Pochodzenie pierwiastk

1
Pochodzenie pierwiastków we Wszechswiecie
B. Czerny Centrum Astronomiczne im.
M. Kopernika
2
1. Alchemicy i kamien filozoficzny
Wyraz alchemia pochodzi z jezyka arabskiego.
Alchemicy w sredniowieczu (VII XVII wiek)
poszukiwali kamienia filozoficznego, który mial
umozliwic przemiane wszelkiego rodzaju materii w
zloto, w szczególnosci olowiu. Kamien
filozoficzny mial tez umozliwic leczenie
wszelkich chorób i osiagniecie niesmiertelnosci.
Polski slynny alchemik Michal Sedziwój. Z
alchemii w XVII/XVIII wieku narodzila sie
nowoczesna chemia doswiadczalna, a marzenia o
produkcji zlota porzucono.

3
2. Nauka XIX wieku
Pierwiastki jako elementarne skladniki materii,
nie podlegajace zmianom. Uklad okresowy
pierwiastków (Mendelejew, 1969). Wyjasnienie
przyniosly badania przeprowadzone juz w XX wieku.

Z liczba atomowa A liczba masowa
W reakcjach chemicznych bierze udzial tylko
chmura elektronowa.
4
3. Cialo czlowieka
Przecietna osoba o wadze 70 kg sklada sie z
tlen 43 kg wegiel 16 kg wodór 7 kg azot 1.8
kg wapn 1.0 kg fosfor 780 g potas 140 g
siarka 140 g sód 100 g chlor 95 g magnez 19
g zelazo 4.2 g fluor 2.6 g cynk 2.3 g krzem
1.0 g rubid 0.68 g stront 0.32 brom 0.26 g
olów 0.12 g miedz 72 mg
srebro 2 mg niob 1.5 mg cyrkon 1 mg lantan 0.8
mg gal 0.7 mg tellur 0.7 mg itr 0.6 mg
bizmut 0.5 mg tal 0.5 mg ind 0.4 mg zloto
0.2 mg skand 0.2 mg tantal 0.2 mg wanad
0.11 mg tor 0.1 mg uran 0.1 mg samar 50 µg
beryl 36 µg wolfram 20 µg
glin 60 mg kadm 50 mg cer 40 mg bar 22 mg jod
20 mg tin 20 mg tytan 20 mg bor 18 mg nikiel
15 mg selen 15 mg chrom 14 mg mangan 12 mg
arsen 7 mg lit 7 mg cez 6 mg rtec 6 mg
german 5 mg molibden 5 mg kobalt 3 mg antymon
2 mg
Odzwierciedla to fakt, ze 70 ciala to woda (tlen
i wodór), a wegiel jest skladnikiem
bialek,weglowodanów (cukry) i tluszczów. Inne
pierwiastki tez sa wazne, np. kobalt jest
skladnikiem witaminy B12.
5
4. Ziemia
Ziemia jest zbudowana bardzo niejednorodnie, z
kilku róznych warstw. Wiemy to z badan wulkanów
(górne warstwy plaszcza) oraz danych
sejsmicznych 0- 40 km skorupa
40- 2700 km plaszcz ( krzem, krzemiany)
2890- 6378 km jadro (zelazo,
nikiel) W proporcjach wagowych wyglada to
nastepujaco (waga w jednostkach 1024 kg)
atmosfera 0.0000051 plaszcz
4.043 oceany 0.0014
jadro 1.921 skorupa
0.026 Dlatego w sumie procentowa srednia
zawartosc pierwiastków jest taka 34.6
zelazo 2.4 nikiel
29.5 tlen 1.9
siarka 15.2 krzem
0.05 tytan 12.7
magnez

6
5. Metoda badan rozpowszechnienia pierwiastków we
Wszechswiecie
Przyklady widm róznych gwiazd na kliszach
fotograficznych

Widmo Arktura mierzone fotoelektrycznie
7
6. Slonce
Sklad chemiczny wagowy Slonca z linii
absorpcyjnych
wodór 71.0 hel 27.1 tlen 0.97 wegiel 0.40
azot 0.096 krzem 0.099 magnez 0.076 neon
0.058 zelazo 0.014 siarka 0.040
Hel po raz pierwszy zostal odkryty wlasnie na
Sloncu (Janssen 1868) Lockyer and Frankland
zaproponowli nazwe nowego pierwiastka. W 1895
Ramsay odkryl discovered hel w rudach uranu.
Rutherford i Royds w 1907 pokazali, ze czastki
alfa znane z badan promieniotwórczosci to wlasnie
jadra helu. Obecnie wiemy, ze skladaja sie one z
dwóch protonów i dwóch neutronów.

8
7. Wszechswiat
Badania innych gwiazd, mglawic, odleglych
Galaktyk oraz obloków miedzygalaktycznych
prowadzone od lat 20-tych XX w. (poczynajac od
pionierskich prac Cecylii Payne) wykazaly, ze

wodór ok. 75 hel - ok. 25 inne od
10-3 do 2-3
Mglawica Konski Leb Mglawica Rozeta
9
8. Odkrycie promieniotwórczosci zwyciestwo
alchemii?
Przelom XIX/XX i XX wiek przyniosly odkrycie
mozliwosci przemian pierwiastków. 1. 1896 Antoine
Henri Beckquerel przypadkowo odkryl, ze grudka
uranu powoduje zaciemnienie kliszy fotograficznej.

2. 1898 Maria i Piotr Curie podejmuja
systematyczne badanie promieniotwórczosci. Maria
wprowadza termin radioaktywnosc i argumentuje,
ze jest to wlasnosc atomowa.
3. 1911 Ernest Rutherford prowadzi serie
eksperymentów z czastkami alfa prowadzacych do
powstania koncepcji jadra atomowego 4. 1932
Chadwick odkrywa neutron 5. 1933 Enrico Fermi
postuluje istnienie neutrina Otwiera to droge do
pelnego zrozumienia budowy jadra atomowego oraz
sztucznego tworzenia nowych pierwiastków.
10
9. Nowe pierwiastki chemiczne
Nowe pierwiastki chemiczne powstaja w
akceleratorach, najciezsze utworzone to Z114 i
116 (Dubna/Livermore) oraz Z118 (Berkeley).
Wszystkie sa nietrwale ze wzgledu na emisje
czastek alfa. Problemy w produkcji nowych
pierwiastków

1. Bariera kulombowska 2. Energia wiazania
jader E mc2 Energia wiazania helu 7.07 MeV
11
10. A wiec jak powstaly?
Skoro pierwiastki moga sie zmieniac, to czemu
Wszechswiat ma taki sklad chemiczny, jak ma? Lata
60-te dyskusje miedzy zwolennikami powstania
pierwiastków w Wielkim Wybuchu i zwolennikami
ich powstania we wnetrzach gwiazd. Teraz wiemy,
ze powstanie znanych obecnie pierwiastków w
obserwowanej obfitosci jest wynikiem
kilkustopniowego procesu

wodór i hel w Wielkim Wybuchu (uniwersalnosc
obfitosci!) Pierwiastki do zelaza wlacznie we
wnetrzach gwiazd Pierwiastki ciezsze niz zelazo
w wybuchowych etapach ewolucji gwiazd (supernowe)
12
12. Wielki Wybuch
Wszechswiat rozpoczal swa ewolucje okolo 12-14
miliardów lat temu od fazy gestego, goracego,
jednorodnego osrodka. Argumenty obserwacyjne
Jednorodny rozklad materii w duzych
skalach Ucieczka galaktyk Najsilniejsze procesy
gwiazdotwórcze (mlode galaktyki) dla z2 Zmiana
wlasnosci materii miedzygalaktycznej dla z okolo
6 Mikrofalowe promieniowanie tla

13
13. Synteza helu
Bardzo mlody Wszechswiat (wiek ponizej 4
s) Sklad neutrony, protony w równej ilosci
(50), elektrony, pozytrony, neutrina, fotony
(okolo miliarda/nukleon) Procesy tworzenie i
anihilacja par ee-, przemiany neutronu w proton
i odwrotnie przez pochlanianie neutrin i
antyneutrin oraz (w mniejszym stopniu) elektronów
lub pozytronów. Nieco pózniej (wiek 2
min) Temperatura znacznie ponizej energii
kreacji par. Neutronów jest coraz mniej w
stosunku do protonów ze wzgledu na róznice masy 1
MeV (1010 K). Powstajacy deuter ciagle
nietrwaly p n 2H g oraz
reakcja odwrotna! Jeszcze pózniej (wiek 3.75
min) Temperatura dostatecznie niska, aby jadra
deuteru nie ulegaly rozszczepieniu w wyniku
bombardowania fotonami. Powstaje hel z
wykorzystaniem pozostalych neutronów (ok.
14) 2H p 3He g lub 2H
n 3H g 3He n 4He g
3H p 4He g
Kolejny sukces teorii
Wielkiego Wybuchu!

14
14. Synteza helu w Sloncu
Hel powstaje takze w Sloncu i innych gwiazdach.
Proces jest wazny dla ewolucji Slonca i dla nas
ludzi, ale malo istotny z punktu widzenia
zawartosci helu we Wszechswiecie.

Cykl pp w Sloncu p p 2H e ne
etap 1 2 razy e e- 2 g
etap 2 2
razy 2H p 3He g
etap 3 2 razy 3He 3He 4He
2p etap 4 Czyli
sumarycznie 4p 2 e 4He 2 ne 6 g A
zysk energetyczny wynosi 26 MeV ( 4.2 10-12 J)
Tak w Sloncu, jak i w czasie Wielkiego Wybuchu,
nie powstaja jednak praktycznie zadne ciezsze
pierwiastki.
15
15. Synteza pierwiastków do zelaza wlacznie
Problem nie istnieja stabilne jadra atomowe
zlozone z 5 lub 8 nukleonów, które umozliwilyby
przylaczenie kolejnego protonu lub polaczenie
dwóch jader helu. Kolejne trwale izotopy w
ukladzie okresowym to

Rozwiazanie reakcja 3 alfa (E. Salpeter
1952). We wnetrzach gwiazd wypelnionych juz
helem, przy dostatecznie duzej gestosci i
tmperaturze, jest dostatecznie duze
prawdopodobienstwo zderzenia 3 jader helu i
utworzenie jadra wegla. Etap ewolucji gwiazd o
masie ponad 0.4 masy slonca. W bardziej masywnych
gwiazdach zajda kolejne reakcje
12C 4He --gt 160 g 160 4He --gt 20Ne g 12C
12C --gt 24Mg g 160 160 --gt 32S g A
nastepnie dalszy lancuch reakcji az do okolic 56Fe
16
16. Po wyczerpaniu paliwa jadrowego
Gwiazdy niezbyt masywne przechodza w pewnym
momencie w stadium bialego karla cisnienie
zdegenerowanych elektronów przeciwdziala
grawitacji w sposób trwaly. W gwiazdach masywnych
po dopaleniu paliwa do stadium zelaza jadro
zapada sie, tworzac gwiazde neutronowa lub czarna
dziure, a otoczka jest odrzucona w spektakularnym
wybuchu supernowej.

Przyklad ewolucji supernowej 1993 w M81 w okresie
od wrzesnia 1993 do wrzesnia 1994 oraz radiowy
na 6 cm (VLBI).
17
17. Powstawanie najciezszych pierwiastków
Wybuch supernowej i inne podobne zjawiska
wybuchowe (np. bersty rentgenowskie) prowadza
przy okazji do powstania jeszcze ciezszych
pierwiastków niz zelazo ze wzgledu na
bombardowanie istniejacych ciezkich jader
strumieniem energetycznych neutronów!
Dwa typy procesów s slow, r rapid

W procesie s nastepuje kolejno przylaczenie
neutronu i rozpad beta- (przemiana jednego z
neutronów w proton) czyli wzost A i Z. Maksymalne
wartosci Z 100, A 250 W procesie r rozpady
beta nie nadazaja w pelni zachodzic i powstaja
jadra o relatywnie wiekszej liczbie A.
Maksymalnie Z 110, A 300
Przyklad wyznaczenia torów ewolucjnych procesu r
18
18. Podsumowanie
Poniewaz cialo czlowieka i Ziemia jako calosc to
przede wszystkim takie pierwiastki jak tlen,
wegiel, zelazo i krzem to i my, i Ziemia jestesmy
bezposrednio wynikiem przemiany materii, jaka
nastapila w gwiazdach. W Wielkim Wybuchu
powstaly tylko wodór (skladnik wody) i hel (nie
majacy znaczenia dla Ziemi i ludzi), i wiele
pokolen gwiazd musialo pracowac, abysmy mogli
zaistniec. Czy wszystko wiadomo? Sa jeszcze
zagadki, jak na przyklad taka, dlaczego materia
zawierajaca radioaktywny izotop glinu i bedaca
pozostaloscia po wielu pokoleniach supernowych
porusza sie tak szybko (ok. 500 km/s).