これまでに存在した、またはこれから存在するすべてのものは、周期表にある元素の順列または組み合わせによって可能になりました。カラフルな要素の配列には、情報の宇宙全体が含まれています。
周期表は私たちの生活をずっと楽にしてくれると同時に、より難しくしてくれます!それは、私たちの要素を覚えて理解するのに役立つだけでなく、これらの要素がどのようにして存在したのかなど、実存に関する深い疑問を引き起こします。 ?
物質の出現
化学元素の起源を発見するこの試みは、私たちを時間の始まりにまでさかのぼります。
ビッグバンの直後、宇宙は物質とエネルギーの濃密なスープでした。温度は約 1032 ケルビンでした。宇宙は膨張し始め、同時に冷却し始めました (それでも数兆ケルビンでした)。素粒子 (クォークと電子) が出現し始めました。
陽子と反陽子の出現
宇宙が生まれて 0.0001 秒弱になったとき、新しい形の擾乱が始まりました。高エネルギー放射線として漂っていた宇宙エネルギーが衝突を始めた。
これらの衝突は、ペア形成と呼ばれるプロセスで粒子 (陽子) と反粒子 (反陽子) を生成します。 .
宇宙は、これらのペアをますます大量に生産し続けました。一方、これらの陽子と反陽子のペアは互いに消滅し、光子と放射線に戻りました。
ペアの生成と消滅
現在、0.0001 秒の時点で、宇宙は少し低温になり、光子は新しい対の形成を停止しましたが、すでに形成されていた反対側の対は互いに消滅し続けました.
最終的に陽子がなくなると思われるかもしれませんが、運が良ければ、ペア生成のプロセスはわずかでした。 より陽子に傾いています (理由はまだわかりません)。すべてのプロセスが停止した後、宇宙は陽子の光の散りばめとともに、ほとんどが光子として残されました.
中性子の出現
急速に膨張する宇宙により、一部の陽子が電子に衝突し、中性子が生まれました (陽子 7 個ごとに中性子 1 個あります)。この時点で、宇宙は数秒早く、はるかに寒かった (わずか 10 億ケルビン)。
陽子と中性子が一緒になって、最初の元素である水素 (H) の原子核/イオンを形成し、さらに別の水素原子核と融合してヘリウム (He) 原子核を形成しました。ビッグバンから 3 分後、比率は現在 75% の H イオンと 25% の He イオン (ごくわずかな量の Li イオンに加えて) です。宇宙はまだ非常に熱く、原子を形成するには熱すぎるため、元素はイオンの形をとっています。
ビッグバンから約38万年後が組換えの時代です。何年にもわたる膨張と冷却の後、宇宙はついに原子核が電子を捕獲する準備が整いました。 H と He のイオンは電子と再結合し、最初の安定した原子を形成します (この時点で化学の授業がどれほど簡単だったか想像してみてください!)、私たちに最初の形の光を与え、効果的に化学進化を開始します.
しかし、再結合の時代の後、宇宙は再び暗黒に陥った.
ビッグバン以降の宇宙の進化 (写真提供:Designua/Shutterstock)
元素合成と星の生命
時間の経過とともに、宇宙はさらに冷却され、重力によって高密度のガス雲が集まり、最初の星形成領域が作成されました。雲が砕けると、それ以上大きくなりたくない熱くて重いコアを形成し始めました。ホットコアは、さらに雲が集まるのを防ぐために、それ自体を燃焼させ始めました.このようにして、重力の強さと凝縮された核内の燃焼圧力との間の争いが始まりました。この 2 つの力が釣り合うポイントは、星が生まれるときです!
何千年もの間、多くの銀河が形成され、それぞれに大小さまざまな数百万の星がきらめいていました。そして、彼らを明るく保つものは何ですか？彼らの燃えるコア。
コアが重力下で崩壊しないようにするために、恒星は一定のエネルギー源を利用する必要がありました。このエネルギーは、結合エネルギーの解放によって熱心に提供されました。
合計の中心で 4 つの水素原子が集まっていると想像してください。原子核からの 2 つの陽子が残り、残りの 2 つが量子トンネリングの助けを借りて中性子 (n) に変わります。
融合すると、ヘリウム原子核を形成します。形成されるヘリウムの重さは、2n と 2p の合計質量よりもわずかに軽くなります。失われた質量は結合エネルギーに変換され、最終的に星に燃料を供給します。そのような反応の 1 つは、26.71 メガエレクトロン ボルトのエネルギーを放出します…今、何百万もの相互作用が目がくらむような速度で発生していることを想像してみてください!
星の水素燃焼 (写真提供:Fouad A. Saad/Shutterstock)
星は一生を通じて、崩壊を防ぐためにさまざまな段階で燃料を燃焼させます。このプロセスは、水素の燃焼または核融合から始まる元素合成という恒星現象を引き起こします。星は寿命の 90% を水素のヘリウムへの核融合に費やします。水素が枯渇した後、ヘリウムをより高い元素に融合し始めます。元素融合の新たな段階ごとに、コアはより高密度になり、星の外層が拡大し始め、徐々に赤色巨星に変わります.
星のライフサイクル (写真提供:Designua/Shutterstock)
私たちの太陽の質量にほぼ等しい (またはそれより軽い) 星は、核が十分に熱くないため、赤色巨星になった後 (つまり、もうすぐ死ぬことを意味します) にのみ、ヘリウム以上の元素を生成できます。しかし、大質量星のコアは、ヘリウムよりも重い原子核を融合させてエネルギーを生成するための完璧な大釜になります。記事のこの時点から、大質量星のみを見ていきます。
2 つのヘリウム原子が融合して炭素が生成され、それが別のヘリウムと融合して酸素が生成されます。これにより、周期表のすべての元素がシリコンになりますが、ホウ素とベリリウムは恒星では形成されませんが、代わりに、宇宙の分裂によって形成されます。
安定した星の進化の最終ラップは、シリコンの燃焼が始まるときです。コアがシリコンを鉄に融合し始めると、星の寿命は本当に残ります。まもなく、コアは重力に「勝つ」ための核反応がなくなります。鉄は宇宙で最も安定した核を持っており、それをより重いものに融合してもエネルギーは放出されませんが、実際には外部エネルギーが必要です.これは、大質量星の寿命の終わりの始まりを示しています。
崩壊前の星のコアに見られる核融合のさまざまな殻 (写真提供:FT2/Wikimedia Commons)
コアに鉄 (および微量のニッケル) しか含まれていない場合、それ自体が崩壊し始めるほど密度が高くなります。最後の数分間、星はタマネギのように層状に見えます。最後の数秒間、コアが崩壊し続けると、すべての原子が互いに押し付けられ、膨大な量のエネルギーと圧力が発生します。これにより、さまざまなシェル全体にエネルギーの衝撃波が送られます。
この時点で、星は超新星になります 、それが作成したすべての要素を無限の空間に吹き付けます!
鉄より重い元素の形成
最後の数秒と、先ほど触れた衝撃波を覚えていますか?星が死にかけて超新星爆発を起こすと、膨大な量のエネルギー (温度が数十億ケルビンに上昇) と非常に高密度の中性子雲が放出されます。
r-プロセス
これらの中性子は、すでに形成された元素の原子と相互作用します。それらは一連の核融合と分裂を経て、ウランまでの元素と、キュリウム、カリフォルニウム、フェルミウムなどのいくつかの超ウラン元素を形成します。急速な中性子捕捉または r-process のこの全プロセス 1 秒以内に行われます。金、プラチナ、銀などの元素は非常に希少で高価です。それらを作成するには死にゆく星が必要だからです!
周期表の元素の起源 (写真提供:クリエイティブ コモンズ/ウィキメディア コモンズ)
s-プロセス
もう 1 つの一般的なルートは、s プロセスとしても知られる、はるかに遅い中性子捕捉プロセスを経由するものです。 .これは、星のさまざまな核融合層、または十分な中性子と捕獲に適した条件を持つ中性子星内で発生する可能性があります。 s プロセスと r プロセスのメカニズムは同じです。
p-プロセス
元素の核は中性子を捕獲し、その同位体に変化します。形成された同位体が安定していない場合、原子核はベータ崩壊を起こし、次の安定元素を形成します。したがって、鉄からウランまで、私たちが知っているすべての元素は、この連続プロセスによって生成されました。核成長のもう 1 つの形態は、陽子捕獲または p-プロセス によるものです。 .詳細については、ここをクリックしてください。
これは、テクニチウムとプロメチウムを除いて、すべての元素に当てはまります。これらの元素には、ここで見つけるのに十分な長さの安定同位体がありません。ウラン以降のすべての元素は人工であり、半減期が短い放射性物質です。
これは別の疑問につながります.爆発する星によって作られた元素はどのようにして地球にたどり着いたのでしょうか?
地球への配達
宇宙は巨大なごみ箱です。化学濃縮と呼ばれるプロセスによってかつて作成されたすべての物質をリサイクルおよび再利用します。何百万もの銀河、星、惑星が形成され、ビッグバン後に残った同じ原始物質を使用して形成され続けます.
若い宇宙は 3/4 水素と 1/4 ヘリウムであり、残りの物質は無視できるものでした。しかし、何十億年にもわたる燃焼と爆発の後、宇宙には他の元素が 2% 含まれています。これは印象的ではないように思えるかもしれませんが、宇宙規模では十分です!
太陽系の豊富な元素 (写真提供:MHz`as/Wikimedia Commons)
星の死後に宇宙に放出された元素は、最終的に新しい星形成領域にたどり着き、そこで若い星が旅を始めます。重力により、死んだ星の一部が次世代の星の一部になります。
それらの星が死んだ後、物質は再び宇宙に戻されます。このサイクルは、何千年もの間、何度も繰り返されます。私たち自身の太陽系が形成されていたとき、同様のことが起こりました。その大部分が、私たちの最愛の大きな火の玉である太陽を作り出しました。しかし、太陽を周回する残りのスターダストは最終的に集まって、私たちの故郷である地球を含む小惑星や惑星を形成しました.
結論
信じられないかもしれませんが、私たちの体のすべての原子は、太陽系自体よりも古いのです!それらは、138 億年前に始まった 1 つのイベントに続く一連のイベントで作成されました。私たちのジュエリーの金と電池の亜鉛は、スターの人生の最後の瞬間に作られました。炭酸飲料の酸素と炭素、血液中の鉄分、歯のカルシウムは、くすぶっている星の心臓で作られました。宇宙はまさに私たち全員の中にあります。
