Skąd się wzięły pierwiastki ciężkie na Ziemi?
Chemia Układu Słonecznego
Przesuwając się dalej w kierunku zewnętrznym, napotykamy planety skaliste (Merkury, Wenus, Ziemia i Mars). Wspólną cechą tych planet, ale również Księżyca i dwóch satelitów Jowisza, jest obecność metalicznego jądra otoczonego skalną powłoką. Jądro zawiera głównie żelazo, będące najpowszechniejszym pierwiastkiem ciężkim we Wszechświecie. Otaczająca jądro powłoka zawiera zazwyczaj znaczne ilości krzemu.
Za planetami typu skalistego rozciąga się główny pas planetoid. Większość tych obiektów ma budowę skalną lub skalno-lodową. Ich skład chemiczny nie jest jednorodny: w wewnętrznych rejonach pasa dominują planetoidy bogate w krzem a w rejonach zewnętrznych - zawierające węgiel. Spotyka się również ciała o dużej zawartości żelaza i niklu.
Za głównym pasem planetoid krążą planety olbrzymy. We wnętrzu tych planet najprawdopodobniej znajdują się skalne jądra, niezbyt duże w stosunku do rozmiarów danego ciała. W jądrach tych mogą być obecne takie metale jak żelazo i nikiel. W przypadku Jowisza i Saturna większą część masy planet stanowi wodór. Z kolei Uran i Neptun składają się głównie z lodu będącego mieszaniną zamrożonej wody z metanem i amoniakiem.
Początki Wszechświata
Zgodnie z hipotezą Wielkiego Wybuchu pierwszym pierwiastkiem chemicznym, który powstał we Wszechświecie, był wodór. Tworząca się materia była na tyle gęsta i gorąca, że jądra wodoru zderzały się ze sobą i zachodziły procesy syntezy termojądrowej. Z jąder wodoru powstały jądra helu a także śladowe ilości izotopów litu. Cięższe pierwiastki nie powstały w procesie tej pierwotnej syntezy, ponieważ w ciągu zaledwie kilku minut Wszechświat rozszerzył się i ostygł. Gęstość materii zmniejszyła się poniżej wartości, przy której tego typu procesy jądrowe są możliwe.
Ewolucja gwiazdy
W pierwotnej materii wypełniającej Wszechświat zaczęły pojawiać się lokalne fluktuacje gęstości, co jest zjawiskiem normalnym i często obserwowanym w różnych warunkach. Zagęszczenia materii oddziaływały grawitacyjnie z otaczającym ośrodkiem, przyciągając jego cząsteczki. W efekcie formowały się kuliste obłoki gazu, które z czasem coraz bardziej gęstniały i jeszcze mocniej przyciągały grawitacyjnie cząsteczki z przestrzeni kosmicznej.
W miarę wzrostu gęstości rosła również temperatura takiego obłoku. Przy jego odpowiednio dużej masie zostawały osiągnięte warunki, przy których w samoistny sposób rozpoczynała się synteza wodoru w hel. Obłok stawał się gwiazdą produkującą energię i świecącą własnym światłem. W przypadku wyczerpania zapasów wodoru następowało łączenie jąder helu w cięższe pierwiastki. Gdy wyczerpywał się hel, reakcjom syntezy termojądrowej mógł podlegać węgiel. Niemniej w tego typu przemianach mogą być syntezowane pierwiastki do żelaza włącznie.
Analizując bardziej szczegółowo skład chemiczny naszej planety, jak również innych ciał niebieskich, bez trudu możemy stwierdzić, że żelazo nie jest najcięższym pierwiastkiem w przyrodzie. Układ okresowy zawiera wiele cięższych substancji, które jednak nie powstały w trakcie syntezy termojądrowej. Jedynie w trakcie eksplozji supernowych panują odpowiednie warunki do syntezy pierwiastków cięższych od żelaza, włącznie z bardzo ciężkimi izotopami, jak na przykład ołów, uran czy pluton.
Powstanie Układu Słonecznego
Czy zatem ciężkie pierwiastki pokonały znaczne odległości i w jakiś sposób dostały się na Ziemię z odległych rejonów Galaktyki? Na szczęście nie musiały wędrować aż tak daleko, ponieważ Układ Słoneczny powstał z materii, która wiele miliardów lat wcześniej została wyrzucona w przestrzeń kosmiczną w trakcie wybuchu supernowej znajdującej się mniej więcej w miejscu Słońca.
Fala uderzeniowa, rozchodząc się koliście wokół centrum wybuchu, przeniosła znaczną część cięższych pierwiastków w okolice, w których uformowały się planety skaliste. Duże ilości wodoru oraz jego związków (np. woda, metan, amoniak) zostały odrzucone w dalsze rejony, w których powstały planety olbrzymy. Większość wodoru i helu pozostała jednak w centralnej części obłoku i po jego grawitacyjnym skurczeniu się dała początek nowej gwieździe.
Sprawdź swoją wiedzę
Rozwiąż poniższą krzyżówkę, aby sprawdzić, co pamiętasz z tekstu. Litery w zaznaczonych polach utworzą hasło.
2. Wielki…, hipotetyczny początek Wszechświata
3. Główny… planetoid
4. Najcięższy pierwiastek powstający w gwiazdach
5. Nazwa planety lub pierwiastka promieniotwórczego
6. Może być skalista
7. Najstarszy pierwiastek we Wszechświecie
8. Występuje nie tylko na Ziemi
9. Można go znaleźć na Uranie i Neptunie
Dla nauczyciela
Powyższy tekst można wykorzystać na lekcji fizyki w szkole ponadpodstawowej, zarówno w zakresie podstawowym, jak i rozszerzonym do realizacji punktów podstawy programowej związanych z budową Układu Słonecznego oraz ewolucją Wszechświata.
Joanna Borgensztajn
Rozwiązanie krzyżówki: supernowa
