Waar komen de elementen uit het periodiek systeem vandaan?

Een van de grote prestaties van de moderne wetenschap is dat we begrijpen hoe de wereld rondom ons is opgebouwd. Of toch ten dele. Want er is natuurlijk het grote vraagstuk van de donkere materie in het heelal. En of dat dit nog niet mysterieus genoeg is, is er ook het vraagstuk van de donkere energie. Volgens ons huidige begrip van het universum zijn donkere materie en donkere energie goed voor respectievelijk 26,8 en 68,3 procent van de inhoud van het heelal. Blijft over: 4,9 procent.

 

 

Copyright afbeelding: CERN

 

Maar die 4,9 procent is wel verantwoordelijk voor alle sterren en sterrenstelsels, voor alle gas en stof tussen de sterren, voor zwarte gaten en planeten, voor kometen, enzovoort. En ook voor al wat wij kennen en zijn op onze Aarde: rotsen en zeeën, wolken, planten en dieren, lekkere pastaschotels, schilderijen van Van Gogh, onze vrienden en familie, voor alle mensen die ooit geleefd hebben op Aarde. En dus ook voor onszelf.

Neem een doorsnee menselijk lichaam:

 

 

Copyright afbeelding: Volkssterrenwacht MIRA

 

Fijn dat we dit allemaal weten. En dit inzicht biedt de mogelijkheid om eens op een andere manier naar onszelf en naar onze medemens te kijken.

 

Sterrenstof

Er wordt ook gezegd dat wij gemaakt zijn van sterrenstof. Wat men daarmee bedoelt is dat de verschillende elementen waaruit een menselijk lichaam is opgebouwd hun oorsprong vinden in sterren.

Voor sommigen klinkt dit misschien ongelooflijk, toch zijn diegenen die kennis hebben van wetenschap en sterrenkunde op de hoogte van het feit dat het werkingsprincipe van sterren stoelt op kernfusie en dat dus, beginnend bij waterstof, sterren steeds zwaardere deeltjes aanmaken. Tot de fusie abrupt stopt in de sterkern eens daar ijzer wordt gevormd.

In het periodiek systeem der elementen (de zogenaamde tabel van Mendelejev) is ijzer evenwel slechts element 26, en in de natuur komen er maar liefst 92 elementen voor. Bovendien telt het actuele periodiek systeem zowaar 118 verschillende chemische elementen.

Waar komen die andere elementen dan vandaan? Daarvoor moeten we een kijkje nemen wat er zich zoal allemaal afspeelt bij exploderende sterren (supernovae) of steruitbarstingen (novae). Bij dergelijke ‘catastrofale’ gebeurtenissen vinden nucleaire reacties plaats in een heel korte tijdspanne bij ongemeen hoge temperaturen en materiedichtheden. Onder deze extreme omstandigheden zijn andere kernreacties mogelijk dan in het ‘gewone’ inwendige van sterren.

Bovendien zal een deel van de nieuw gevormde materie nadien niet stabiel zijn en verder verval kennen, zodat er via een aantal complexe processen waarbij vrijgekomen neutronen en in mindere mate protonen worden ingevangen steeds andere elementen kunnen ontstaan. Tot de gevormde elementen een toestand van evenwicht bereiken.

 

Big Bang en kosmische straling

De allereerste vorming van elementen vond plaats een minieme fractie van een seconde na de Big Bang. Tijdens de eerst drie minuten van het heelal speelden bijna alle kernreacties zich af waarbij 77% waterstof en 23% helium gevormd werd. En ook een onnoemlijk kleine hoeveelheid lithium en beryllium. Waarbij dat beryllium niet stabiel was en vrij snel verviel tot lithium.

Voor het ontstaan van de lichte elementen lithium, beryllium en boor is er een ander mechanisme verantwoordelijk, namelijk splitsing ten gevolge van kosmische straling.

 

Als we dan alle bevindingen samenvoegen komen we tot onderstaande tabel:

 

 

Copyright afbeelding: Jennifer Johnson

 

Elementen voorbij uranium

Elementen zwaarder dan uranium (element nummer 92) worden in de natuur niet aangetroffen. Het is niet onmogelijk dat ze ooit wel hebben bestaan, maar met een halfwaardetijd die veel korter is dan de leeftijd van de Aarde zijn ze allang verdwenen.

Ze kunnen via kernreacties wel kunstmatig aangemaakt worden, maar het betreft instabiele elementen die vrijwel meteen na hun creatie vervallen.

 

Boek over nucleosynthese

De vorming der elementen wordt in wetenschappelijk jargon nucleosynthese genoemd. In de loop van 2022 verscheen bij de Vereniging Voor Sterrenkunde het gelijknamige boek Nucleosynthese, met als ondertitel Het ontstaan van de elementen in het heelal.

Het is een boeiende, verhelderende en leesbare publicatie van de hand van doctor in de astrofysica Claude Doom die terecht een plaats verdient in de wetenschappelijke bibliotheek van hen die graag diepere kennis opdoen over de fundamenten van de natuur en over de stof waaruit ook wij, mensen zijn opgebouwd.

 

Francis Meeus, januari 2023