Akceptuję
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczone w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności

Zamknij X
Labro glowna
Strona główna Felieton

Jak powstawały pierwiastki

Pierwiastki chemiczne są podstawowymi cegiełkami tworzącymi materię. Natura ma dziś około stu takich klocków, co pozwala na istnienie wszystkiego, co możemy obserwować na Ziemi czy też w Kosmosie. Warto prześledzić historię powstawania kolejnych pierwiastków – od samego początku.


Mirosław Dworniczak

Historia Wszechświata zaczęła się prawdopodobnie kilkanaście miliardów lat temu wydarzeniem, które znamy dziś pod nazwą Wielkiego Wybuchu (ang. Big Bang). Pomimo intensywnych dociekań niewiele wiadomo ani o tym, co spowodowało Wielki Wybuch, ani też o tym, jak wyglądał sam jego początek. Było to bowiem wydarzenie na tyle ekstremalne, że obowiązywały wtedy inne prawa fizyki od tych, które znamy współcześnie. Gęstość materii była tak olbrzymia, że niemożliwe było istnienie nie tylko pierwiastków, ale nawet prostych cząstek elementarnych. Współczesne teorie uznają, że po mniej więcej 10-36  sekundy nastąpiła tzw. inflacja, czyli proces gwałtownej ekspansji Wszechświata, który trwał do 10-33/10-32 sekundy. W tym czasie objętość Wszechświata zwiększyła się 1078 razy, przy czym jednocześnie gwałtownie spadały temperatura i ciśnienie. W chwili gdy nasz świat miał około 10-23 sekundy, jego wielkość pozwoliła na powstanie cząstek elementarnych, zwanych hadronami (oraz ich antycząstek, czyli antyhadronów). W chwili 10-4 sekundy hadrony i antyhadrony uległy anihilacji i zamieniły się w promieniowanie. Temperatura sięgała 1012 (tysiąc miliardów) stopni Celsjusza. W tym momencie materia składała się głównie ze światła, czyli fotonów. Oprócz nich były tam leptony, czyli cząstki lekkie, m.in. elektrony oraz znacznie mniejsze od nich neutrina. Wszechświat ulegał dalszej ekspansji, a co za tym idzie, ochłodzeniu. Gdy był wystarczająco „chłodny”, czyli miał zaledwie 100 mld stopni Celsjusza, zaczął się wreszcie proces tworzenia jąder atomowych. Do tego momentu układ okresowy był zupełnie pusty.

Pierwotna nukleosynteza

Zgodnie z obecnymi modelami ewolucji Wszechświata następne kilka minut zdecydowało o dalszych losach wszystkiego, co nas otacza. Rozpoczął się bowiem proces powstawania małych jąder atomowych, który nazywamy pierwotną nukleosyntezą. Na początku mieliśmy tylko protony – najlżejsze jądra pierwiastka, znanego dziś jako wodór (H). Warunki panujące we Wszechświecie stały się na tyle korzystne energetycznie, że protony mogły łączyć się z neutronami, dzięki czemu powstawały jądra cięższego izotopu wodoru, znanego jako deuter (D). I właśnie jądra deuteru są głównym elementem wyjściowym procesu, który nazywamy pierwotną nukleosyntezą. Deuter może bowiem podlegać dalszym przemianom, co prowadzi do tworzenia się coraz większych jąder – helu (He), trytu (T), litu (Li) oraz berylu (Be). Tryt jest najcięższym nietrwałym izotopem wodoru. Dość szybko ulega dalszym reakcjom, powodując powstanie helu lub berylu. I w zasadzie na tym etapie to wszystko. Największe jądra, które powstają w procesie nukleosyntezy pierwotnej, są tylko siedem razy cięższe niż proton. W sumie cztery pierwiastki. Układ okresowy w tamtym czasie był, jak widać, bardzo skromny.

Obliczenia teoretyczne związane z procesami zachodzącymi podczas pierwotnej nukleosyntezy pozwoliły na ustalenie oczekiwanej względnej zawartości procentowej właśnie tych najprostszych pierwiastków. Wynikało z nich, że w efekcie tego procesu 75% mieszaniny stanowiły jądra wodoru, a niemal 25% – jądra helu-4. Deuter i hel-3 stanowiły około 0,01%, natomiast lit był obecny w ilościach śladowych. Co ważne – te obliczone dane bardzo dobrze zgadzają się z uzyskanymi z obserwacji kosmicznych. Jest to dość solidny dowód na to, że zaproponowano poprawny mechanizm powstawania niewielkich pierwiastków. Cały proces, podczas którego powstały wszystkie obecne dziś jądra helu, trwał niezwykle krótko – szacuje się, że było to niecałe pół godziny.

Obecne szacunki względnej masowej zawartości pierwiastków w Kosmosie są następujące: wodór (H) stanowi 70,5%, hel (He) – 27,5%. Te dwa pierwiastki składają się na 98% masy wszystkich atomów Wszechświata. Wszystkie inne, w tym te najważniejsze z naszego, ludzkiego punktu widzenia (C, N, O, P itd.), stanowią zaledwie 2%. Aby powstały cięższe pierwiastki, najpierw jednak musiały powstać gwiazdy.

Ewolucja gwiazd

Gwiazdy towarzyszą człowiekowi od zarania dziejów. Zawsze były obiektem fascynacji, ale dopiero poważne obserwacje astronomiczne pozwoliły ustalić, co sprawia, że te obiekty świecą. Zacznijmy jednak od początku. Pierwotna materia kosmiczna była rozproszona, lecz wszechobecna grawitacja spowodowała, że w różnych miejscach zaczęły się pojawiać lokalne skupienia, złożone głównie z najczęściej występującego budulca, czyli wodoru. Jeśli takie skupienie osiągnie odpowiednią gęstość, a jednocześnie temperatura spadnie do określonego poziomu, możliwe będzie tworzenie się cząsteczek wodoru H2. W taki sposób powstają obłoki molekularne. Jeśli taki obłok ma wystarczającą masę, znowu zaczyna działać grawitacja powodująca coraz większe skupienie materii, co z kolei skutkuje wzrostem temperatury. Właśnie w taki sposób zaczyna się formować protogwiazda. Czas tego procesu zależy od masy materii obecnej w tym miejscu i może wynosić od setek tysięcy do milionów lat. Protogwiazda emituje tylko promieniowanie cieplne, podczerwone, ponieważ nie zachodzą tam jeszcze typowe reakcje termojądrowe. Dopiero gdy na skutek wzrostu gęstości temperatura wzrośnie powyżej 10 mln stopni Celsjusza, gwiazda się „zapala” i możemy ją obserwować, ponieważ zaczyna emitować światło widzialne.

Cykl gwiezdny – powstawanie pierwiastków lekkich

We wnętrzu protogwiazdy panują wystarczające ciśnienie oraz temperatura, aby rozpoczęła się reakcja fuzji jądrowej. Protony łączą się ze sobą, w wyniku czego powstają, podobnie jak we wczesnym stadium ewolucji Wszechświata, atomy deuteru, a następnie helu. Ten cykl jądrowy nazywany jest od nazwiska odkrywcy cyklem Bethego. Właśnie na takim etapie ewolucji jest nasze Słońce. Energia uwalniana w reakcji fuzji jądrowej wypromieniowywana jest w większości w postaci promieniowania elektromagnetycznego; część z niej niosą ze sobą neutrina.

W przypadku gwiazd o masie znacznie większej niż masa naszego Słońca synteza jąder helu zachodzi także w innym procesie, zwanym cyklem węglowo-azotowo-tlenowym (CNO). W tym ciągu reakcji jądra węgla-12 pełnią, mówiąc językiem chemicznym, rolę katalizatora. W tym procesie – sumarycznie – cztery protony łączą się, tworząc trwałe jądro helu. Ten rodzaj cyklu zachodzi tylko w przypadku, gdy temperatura wewnątrz gwiazdy przekracza 20 mln stopni Celsjusza.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 02/2016 »

Tagi: pierwiastek, deuter, cegielka, materia, atom, jadro, synteza, slonce, gwiazda
Drukuj PDF
wstecz Podziel się ze znajomymi

Informacje dnia: Globalne zagrożenie związane z Omikronem bardzo wysokie Na prehistorycznej Ziemi lało jak z cebra Aktywność wpływa na zdrowie psychiczne w czasie pandemii Picie kawy może obniżyć ryzyko choroby Alzheimera BioNTech rozpoczyna badania nad szczepionką na wariant wirusa Omikron 300 mln zł na technologię RNA w Polsce Globalne zagrożenie związane z Omikronem bardzo wysokie Na prehistorycznej Ziemi lało jak z cebra Aktywność wpływa na zdrowie psychiczne w czasie pandemii Picie kawy może obniżyć ryzyko choroby Alzheimera BioNTech rozpoczyna badania nad szczepionką na wariant wirusa Omikron 300 mln zł na technologię RNA w Polsce Globalne zagrożenie związane z Omikronem bardzo wysokie Na prehistorycznej Ziemi lało jak z cebra Aktywność wpływa na zdrowie psychiczne w czasie pandemii Picie kawy może obniżyć ryzyko choroby Alzheimera BioNTech rozpoczyna badania nad szczepionką na wariant wirusa Omikron 300 mln zł na technologię RNA w Polsce

Partnerzy

GoldenLine Fundacja Kobiety Nauki Job24 Obywatele Nauki NeuroSkoki Portal MaterialyInzynierskie.pl Uni Gdansk MULTITRAIN I MULTITRAIN II Nauki przyrodnicze KOŁO INZYNIERÓW PB ICHF PAN FUNDACJA JWP NEURONAUKA Mlodym Okiem Polski Instytut Rozwoju Biznesu Analityka Nauka w Polsce CITTRU - Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu Akademia PAN Chemia i Biznes Farmacom Świat Chemii Forum Akademickie Biotechnologia     Bioszkolenia Geodezja Instytut Lotnictwa EuroLab

Szanowny Czytelniku!

 
25 maja 2018 roku zacznie obowiązywać Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 r (RODO). Potrzebujemy Twojej zgody na przetwarzanie Twoich danych osobowych przechowywanych w plikach cookies. Poniżej znajdziesz pełny zakres informacji na ten temat.
 
Zgadzam się na przechowywanie na urządzeniu, z którego korzystam tzw. plików cookies oraz na przetwarzanie moich danych osobowych pozostawianych w czasie korzystania przeze mnie ze strony internetowej Laboratoria.net w celach marketingowych, w tym na profilowanie i w celach analitycznych.

Kto będzie administratorem Twoich danych?

Administratorami Twoich danych będziemy my: Portal Laboratoria.net z siedzibą w Krakowie (Grupa INTS ul. Czerwone Maki 55/25 30-392 Kraków).

O jakich danych mówimy?

Chodzi o dane osobowe, które są zbierane w ramach korzystania przez Ciebie z naszych usług w tym zapisywanych w plikach cookies.

Dlaczego chcemy przetwarzać Twoje dane?

Przetwarzamy te dane w celach opisanych w polityce prywatności, między innymi aby:

Komu możemy przekazać dane?

Zgodnie z obowiązującym prawem Twoje dane możemy przekazywać podmiotom przetwarzającym je na nasze zlecenie, np. agencjom marketingowym, podwykonawcom naszych usług oraz podmiotom uprawnionym do uzyskania danych na podstawie obowiązującego prawa np. sądom lub organom ścigania – oczywiście tylko gdy wystąpią z żądaniem w oparciu o stosowną podstawę prawną.

Jakie masz prawa w stosunku do Twoich danych?

Masz między innymi prawo do żądania dostępu do danych, sprostowania, usunięcia lub ograniczenia ich przetwarzania. Możesz także wycofać zgodę na przetwarzanie danych osobowych, zgłosić sprzeciw oraz skorzystać z innych praw.

Jakie są podstawy prawne przetwarzania Twoich danych?

Każde przetwarzanie Twoich danych musi być oparte na właściwej, zgodnej z obowiązującymi przepisami, podstawie prawnej. Podstawą prawną przetwarzania Twoich danych w celu świadczenia usług, w tym dopasowywania ich do Twoich zainteresowań, analizowania ich i udoskonalania oraz zapewniania ich bezpieczeństwa jest niezbędność do wykonania umów o ich świadczenie (tymi umowami są zazwyczaj regulaminy lub podobne dokumenty dostępne w usługach, z których korzystasz). Taką podstawą prawną dla pomiarów statystycznych i marketingu własnego administratorów jest tzw. uzasadniony interes administratora. Przetwarzanie Twoich danych w celach marketingowych podmiotów trzecich będzie odbywać się na podstawie Twojej dobrowolnej zgody.

Dlatego też proszę zaznacz przycisk "zgadzam się" jeżeli zgadzasz się na przetwarzanie Twoich danych osobowych zbieranych w ramach korzystania przez ze mnie z portalu *Laboratoria.net, udostępnianych zarówno w wersji "desktop", jak i "mobile", w tym także zbieranych w tzw. plikach cookies. Wyrażenie zgody jest dobrowolne i możesz ją w dowolnym momencie wycofać.
 
Więcej w naszej POLITYCE PRYWATNOŚCI
 

Newsletter

Zawsze aktualne informacje