Apsolutna većina hemičara odmah zna šta da radi sa hemijskim elementima. Oni znaju svoje simbole napamet, znaju napamet njihov atomski broj, njihovu masu, neke gustine. Oni su vešti u mešanju svojih jedinjenja pod različitim uslovima kako bi stvorili molekule i dali formiranom jedinjenju plemenitu upotrebu. Na kraju, atomi su sirovina hemije. Ali odakle su došle ove osnovne jedinice? Kako su nastali hemijski elementi?  

Ovo je pitanje koje uopšte nije uobičajeno, pa čak ni neophodno u krugovima hemičara. Na kraju krajeva, kada smo nastanili ovaj svet, svi prirodni hemijski elementi su već bili ovde i sigurno će biti tu još dugo nakon našeg odlaska. Da bismo odgovorili na pitanje koje daje naslov ovom tekstu, važno je, prvo, kvantifikovati ove elemente. Znamo da na Zemlji nalazimo, u većoj ili manjoj meri, 90 hemijskih elemenata predstavljenih u periodnom sistemu, od vodonika do uranijuma, preskačući tehnecijum i prometijum, koji ovde ne postoje prirodno, ali su već otkriveni u zvezdama. Ostali elementi, posle urana pa do 118., nazvani transuranskim, dobijaju se veštački u akceleratorima čestica. Iako ovih 90 elemenata, čini čitav okvir naše planete, pa čak i našeg organizma, oni nisu stvoreni na Zemlji.

Bilo bi zanimljivo, dakle, znati kako su ovi elementi raspoređeni izvan naše planete. Standardni kosmološki model nam govori da se Univerzum sastoji od 68,3% tamne energije (energije koja se još nije pretvorila u materiju, E=mc², ali koja je vrlo malo poznata), 26,8% njegove strukture sastoji se od hladne tamne materija, čije čestice nemaju naelektrisanje i stoga ne emituju EM zračenje, pa ni svetlost, te nije vidljiva, pa je nepoznatom tamnom materijom.

No, prepoznajemo je  po njenoj gravitaciji. Najveći deo ove tamne materije se nalazi u tzv: halou galaksija (okružuje akrecioni disk galaksije što doprinosi većoj perifernoj brzini galaksija nego što bi joj sledovalo, saobrazno njenoj stvarnoj-barionskoj materiji). Upravo te, barionske materije, koja je sastavljena od protona, neutrona i elektrona, odnosno atoma naših hemijskih elemenata, ima samo 4,9%  u energetskom bilansu čitavog Univerzuma.

Zauzvrat, ovih 4,9% barionske materije je raspoređeno na sledeći način: gas vodonik i helijum iz prvobitne formacije Univerzuma čini 4%; vodonik koji se pretvara u helijum u središtu zvezda, u procesu termonuklearne fuzije čini 0,5%;   na neutrina otpada 0,3%, dok, preostalih 88 prirodnih elemenata, težih od helijuma, predstavljaju samo 0,1%  sastava Univerzuma. Malo je, jako malo, ali s obzirom na to da su ti elementi koncentrisani u oblacima koji će na kraju dovesti do nastanka planeta, uključujući i Zemlju, tih 0,1% je od fundamentalnog značaja!

To je ono što vidimo i istražujemo kao nebeska tela, krhotine i kosmičku prašinu. Ipak, sve je više mišljenja astronoma da su ona dva, tamna oblika energije od presudne važnosti da bi se odgovorilo na pitanje: odakle i čemu sve ovo? Kako je nastao Univerzum... Kako je nastao čovek? U ovom članku donosimo odgovore na pitanje: Kako su nastali hemijski elementi?

Cео proces formiranja je započeo u posebnom i jedinstvenom trenutku, nazvanom Veliki prasak. Model Velikog praska predložio je belgijski sveštenik, matematičar, filozof i astronom Žorž Lemetr  (Georges Lemaître). Ovaj model predlaže da je u trenutku, t =0, sva masa koja čini naš Univerzum bila koncentrisana u jednoj tački, zanemarljive zapremine/preseka i maksimalne gustine. Četiri sile koje upravljaju interakcijama univerzuma – elektromagnetizam, gravitacija, jaka i slaba nuklearna sila – odgovorne su za stabilnost jezgra atoma – bile su ujedinjene u toj tački, pre Velikog praska. U tom početnom trenutku temperatura je dostigla kolosalnu oznaku od 10³² K.

Šta se dogodilo između nultog momenta i Plankovog vremena: t =10^-43 sekunde, nakon Velikog praska, niko sa sigurnošću ne može reći, jer se u tom intervalu sukobljavju dve glavne teorije fizike:  teorija kvantne mehanike i teorija opšte relativnosti, nauka još uvek ne ume da objasni na zadovoljavajući način uspostavljanje odnosa između ove teorije u ovom jedinstvenom trenutku koji teorija svega, iliti, teorija velikog ujedinjenja – TGU, nastoji da ujedini matematički. Ovaj, prvi trenutak, se naziva Plankovom erom. Svemir je bio veličine Plankove dužne, tj. 1,6x10^-35m.

Suprotno onome što većina ljudi veruje, Veliki prasak nije bio velika eksplozija. U eksploziji se materija odnekud izbacuje. Naprotiv, u ekspanziji ne postoji ideja „spolja“, pošto ni prostor ni vreme nisu postojali izvan univerzuma. Stoga se, u trenucima nakon Velikog praska, celi univerzum širi, uključujući prostor i vreme, između njegovih sastavnih delova – unutar sebe. Ovo zvuči kontraintuitivno, ali, zamislite da se kolač sa suvim grožđicama peče i diže. Ako je univerzum torta, nema kolača izvan torte i svo testo se širi, smanjujući svoju gustinu i gurajući/razmičući sve grožđice jednu od druge, ali sferno, radijalno, prilično homogeno, izomerno, izotermno.

Od ovih gore, 10³² K, danas je temperatura univerzuma, uzev u celini, opala na samo 2.735K, iliti – 270.415°C. To je temperatura tzv: pozadinskog zračenja. Univerzum je jezivo hladno, puno zračenja i mrtvo “mesto”, izuzev jednog, veoma uskog pojasa, od samo 20 km na našoj, lepoj planeti, koga zajedno čine: troposfera, hidrosvera i litosfera. Sveokupni život, svi pojavni oblici živog se naziva jednim imenom – biomom. Hoće reći, života na Zemlji, ima samo do visine od 10 km u troposferi, u svim vodenim sredinama i u kori Zemlje, do dubine od desetak kilometara, u obe sfere.  

Kao i kolač, kako se Svemir širio, njegova gustina se smanjivala, a sa njom i temperatura. Nakon 13,8 milijardi godina od početnog trenutka, prosečna temperatura Univerzuma je pala sa 10³² K, na samo 2,735 K, a gustina je opala sa maksimuma, na oko 2×10^-29 kg/m³. 

Vreme: t = 10^-34s nakon Velikog praska: završava se period poznat kao Inflacija univerzuma. U to vreme, univerzum je bio sastavljen od izuzetno vruće i guste supe koju su formirale samo elementarne čestice, još nepoznate prirode.

Vreme: t =10^-11sekundi nakon Velikog praska, počinje razdvajanje slabe nuklearne i elektromagnetne sile i time dolazi do agregacije subatomskih čestica. Temperatura pada na 10¹⁵ K. Pokoravajući se Ajnštajnovoj jednačini: E=mc², materija i antimaterija se stvaraju i međusobno uništavaju (anihiliraju) sumanutim tempom.

Vreme: t=10^-9 s, (u milijarditom delu sekunde, nakon VP) višak kvarkova formira kvark-gluonsku plazmu. Kvarkovi su čestice koje, međusobno povezane gluonima- česticama interakcije jake nuklearne sile sa materijom, čine protone i neutrone. Ova je supa, nazvana "kvark-gluonskom plazmom", stoga je predstavljala subatomske čestice neophodne za stvaranje atoma. 

Nakon 1 sekunde od Velikog praska, kada je univerzum registrovao temperaturu od 10 miliona stepeni Celzijusa, počinje primordijalna nukleosinteza. Višak kvarkova se ujedinjuje i formira prve stabilne protone i neutrone. Protoni i neutroni su povezani zajedno da bi formirali jezgra deuterijuma (1 proton i 1 neutron), tricijuma (1 proton i 2 neutrona), helijuma (2 protona i 2 neutrona), nešto litijuma i helijuma-3. Ova početna nukleosinteza se završila kada je prošlo nekoliko minuta od Velikog praska. Rezultat trenutnog udela ovih elemenata u univerzumu je iz tog vremena: 75% vodonika i skoro, 25% helijuma.

Tokom narednih 100.000 do 300.000 godina, fotoni su posedovali dovoljno energije da speče stabilizaciju elektrona oko jezgara (“odvlačili” su ga od jezgra). Tek nakon što je Univerzum dostigao temperaturu od 3000º C, snaga fotona se smanjila, što je omogućilo stabilizaciju elektronana nivou Borovog radijusa od 53 pikometra (5,297e^-11m). U tom trenutku pojavili su se prvi stabilni atomi vodonika i helijuma.

Temperatura Univerzuma je dovoljno pala da materija prevlada nad energijom, i kao rezultat toga, gravitacija je postala dominantna sila. Proizvedena materija (jezgra H i He) bila je koncentrisana u ogromne oblake, nebule, koja će, milijardama godina kasnije, dovesti do galaksija. Najnovija osmatranja  "Dubokog polja"su otkrila najstariju galaksiju koja je nastala pre 13,4 milijardi godina. 

Između 300.000 i 1 milijardu godina, uprkos vrlo niskoj prosečnoj gustini univerzuma, atomi H i He povezuju se u veće aglomeracije kako bi formirali gušće tačke, takozvane primordijalne oblake. Bilo je između 1 milijarde godina i danas kada su kosmičke strukture, kao što su galaksije i jata galaksija, stekle svoj sadašnji oblik, koji potiču iz evolucije ovih primordijalnih oblaka. Mikrofizika ove faze je veoma poznata.

Gustoća primordijalnih oblaka, oko 10¹² čestica po m³, dovoljno je visoka da omogući atomima vodonika da se spoje u stabilne molekule H₂. Uprkos visokoj gustini, temperatura je niska, oko

10K. Na ovoj temperaturi, gravitacija postaje dominantna, dozvoljavajući primordijalnim oblacima da se uruše pod dejstvom sopstvene gravitacije, ispod centralne tačke. U ovom trenutku počinju reakcije nuklearne fuzije koje će zapaliti zvezde, peći koje će iskovati sve prirodne hemijske elemente prisutne u našem periodnom sistemu. Što je još važnije i lepše, prisutne u zemlji i u organizmima svih živih bića, naravno i čoveka. Zato astronomi, pesnici, književnici vole da kažu da smo mi, ljudi – deca zvezda.

U univerzumu postoje zvezde svih veličina i njihova klasifikacija je zasnovana na masi Sunca, koja iznosi:  2 × 10³⁰ kg. Zvezde male mase su zvezde koje teže manje, od 8 puta mase Sunca. Zvezde veće od 8 puta veće od mase Sunca, nazivaju se masivne zvijezde. Ove dve vrste zvezda imaju različite evolucione cikluse.

Zvezde male mase, kada im ponestane nuklearnog goriva, vodonika, u početku se šire, a zatim se skupljaju i blede, zadržavajući svoju masu u gustom, hladnom, ugljenikom bogatom jezgru, zvanom beli patuljak.

Suprotno tome, masivne zvezde, na kraju svog nuklearnog goriva, započinju pokret ekspanzije, praćen kolapsom, gde se sva njihova gigantska masa taloži na njihovom jezgru, uzrokujući gigantsku eksploziju. Ovaj katastrofalni trenutak naziva se supernovom.

Zvezde vrlo male mase proizvode praktično samo He iz fuzije H pomoću mehanizma zvanog "protonski ciklus":

U protonskom ciklusu, prve dve reakcije se javljaju dva puta. Šest protona ulazi u reakciju i proizvod je jezgro helijuma, dva protona, dva pozitrona, dva neutrina i energija.

Osim proton-protonskog ciklusa, zvezde takođe, mogu proizvoditi energiju kroz CNO ciklus (Carbon-Nitrogen-Oxygen). U ovom ciklusu, atomi ugljenika, azota i kiseonika, koji su već bili prisutni u jezgru zvijezde, deluju kao katalizatori u hemijskim reakcijama: njihov sastav se ne menja duž lanca reakcije. U CNO ciklusu dolazi do potrošnje protona i proizvodnje atoma helijuma. Ostali elementi ostaju nepromenjeni.

CNO – Ugljenik – Azot – Kiseonik ciklus, u kome ovi elementi igraju ulogu katalizatora, ali se ne troše. 

U većini zvezda male mase, proces nukleosinteze se nastavlja samo dok se ne formira ugljenično jezgro, u procesu koji se naziva alfa-proces.

3x ⁴He —> ¹²C + e+ + e– + γ  *Tumačenje: tri atoma helijuma 4/2, daje u reakciji jedan atom ugljenika 12/6 + pozitron (e+) + elektron (e^_) + gama foton

U masivnim zvijezdama, ovaj proces se nastavlja kroz nuklearnu fuziju do formiranja gvozdenog jezgra. Nastavljajući alfa proces, helijum se kombinuje sa ugljenikom da bi proizveo teže elemente, ali samo one sa parnim brojem protona. Kombinacije se dešavaju ovim redom:

Svaki element formira koncentrični sloj oko jezgra zvijezde, razmeštajući se u opadajućem redosledu gustine, od centra prema perifiriji. Kada zvezde male mase počnu fuziju ugljenika, gravitaciona energija nadmašuje energiju ekspanzije koju stvara nuklearna fuzija. U početku dolazi do ekspanzije (crveni džin), izbacujući svoju "ljusku" u Svemir, u fazi koja se naziva "planetarni oblak". U tom trenutku se zvezda gasi u obliku belog patuljka.

U masivnim zvezdama, gravitacija sabija elemente formirane u odgovarajućim slojevima na takav način da se zvezdano jezgro, zbog ekstremno visokog pritiska gravitacione sile sopstvene mase, urušava u sebe, i eksplodira kao supernova. Time može da nastane neutronska zvezda jer je pritisak sabio sve elektrone u protone, pretvarajući ih tako u neutrone, gusto pakujući, jer su neutroni električni neutralni, i ne odbijaju se, kao protoni. Tokom ove eksplozije, kao i u fazi planetarnog oblaka manje masivnih zvezda, svi do tada formirani elementi se izbacuju u okolni prostor. No, i više od toga. tokom procesa formiranja supernove nastaju svi ostali elementi teži od gvožđa.

A zašto je gvožđe granična linija za opstanak zvezde? Odgovor leži u razlici u energiji međunuklearnih veza. Grafikon ispod pokazuje da se energija proizvedena u nuklearnoj fuziji za formiranje jezgara povećava do gvožđa. Ova energija se takmiči sa energijom gravitacije i održava stabilnu ravnotežu u zvezdi. Proces formiranja jezgara elemenata težih, dalje od gvožđa, stvara manje energije u odnosu na masu elementa. Oslobađanje manjih energija stoga narušava ravnotežu, dozvoljavajući gravitaciji da bude dominantna sila na zvezdi, uzrokujući njeno kolapsiranje.

Ova razlika u internuklearnoj energiji je takođe odgovorna za promenu u procesu formiranja elemenata većih od Fe. Dok se elementi manji od gvožđa proizvode samo nuklearnom fuzijom, teži elementi nastaju procesom koji uključuje hvatanje neutrona i naknadni radioaktivni raspad. Ovaj proces se zove Proces S (S za spor):

Proces radi sve dok se ne formira jezgro elementa ²⁰⁹Bi. Elementi masivniji od Bi se proizvode samo u sredinama u kojima je neutronski tok veoma visok (reda 10²² neutrona po cm² u sekundi). Ovaj proces se zove Proces R (R za brzi). Kod zvezda, proces R se događa samo u sekundama koje okružuju eksploziju supernove. Tokom eksplozije dolazi do intenzivnog sudara elektrona i protona koji rezultira stvaranjem gigantskih količina neutrona potrebnih u procesu R.

Jednom izbačeni u okolni prostor, ovi oblaci nastali nakon eksplozija supernove, poseduju sve elemente koje danas poznajemo na našoj planeti. Ovi elementi su sada dostupni za korišćenje u formiranju novih generacija zvezda i, posledično, novih planeta koje će kružiti oko njih. Ovo je sirovina od koje je nastao naš solarni sistem pre oko 4,5 milijardi godina i to će ujedno biti proces koji će dovesti do kraja našeg Sunca, a sa njim i naše planete, za koji se predviđa da će se dogoditi za 5 ili 6 milijardi godina. Ko preživi videće…

I z v o r : https://www.freeastroscience.com/2022/06/how-did-chemical-elements-form.html;  Wikipedija