元素は、星のコアでの核融合によって作成されました。星が死ぬと、爆発してその元素を周囲に分散させます。自然に作成された要素もあれば、人工的な手段で作成された要素もあります。
これまでの人生で読んだ中で最も美しいものの 1 つは、私たちは文字通り星の残骸だということです。 「私たちの DNA の窒素、歯のカルシウム、血液の鉄、アップルパイの炭素は、崩壊する星の内部で作られました」とカール セーガンは書き、「私たちは星からできている」と結論付けました。
最も近い星の苗床の 1 つであるオリオン星雲。 (写真提供:peresanz / Fotolia)
生命を構成する要素は、恐ろしい爆発的な死を遂げた後に散らばった星の灰です。つまり、ある意味では、彼らはあなたが生まれるために死んだのです。ただし、周期表のすべての元素が星の核で作成されたわけではありません。いくつかは自然の外で作成され、残りは 私たち によって作成されました .まず、星の寿命を調べる必要があるコア内でいくつかがどのように作成されたかを理解しましょう。
自然の要素
最も軽い元素である水素とヘリウムは、ビッグバンの後にちりが落ち着いたときに作られました。発生期の星は、主にこの水素ガスが崩壊して構成されています。この圧縮によりガスが加熱され、その原子が互いに激しく衝突します。衝突によってガスがさらに加熱され、最終的に水素原子は衝突して跳弾せず、代わりに融合してヘリウム原子を形成します!
ヘリウム原子の質量は、2 つの水素原子を合わせた質量よりも小さくなります。残りの質量は、アインシュタインの E =mc によって与えられる大きさのエネルギーとして放出されます ²。 1 回の核融合反応の規模は小さいかもしれませんが、累積合計は途方もない量になります。このプロセスは核融合と呼ばれます。制御された方法ではありますが、星を輝かせるのと同じ原理が壊滅的な水素爆弾の内部で再現されています.
最終的に、星は燃料を使い果たします。すべての水素が排出されます。しかし、圧縮とうだるような熱により、ヘリウム原子が融合し、ベリリウムが形成されます。最終的に、ベリリウム原子は強制的に融合して炭素を形成し、次に酸素などを形成し、コアで鉄が合成されます。この時点で星はとてつもなく重く、太陽の質量の 2 倍から 3 倍です。ただし、鉄はそれ以上の融合を拒否するため、重力の圧縮に対抗できなくなります。燃料も膨張する熱もないため、星は冷えて収縮し始めます。
その寿命の最終段階では、星はすべての重い元素が半径わずか 10 マイルの球体に集まっているため、1 立方インチあたり数百万トンの密度になることがあります。しかし、さらに収縮すると、星は無限の密度の点に崩壊します!しかし、ブラック ホールに崩壊する前に、八兆個 (10²⁷) の原子爆弾のエネルギーで激変します!
超新星は、この短時間に膨大な量のエネルギーを放出し、宇宙で最も強力なイベントとなります。 (写真提供:ESO/A.ロケット/ウィキペディア・コモンズ)
星の爆発的な死は超新星と呼ばれ、宇宙で目撃できる最も巨大な爆発です。コア内のすべての要素が周囲に激しく分散されます。さらに、放出される熱が非常に強いため、以前はコア内で不可能だった核反応が要素に発生します。要素は、さらに多くの要素を作成するために中性子を駆け巡る無計画に攻撃されます。鉄は金に変わり、それは鉛などに変わり、自然に合成された最も重い元素であるウランが形成されます。このように、破壊は創造を生みます。
人工要素
太陽系全体は、超新星によって分散された同様の瓦礫から作成されました。太陽だけでなく、8 つの惑星とその周りを熱心に回転する 1 つの矮星を形成するために発生した、驚くほどの量のちりと破片を想像できますか?
ただし、先ほども言ったように、すべての要素がコア内またはコア外で作成されるわけではありません。ウランは 92 番目の元素ですが、残りの 27 番目の元素はどのようにして誕生したのでしょうか?プルトニウムとネプツニウムは超新星で合成できますが、それらの痕跡は実質的ではないかもしれません。これらの元素は自然に合成することができます。おそらく、星は私たちがこれまでよりもはるかに重い元素を作成しますが、これらの元素は数マイクロ秒以上生き残ることができず、すぐに軽い元素に崩壊します.
技術が十分なとき、人間は自然の法則を自分の手に取りました。ウランより重い元素は、サイクロトロンで高速中性子をウランに衝突させるだけで作成されました。 17個もの中性子が関与する連鎖反応が起こります。ただし、このプロセスは、「天然の」原子炉または地球の下のウランの重い堆積物でも発生する可能性があります。地球上のわずかな量のプルトニウムとネプツニウムは、10 億年前にウランに自由中性子が衝突して形成されたウラン鉱床で発見されています。
ただし、フェルミウム (100) は、核爆撃によって鍛造できる最後の要素です。超重元素は、サイクロトロンよりも優れた粒子加速器が開発されて初めて作成できました。新しい元素は、既存の原子に中性子をぶつけただけではなく、原子全体をぶつけて作られた .ヘリウム (2) とアインスタイニウム (99) を融合して合成されたメンデレビウム (101)、またはネオン (10) とウラン (92) の連合であるノーベリウム (102) を考えてみましょう。または、カリフォルニウム (98) とカルシウム (20) を融合させることによって作成された最後の 118 番目の要素であるオガネソン.
粒子加速器シーン" 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" size="(max-width:945px) 100vw, 945px"> トニー・スタークは、マーベル ユニバースで最強の元素であるビブラニウムを、自分の家に作った粒子加速器で合成しました。 (写真提供:アイアンマン 2 / Marvel Studios)
まだ答えられていない問題は、より重い元素を合成することに限界があるかどうかです。人々は通常、電磁反発力によって陽子がばらばらになるはずなのに、どのようにして陽子が原子核の近くに存在できるのかと尋ねます。しかし、それらを束縛する力は斥力よりも強い。実際、それは宇宙のあり方を支配する 4 つの基本的な力の中で最も強いものです。それは — 創造性を最大限に欠いた — 強力な力と呼ばれています.
しかし、強い力にも限界があります。陽子間の累積的な反発力が、陽子を束縛する強い力を覆すのに十分なほど強力になる、陽子の構成が確かに存在します。確かに、新しい要素を作成するための鍵は、この構成を避けることです。これは、物理法則が協力を拒否する私たちの限界です。しかし、私たちはそれほど遠くないようです。周期表はほぼ完成したようです。パズルの完成まであと少しです。
