Skąd się wzięły pierwiastki?

Dzisiaj wydaje się to trywialne, ale kiedyś — nim powstała fizyka jądrowa — bolączką astronomów było ustalenie skąd się wzięło obserwowane we Wszechświecie jedyne w swoim rodzaju rozpowszechnienie pierwiastków. Jedne pierwiastki są wszechobecne, inne rzadsze, a jeszcze inne występują w śladowych ilościach:


Rozpowszechnienie wybranych pierwiastków
Autor ilustr.: Andrzej Karoń
Na podstawie: Encyklopedia Geograficzna Świata VIII: WSZECHŚWIAT, Wyd. OPRES Kraków 1997.



Na schemacie powyżej, można z łatwością zauważyć, że najwięcej we Wszechświecie jest wodoru (H) i helu (He). Pozostałe pierwiastki występują dużo rzadziej! Po lewej stronie jest narysowany fragment schematu w skali liniowej. Na osi załapał się tylko H i He, a pozostałe pierwiastki w tej skali oscylują w okolicach "0". By móc je zatem zobaczyć, musimy zmienić skalę na...

...logarytmiczną (prawa strona). Przyjęto za podstawę obfitości bilion atomów wodoru. Obfitość cięższych od H i He pierwiastków aż do żelaza, udało się wytłumaczyć powstaniem określonej ich ilości w reakcjach termojądrowych wewnątrz gwiazd. Małą stosunkowo obfitość litu i berylu tłumaczy to, że te pierwiastki wewnątrz gwiazd łatwo rozpadają się na dwa atomy helu.


Pierwiastki cięższe od żelaza powstały już tylko podczas wybuchów supernowych i stąd się bierze ich mniejsza obfitość od pierwiastków pochodzących z pierwotnej syntezy w chwilkę po Wielkim Wybuchu.



CZY ISTNIEJĄ GDZIEŚ NIEZNANE PIERWIASTKI?


Na to pytanie zna już odpowiedź Fizyka Jądrowa, a brzmi ono...

TAK



W chwili Wybuchu Supernowej powstaje wiele izotopów różnych pierwiastków, nawet cięższych od Ołowiu. Właśnie tym sposobem powstał występujący na Ziemi uran i tor — ten pierwszy jest powszechnie wykorzystywany w dzisiejszych reaktorach jądrowych, ten drugi brany jest za jego następcę w reaktorach jądrowych w niedalekiej przyszłości.

Prócz długożyciowego uranu i toru mogą powstawać też krótkożyciowe izotopy cięższych od nich pierwiastków, np.:
93Np, 94Pu, 95Am, 96Cm, 97Bk, 98Cf, 99Es, 100Fm, 101Md, 102No, 103Lr, 104Rf, 105Db, 106Sg, 107Bh, 108Hs, 109Mt, 110Ds, 111Rg, 112Uub, 113Uut, 114Uuq, 115Uup, 116Uuh, 117Uus, 118Uuo.
(19 trasuranowców nazwanych, 7 trasuranowców z tymczasową nazwą: "Uxx")

W oparciu o nasza obecną wiedzę możemy przypuszczać, że może zaistnieć około 137 pierwiastków — cięższe najprawdopodobniej nie istnieją z uwagi na pewne prawa fizyki kwantowej (model atomu Bohra oraz Równanie Diraca załamują się przy Z>137). O ile utrzymane zostanie obecne tempo badań, poznamy je wszystkie prawdopodobnie około 2040 roku.



CZY ISTNIEJĄ NA ZIEMI NIEZNANE PIERWIASTKI?


Na to pytanie również zna odpowiedź Fizyka Jądrowa, a brzmi ono...

(jak dotąd) NIE



Wszystkie dziś odkryte super-cięzkie pierwiastki są izotopami krótkożyciowymi. Ich jądra zawierające nawety sto i więcej protonów i prawie dwa razy tyle neutronów są tak niestabilne, że albo ulegają przemianom promieniotwórczym w lżejsze izotopy, albo po prostu samoistnie się rozszczepiają na fragmenty (zjawisko SF — Spontaneus Fission).


Inna sprawa — wbrew powszechnej opinii — WIĘKSZOŚĆ izotopów promieniotwórczych jest bardzo krótkożyciowych lub krótkożyciowych, a tylko niewielka ich część istnieje lata, wieki, czy tysiąclecia...

Dziś znamy >3000 izotopów. W oparciu o nasza obecną wiedzę możemy przypuszczać, że może istnieć ~5000 izotopów. Poznamy je wszystkie prawdopodobnie około 2050 roku.


Okres połowicznego rozpadu w sekundach 3475 znanych izotopów (1)
opracowanych na podstawie NuDat 2.3 (http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/).
Autor ilustr.: Andrzej Karoń




Warto zauważyć jaka OGROMNA ROZPIĘTOŚĆ może być okresów połowicznego rozpadów, różnych izotopów: toż to ponad 30. rzędów wielkości!


Okres połowicznego rozpadu w sekundach 3475 znanych izotopów (2)
(opracowanych na podstawie ibid.).
Autor ilustr.: Andrzej Karoń

 

Na stronie Decay Chain Explorer, można zapoznać się z podstawowymi wiadomościami na temat szeregów promieniotwórczych izotopów nietrwałych pierwiastków o Z>82, tj.  większym od ołowiu.

 

To i owo o Technecie:
D.Mendelejew przewidział istnienie pierwiastka o Z=43, na podstawie luki w swoim układzie okresowym. W 1937 E.Segrè oraz C.Perriera otrzymał go w sposób sztuczny, bombardując deuterem (2-H) jeden ze stabilnych izotopów molibdenu, otrzymując Technet — a w reakcji emitowany był jeszcze  neutron:

96-Mo  (d, n)  97-Tc

Stąd wzięła się też nazwa tego pierwiastka Technetium. Można go otrzymać też jako jeden z produktów rozszczepienia uranu/plutonu, bądź przez oddziaływanie neutronami na molibden:

98-Mo  (n, γ99-Mo  β-> 99m-Tc (88%) γ> 99-Tc (12%)

Metastabilny izomer jądrowy 99m-Tc jest dziś powszechnie używany w diagnostyce medycznej.

 

W 1952 roku astronom Paul W. Merrill wykrył widmo technetu (w szczególności linie widmowe o długości fali: 4031 Å, 4238 Å, 4262 Å i 4297 Å) w świetle gwiazd czerwonych olbrzymów typu S. Dowiodło to wówczas niesprawdzonych teorii, że w gwiazdach występuje nukleosyntezy cięższych pierwiastków...

Jeden z artykułów na ten temat:

T. Lebzelter, J. Hron
"Technetium and the third dredge up in AGB stars. I. Field stars",
Astron.Astrophys.411:533-542,2003

 

 



Oprac.:
Andrzej Karoń