Δήμητρα Σπανού Χημικός, μόνιμη καθηγήτρια στο 1ο Γυμνάσιο Δάφνης

.

ΤΑ ΧΗΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ Η ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΟΥΣ

Τα Χημικά στοιχεία είναι οι απλούστερες ουσίες που δεν μπορούν να διασπαστούν περαιτέρω με χημικό τρόπο και αποτελούν τα δομικά στοιχεία όλων των ουσιών γύρω μας. Από την μελέτη της προέλευσής τους οι επιστήμονες έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι η παρουσία χημικών στοιχείων στον κόσμο iιδιαίτερα των ελαφρύτερων από αυτά, ξεκινά αμέσως μετά το Big Bang, την μεγάλη έκρηξη .

ΟΙ παράγοντες που συντελούν σε αυτές τις διαδικασίες είναι αντίθετοι , δηλαδή οι βαρυτικοί που συντελούν σε συστολή και συμπύκνωση και οι ακτινοβολούμενη ενέργεια που έχει επεκτατικά αποτελέσματα.

H  Μεγάλη Έκρηξη που θεωρείται η αρχή της ανάδυσης της ύλης του χώρου και του χρόνου και υπολογίζεται πως συνέβη 13,5  δισεκατομύρια χρόνια πριν. Το Σύμπαν αρχίζει αμέσως να διαστέλεται και να κρυώνει και υπάρχουν πια τα  υποατομικά σωματίδια, πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια.

Τρία λεπτά αργότερα που το περιβάλλον αυτό είχε αρκετά κρυώσει (κατέβηκε η θερμοκρσία 1 δισεκατομύριο βαθμούς Κελσίου)

Φυσικές και χημικές διαδικασίες που ωδήγησαν σε διαδικασία δημιουργίας των πρώτων υλικών σωμάτων, (Αρχέγονη νουκλεοσύνθεση) ήταν ορισμένες περιοχές αυξημένων βαρυτικών επιδράσεων λόγω συσσώρευσης σκοτεινής ύλης. Αστρική σκόνη από υποατομικά σωματίδια, έπεφταν μέσα σε "πηγάδια δυναμικου" της σκοτεινής ύλης , τα σωματίδια αυτά συνδυάστηκαν και δημιουργησαν με πυρηνικές αντιδράσεις , τα πρώτα χημικά στοιχεία που ήταν το  που ήταν Υδρογόνο, λίγο από το Ήλιον  που υπάρχει σήμερα και ακόμα πιο λίγο από το Λίθιο

(Πυρηνικές αντιδράσεις προέρχονται από την αλληλεπίδραση του πυρήνα ενός ατόμου με τον πυρήνα ενός άλλου ατόμου ή με ένα υποατομικό σωματίδιο και πολλές φορές προκαλεί αλλαγή στον πυρήνα).

 Η δημιουργία μορίων υδρογόνου από άτομα, έχει σαν αποτέλεσμα την εκπομπή υπέρυθρης ακτινοβολίας η οποία παράγει θερμότητα που αποτρέπει την περαιτέρω κατάρευση.

 Έτσι, ορισμένα σημεία που υπήρξε συγκέντρωση σκοτεινής και κανονικής ύλης, λειτούργησαν σαν την αρχή δημιουργίας  κοσμικών αντικειμένων και εξελίχθηκαν σε νέφη αερίων.

Τα υπόλοιπα βαρύτερα στοιχεία έως τον σίδηρο και το νικέλιο, σχηματίστηκαν μέσα στα άστρα (Αστρική Νουκλεοσύνθεση) από πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης. Βασικό ρόλο σε αυτές έχουν οι πυρήνες ηλίου (σωματίδια α)

Τα βαρύτερα στοιχεία δημιουργήθηκαν σε έντονες συνθήκες θερμοκρασίας και πυκνότητας και σχετίζονται με την έκρηξη σούπερνόβα και τις συγκρούσεις αστρων

Η πυρηνοσύνθεση σούπερνόβα είναι κυρίως υπεύθυνη για την δημιουργία των επόμενων χημικών στοιχείων όχι μόνο από τον σίδηρο έως το ρουβίδιο αλλά και για στοιχεία βαρύτερα από το οξυγόνο έως το ρουβίδιο

 Στην πραγματικότητα το πρώτο στοιχείο που δημιουργήθηκε τότε ήταν το απλούστερο Χημικό Στοιχείο Υδρογόνο, από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο.

p ⁺ + e ⁻ → Άτομο Η (υδρογόνο).

Αυτό είναι η πιο απλή δομή της ύλης και αποτελείται από ένα πρωτόνιο στο εσωτερικό του (πυρήνας) και ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω του. 

ΑΣΤΡΙΚΗ ΝΟΥΚΛΕΟΣΥΝΘΕΣΗ

Η ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΑΛΛΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΕΤΑ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΕΩΣ ΤΟΝ ΣΙΔΗΡΟ ΚΑΙ ΤΟ ΝΙΚΕΛΙΟ

ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΩΝ ΑΣΤΡΩΝ ΜΕ ΕΞΩΘΕΡΜΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ 

Στη συνέχεια υπό την επίδραση της βαρύτητας (αλλά και την παρουσία συσσωρευμένης σκοτεινής ύλης) νέφη αερίων υδρογόνου και ηλίου υπέστησαν βαρυτική κατάρευση έως ότου οι πυρήνες τους πλησίασαν αρκετά, ώστε να ξεκινήσουν  πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης και να προκύψουν  μεγαλύτερα στοιχεία από αυτές.

Συνήθως τα Χημικά στοιχεία, όπως δημιουργήθηκαν στο Σύμπαν,  είναι αποτέλεσμα πυρηνικών συντήξεων για δημιουργία των ελαφρύτερων στοιχείων έως το νικέλιο. Οι αντιδράσης σύντήξεως  πυρήνων είναι εξώθερμες ή ενδόθερμες, αλλά οι συγκεκριμένες αστρικές νουκλεοσυνθέσεις  έως το στοιχείο σίδηρος είναι εξώθερμες και με την απελευθέρωση ενέργειας μπόρεσαν να διατηρήσουν υψηλή θερμοκρασία για την συνέχιση και την δημιουργία κι άλλων Χημικών στοιχείων στο εσωτερικό των άστρων.

Αυτη  η διαδικασία δημιουργίας νέων χημικών στοιχείων  λέγεται νουκλεοσύνθεση

 Στα τρία πρώτα λεπτά από την μεγάλη έκρηξη, 

 από σύντηξη ατόμων υδρογόνου προκύπτει βαρύτερο υδρογόνο με ένα ή δύο νετρόνια στον πυρήνα (Αρχέγονη νουκλεοσύνθεση)

12�+11�⟶23��+�

<img alt="{}_2^{3}He+{}_2^{3}He\longrightarrow {}_2^{4}He+{}_1^{1}H+{}_1^{1}H" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e9454dee73da00ce23d8a45b0bda236b2f0e55ed" style="font-family: sans-serif; font-size: 14px; border-width: 0px; border-style: initial; border-color: initial; vertical-align: -1.005ex; display: inline-block; width: 32.457ex; height: 3.176ex;">

Τα βαρύτερα στοιχεία σχηματίζονται μέσα στα άστρα και κατά την εξέλιξη ενός άστρου υπάρχουν χαρακτηριστικές πυρηνικές συντήξεις όπου σχηματίζονται βαρύτερα στοιχεία μέχρι τον σίδηρο (Αστρική νουκλεοσύνθεση)

Οι πυρηνικές αντιδράσεις είναι Εξώθερμης Σύντηξης που τελειώνουν με τα στοιχεία Νικέλιο και Σίδηρο

στην συνέχεια βλέπουμε την Πυρηνική Σύντηξη Ηλίου και Βηρηλίου προς παρασκευή Άνθρακα

 (Ενδόθερμη; με την αντίστροφη αντίδραση 8Be<font _msthash="51" _mstmutation="1" _msttexthash="930930">⟶</font>4He+4He+0,09178MeV)

8Be+4He<font _msthash="71" _mstmutation="1" _msttexthash="930930">⟶</font>12C+<font _msthash="74" _mstmutation="1" _msttexthash="86177">�</font>+7,367MeV (Εξώθερμη)

αλλά  επικρατέστερη είναι η παρασκευή του Άνθρακα με πυρηνκή σύντηξη τριών πυρήνων ηλίου γνωστή σαν 3α

ενώ η προσθήκη ενός ακόμα πυρήνα ηλίου έχουμε την πυρηνική σύντηξη που οδηγεί στην 

 παραγωγή Οξυγόνου από την Σύντηξη Άνθρακα με Ήλιον

 Στην συνέχεια από το ¹⁶Ο με σύντηξη με σωματίδια α (πυρήνες Hλίου) παράγεται το στοιχείο Νέον ²⁰Ne

Όμως,  Οξυγόνο μπορεί να δώσει και η σύντηξη Αζώτου με παραγωγή επίσης Υδρογόνου   που όμως είναι ενδόθερμη       

όπως ενδόθερμες είναι και 

ΝΟΥΚΛΕΟΣΥΝΘΕΣΗ ΣΕ ΕΝΤΟΝΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ (ΣΟΥΠΕΡΝΟΒΑ , ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ ΑΣΤΡΩΝ)

ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΒΑΡΥΤΕΡΩΝ ΑΠΟ ΤΟΝ ΣΙΔΗΡΟ

Για τα ελαφρύτερα στοιχεία η ενέργειες σύνδεσης ανα νουκλεόνιο είναι μικρότερες ώστε κατά την σύντηξη και δημιουργία βαρύτερων στοιχείων,  υπάρχει απελευθερωση  ενέργειας (εξώθερμες). Αντίθετα τα μεγαλύτερα Χημικά στοιχεία έως πάνω από το Νικέλιο, δεν ελευθερώνουν αρκετή ενέργεια όταν δημιουργούνται, ώστε να παραχθούν ακόμα μεγαλύτερα στα οποία  η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο είναι αυξημένη.  

Για την δημιουργία ακόμα  βαρύτερων χημικών στοιχείων  οι  Πυρηνικές Συντήξεις είναι ενδοθερμικές, ώστε δεν ελευθερώνουν πια ενέργεια ώστε το άστρο να διατηρήσει την υψηλή θερμοκρασία του, και έτσι υπερισχύουν οι βαρυτικές δυνάμεις και το άστρο  

αρχίζει να  την συστέλλεται .

 Τότε,  συμπιέζεται με πολυ μεγαλύτερη ταχύτητα και καταρέει από την βαρύτητά του,.

Όμως αυτό αντίστροφα,  δημιουργεί απότομη συσσώρευση ενέργειας, η θερμοκρασία του αυξάνεται απότομα και αυτό  οδηγεί σε εκρηκτική επέκταση πιθανών πυρηνικών αντιδράσεων, ώστε η φωτεινότητά του αυξάνεται και  αποτελεί πια έναν σουπερνοβα . Αυτό  έχει σαν αποτέλεσμα να σχηματίζεται άλλη μια σειρά χημικών στοιχείων, βαρύτερα από τον σίδηρο

Ανάλογα με το μέγεθός του το άστρο, μπορεί να μετατραπεί σε λευκό νάνο αν είναι της τάξης μεγέθους του δικού μας ήλιου που δεν έχει αρκετό υλικό να κάψει, αφού ελευθερώσει ένα μέρος από τον φλοιό του  ή

 σε σουπερνόβα, αν η μάζα του είναι αρκετά μεγάλη περίπου 8 φορές αυτής του δικού μας ήλιου.

Η πυρηνοσύνθεση σούπερνόβα είναι κυρίως υπεύθυνη για την δημιουργία των επόμενων χημικών στοιχείων όχι μόνο από τον σίδηρο (Ζ=26) έως το ρουβίδιο (Ζ=37) αλλά και για στοιχεία βαρύτερα από το οξυγόνο (Ζ=8) έως το ρουβίδιο (Ζ=37)

 ΝΟΥΚΛΕΟΣΥΝΘΕΣΕΙΣ ΣΕ ΣΟΥΠΕΡΝΟΒΑ 

ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ  r (ΤΑΧΕΙΑΣ ΣΥΛΛΗΨΗΣ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ)

Οι πυρηνικές αντιδράσεις  που δημιουργούνται οφείλονται κυρίως σε νετρόνια που ελευθερώνονται από το άστρα σε έντονες συνθήκες όπως είναι η σύγκρουση άστρων ή έκρηξη σουπερνοβα. Τα νετρόνια σαν ουδέτερα σωματίδια, είναι εύκολο να αποροφηθούν κατά την έκρηξη  από τα χημικά στοιχεία .

Έτσι η πυρηνοσύνθεση σουπερνόβα διακρίνεται

•  σε διαδικασία r (ταχεία σύλληψη νετρονίων) που συμβαίνει σε ελάχιστο χρόνο και συνθέτει συνήθως  βαριά ισότοπα με αυξημένη συγκέντρωση  κοντά σε μαζικούς αριθμούς Α=82 (Se, Br, Kr) , Α=130 (Te, I, Xe) και Α=196 (Οs, Ir, Pt) και με αριθμό νετρονίων μεγαλύτερο αρκετά από τον αριθμό των πρωτονίων (κοντά στο 10 -μαγικοί αριθμοί). Αυτό συμβαίνει επειδή τα στοιχεία απορροφούν νετρόνια πολύ γρήγορα χωρίς να μπορεί η διάσπαση β να τα μετατρέψει σε πρωτόνια.

Στην συνέχεια οι πυρήνες αυτοί  διασπώνται γρήγορα σε σταθερούς πυρήνες πλούσιους σε νετρόνια ή σε ασταθή μακρόβια ισότοπα Ουρανίου και Πλουτωνίου.  Η διαδικασία r ωδηγείται σε πυρήνες πλούσιους σε νετρόνια με χαμηλές ενέργειες σύνδεσης

• αυθόρμητη σχάση η περαιτέρω σύλληψη νετρονίων παγώνει  στα σημεία αυτά και  διακόπτεται η διαδικασία r όταν οι βαρύτεροι πυρήνες συνολικού αριθμού 270 υφίστανται αυθόρμητη σχάση. 

Αυτοί οι πυρήνες με διασπάσεις β ωδηγούνται σε σταθερότερα χημικά στοιχεία ακόμα πλούσιους σε νετρόνια.

(ΑΡΓΗ ΣΥΛΛΗΨΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ  ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ s )

Η διαδικασία s συμβαίνει σε κεντρικές περιοχές του άστρου όπου οι θερμοκρασίες και οι πυκνότητες είναι σχετικά χαμηλές  άρα η σύλληψη νετρονίων αργή και επακολουθεί διάσπαση β. Αυτό μπορεί να συμβεί διαδοχικά έως ότου τελειώσει με μόλυβδο (Ζ=82) και βισμούθιο (Ζ=83). Αυτό δημιουργεί τους μισούς πυρήνες που είναι βαρύτεροι από τον σίδηρο.

Η   διαδικασία s που συμβαίνει και σε κελύφη που καίνε ήλιον και κελύφη που καίνε άνθρακα,  οδηγεί επίσης σε πυρήνες σταθερούς και η σύλληψη νετρονίων είναι αργή . Έτσι επακολουθεί μια διάσπαση β ( εκπομπή ηλεκτρονίων που προέρχονται από διάσπαση νετρονίων) με συνέπεια τα νετρόνια να μετατρέπονται σε πρωτόνια, να αυξάνει ο ατομικός αριθμός και να δημιουργείται νέο στοιχείο.

 Στα σημεία αναμονής συσσωρεύονται πυρήνες με αυξημένη ενέργεια σύνδεσης και χαμηλότερη τάση δέσμευσης νετρονίων και  πυρήνες με πλεόνασμα νετρονίων αλλά όχι κοντά στο 10 που είναι αρκετά ευαίσθητοι στην διάσπαση β πριν την σύλληψη και άλλων νετρονίων

Η διάσπαση β είναι μια στην ασθενή αλληλεπίδραση όπου ένας ατομικός πυρήνας μεταστοιχειώνεται σε άλλον στον οποίο: 

1. ο ατομικός αριθμός είναι αυξημένος κατά ένα γιατί εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο. Αυτό συμβαίνει όταν ένα νετρόνιο διασπάται σε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο εκπέμπεται σαν ακτινοβολία β- . και το πρωτόνιο παραμένει στον πυρήνα

2. ο ατομικός αριθμός ελλατώνεται  κατά ένα γιατί εκπέμπεται ένα ποζιτρόνιο (e⁺) . Αυτό συμβαίνει όταν ένα πρωτόνιο του  μετατρέπεται σε νετρόνιο, και εκπέμπει ένα θετικό ηλεκτρόνιο (ποζιτρόνιο).  Το ποζιτρόνιο εκπέμπεται σαν ακτινοβολία β+ .

 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ rp

Η διαδικασία rp είναι η διαδικασία σύλληψης πρωτονίων σε ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας και πυκνότητας και είναι υπεύθυνη για την δημιουργία πολλών βαρέων στοιχείων

 ΜΕΤΑΣΤΟΙΧΕΙΩΣΕΙΣ : ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΕΝΟΣ ΧΗΜΙΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΣΕ ΑΛΛΟ

Οι  μεταστοιχειώσεις σε χημικά στοιχεία γίνονται με την συμμετοχή :  πρωτονίων, νετρονίων,  πυρήνες δευτερονίων (βαρύ υδρογόνο), πυρήνες ατόμου ηλίου (σωματίδια α) καθώς και ιόντα ελαφρών στοιχείων του περιοδικού πίνακα (βόριο, οξυγόνο, νέο και αργό)

Δήμητρα Σπανού

ΠΗΓΕΣ

περιοδικός πίνακας στοιχεία μετάπτωσης (slideshare.net)

 Νουκλεοσύνθεση - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Διαδικασία τριών άλφα - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)  https://science.fandom.com/el/wiki/%CE%91%CF%83%CF%84%CF%81%CE%BF%CE%B3%CE%AD%CE%BD%CE%B5%CF%83%CE%B7

 https://science.fandom.com/el/wiki/%CE%91%CF%81%CF%87%CE%B9%CE%BA%CE%AE_%CF%83%CE%B5%CE%BB%CE%AF%CE%B4%CE%B1

Διαδικασία τριών άλφα - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Πυρηνική σύντηξη - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Νουκλεοσύνθεση - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Nucleosynthesis supernova - mfawriting515.web.fc2.com

Supernova nucleosynthesis r process - gcisdk12.web.fc2.com

Pin on AS_3 (pinterest.co.kr)

https://www.rainer.ch/skripte/090_radioaktivitaet.pdf

https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/hadronen-und-kernphysik/elemententstehung-und-erzeugung/entstehung-der-elemente/

https://thmarblog.wordpress.com/2017/12/24/%CE%B4%CE%B9%CE%AC%CF%83%CF%80%CE%B1%CF%83%CE%B7-%CE%B2/