильного элемента. Таким образом, все известные нам элементы, включая железо и вплоть до урана, были произведены этим непрерывным процессом. Другая форма роста ядра - захват протона или p-процесс.

Это верно для всех элементов, за исключением технития и прометия, которые не имеют стабильных изотопов, которые могли бы длиться достаточно долго, чтобы мы могли найти. Все элементы после урана являются искусственными и радиоактивными с коротким периодом полураспада.

Это приводит к другому вопросу ... Как элементы, созданные взрывающейся звездой, оказались здесь, на Земле?

Доставка на Землю

Вселенная - это гигантская фабрика для переработки; она перерабатывает и повторно использует каждый кусок материи, который когда-то был создан в процессе химического обогащения. Миллионы галактик, звезд и планет образовались и будут образованы с использованием той же самой первозданной материи, которая осталась после Большого взрыва.

Молодая Вселенная состояла из водорода и ¼ гелия, в то время как остальная часть вещества была незначительной. Однако, после миллиардов лет горения и взрывов, Вселенная теперь состоит из 2% других элементов! Это может показаться не впечатляющим, но в космическом масштабе этого достаточно!

Элементы, выброшенные в космос после смерти звезды, в конечном итоге попадают в новые регионы звездообразования, где молодые звезды начинают свой путь. Из-за гравитации часть мертвых звезд становится частью следующего поколения звезд.

После того, как эти звезды умирают, материя снова возвращается в космос. Этот цикл продолжается снова и снова эоны и тысячелетия. То же самое произошло, когда формировалась наша собственная солнечная система. Большая его часть в конечном итоге создала наш любимый большой огненный шар - Солнце. Однако оставшаяся звездная пыль, вращающаяся вокруг Солнца, в конечном итоге сгруппировалась, образуя астероиды и планеты, включая наш дом - Землю.

Вы не поверите, но все атомы в наших телах старше самой Солнечной системы! Они были созданы в результате серии событий, последовавших за одним событием, которое все началось 13,8 миллиарда лет назад. Золото в наших украшениях и цинк в наших батареях были созданы в последние моменты жизни звезды. Кислород и углерод в нашей газированной воде, железо в нашей крови и кальций в наших зубах были выкованы в тлеющем сердце звезды. Космос действительно находится внутри каждого из нас.

Читайте Новая Наука в
Back to top button