Каждый элемент, обнаруженный на Земле, образовался либо в результате Большого взрыва, либо в ядрах звезд… кроме этих трех.
«Мы не можем представить, чтобы материя образовалась из ничего, поскольку для начала вещам требуется семя… Следовательно, нет ничего, что возвращается в ничто, но все вещи возвращаются, растворяясь в своих элементах». -Лукреций, De Rerum Natura
Вы можете оглянуться на мир и удивиться огромному разнообразию вещей, которые существуют в нашем мире, как естественным образом, так и руками человечества.
Тем не менее, несмотря на невероятную сложность вещей, которые может создать Вселенная, все состоит - на фундаментальном уровне - из относительно простых строительных блоков. Просто то, как они собираются вместе, настолько запутано, сложно и разнообразно, что возможные комбинации могут привести к, казалось бы, безграничному набору результатов.
На самых маленьких масштабах материя в основном состоит из кварков и глюонов, которые составляют около 99,96% массы всех вещей, с которыми мы взаимодействуем здесь, в нашем мире. Однако кварки и глюоны не могут существовать свободно. Здесь, на Земле, мы находим их связанными вместе в двух формах: протоны и нейтроны.
И хотя отдельные свободные нейтроны нестабильны, мы обнаруживаем, что протоны и нейтроны связаны вместе в большое количество стабильных комбинаций, образующих огромное разнообразие атомных ядер, с которыми мы знакомы. Когда вы добавляете достаточное количество электронов к каждому из этих ядер, вы получаете нейтральные атомы.
Именно эти атомы образуют элементы, из которых состоят все материальные объекты во Вселенной, с которыми мы знакомы. Сюда входит все: от отдельных атомов до простых молекул, сложных макромолекул и молекулярных цепей, вплоть до органелл, клеток, специализированных органов и целых функционирующих организмов.
Все, что есть на Земле, состоит из этого относительно небольшого количества элементов. Как оказалось, элементы с первого (водород) по девяносто второй (уран) включительно встречаются в природе в нашем мире, за двумя исключениями: элементы 43 (технеций) и 61 (прометий), которые радиоактивны во всех формах на Земле. временные масштабы намного короче, чем время жизни Земли.
Если мы заглянем в глубины космоса, на межзвездные газовые облака, на поверхность звезд, в сердцевины областей звездообразования и остатки сверхновых, мы сможем понять, насколько распространены эти элементы есть во всей нашей галактике и во Вселенной. Мы обнаруживаем, возможно, неудивительно, что то, что мы находим на коре нашей планеты, не является хорошим представлением того, насколько обильны эти различные элементы, но то, что найдено на нашем Солнце, очень близко. Мы можем сказать это, глядя на спектр поглощения Солнца и определяя, какие элементы (и в каком соотношении) присутствуют.
На самом деле, если бы мы изобразили в виде графика изобилие всех различных элементов в нашей Солнечной системе, вы бы обнаружили то, что выглядит как хорошая закономерность с некоторыми взлетами и падениями, но общая кривая где наиболее распространены самые легкие элементы, а содержание более тяжелых постепенно уменьшается по мере того, как мы продвигаемся все дальше и дальше по таблице Менделеева.
Или, скорее, эта общая закономерность сохраняется, если вы забудете о элементах три, четыре и пять в периодической таблице: литий, бериллий и бор! Этих трех элементов практически нет на Солнце (как и на любой другой звезде), и они выглядят ужасно странно по сравнению со всеми окружающими их элементами.
С другой стороны, хорошо, что они существуют; литий и бор могут служить биологическим целям человека, а бор необходим для клеточных стенок всех растений! Эти три элемента являются особыми во Вселенной и обязаны своим происхождением иному процессу, чем любой другой элемент в периодической таблице.
В самом начале не было никаких элементов; была просто горячая смесь кварков, глюонов, электронов, нейтрино, излучения, нестабильных частиц и антивещества. Однако по мере расширения и охлаждения Вселенной нестабильные частицы распадались, антиматерия аннигилировала с материей (которой было немного больше), а кварки и глюоны конденсировались в протоны и нейтроны. Первоначально Вселенная была слишком энергичной, чтобы протоны и нейтроны могли слиться в более тяжелые элементы, поскольку они были бы немедленно разорваны горячим излучением.
Но по мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась, это излучение больше не могло мешать формированию атомных ядер, и поэтому самые легкие элементы во Вселенной водород, гелий, пара изотопов и немного лития - появился на свет. Благодаря непосредственным наблюдениям этих элементов, знанию соотношения атомных ядер и фотонов (из микроволнового фона) и теоретическому пониманию нуклеосинтеза мы можем видеть, что наше понимание очень хорошо совпадает.
Это позаботится о первых двух элементах в периодической таблице, но как насчет остальных? Что ж, у нас есть звезды! Претерпевая ядерный синтез в своем ядре, у Вселенной было 13,8 миллиардов лет, чтобы создать все остальные элементы. В ядре всех звезд главной последовательности водород превращается в гелий, и если ваша звезда достаточно массивна (а наша такова), она начнет превращать гелий в углерод, азот и кислород.
И в самой массивной из звезд углерод может сливаться в более тяжелые элементы, а затем в кислород, серу и кремний, и в конце концов у вас остается ядро из железа, никеля и кобальта в звезде. которая в скором времени станет сверхновой, создав большое количество тяжелых элементов и распространив этот материал по всей Вселенной.
Со временем, конечно, нестабильные элементы будут распадаться, и поэтому уран сегодня является самым тяжелым природным элементом на Земле. Но как насчет этого «пробела» в начале? В ядрах звезд мы сразу перешли от гелия к углероду и просто пропустили три промежуточных элемента. На самом деле, если вы поместите литий, бериллий или бор в звезду, высокие энергии и температуры звезды разрушат эти элементы, разделив их на гелий, водород и, возможно, на несколько нейтронов!
Так откуда берутся эти элементы?
От естественно ускоренных частиц, летящих через Вселенную со скоростью, близкой к скорости света: космических лучей! Произведенные сверхновыми, активными галактиками и, возможно, нейтронными звездами и черными дырами, эти высокоэнергетические протоны и атомные ядра (и иногда электрон) путешествуют по Вселенной, пока какая-нибудь несчастливая частица не встанет на их пути, что неизбежно произойдет.
И если эта частица окажется атомом углерода (или более тяжелым), берегитесь!
Потому что эти космические лучи могут разбивать атомные ядра на более мелкие составляющие посредством процесса, известного как расщепление.
В то время как водород (и немного лития) образовался в результате Большого взрыва, углерод и более тяжелые элементы образовались в звездах, а гелий образовался в обоих случаях, весь бериллий, бор и большая часть литий, обнаруженный на Земле, производится в результате этого процесса: столкновения космических лучей с более тяжелыми, существовавшими ранее атомами!
Итак, в следующий раз, когда вы посмотрите на растение и исследуете внешнюю стенку его клеток, подумайте о том факте, что атомы, которые придают этим клеткам их уникальные свойства - атомы бора - нужны частицы ускоряется черной дырой, нейтронной звездой, сверхновой или далекой галактикой, чтобы столкнуться с тяжелыми элементами, выброшенными звездами предыдущего поколения.
И потом, он не должен был попасть в другую звезду, прежде чем прийти к нам! И это уникальная история трех самых редких легких элементов во Вселенной: лития, бериллия и бора.
Понравилась эта история? Взвесьтесь на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs!