Historia pierwiastków chemicznych - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy zagadnienia powstawania pierwiastków w naturze. Zapoznaj się również z: Historia odkryć pierwiastków chemicznych.

Historia pierwiastków – dzieje zmian chemicznego składu „zwykłej materii”, od ery promieniowania (jądra wodoru i helu) do współczesnego Wszechświata – z dzisiejszym zróżnicowaniem gęstości materii oraz zawartości poszczególnych pierwiastków chemicznych.

Niestabilność Jeansa – proces, który prowadzi do zapadania grawitacyjnego obłoków materii i formowania się gromad galaktyk, galaktyk, gwiazd, itp. Niestabilność zachodzi w przypadku, kiedy obłok gazu nie jest w stanie zachować równowagi hydrostatycznej, którą określa wzór:
Zapadanie grawitacyjne (kolaps) - zjawisko kurczenia się skupisk materii pod wpływem siły grawitacji. Jeden z najbardziej powszechnych procesów zachodzących we Wszechświecie w najróżniejszych skalach przestrzennych i czasowych, począwszy od formowania się gromad galaktyk, galaktyk, a skończywszy na narodzinach, ewolucji i śmierci gwiazd. Zapadanie obłoków gazu zachodzi, gdy nie jest możliwe zachowanie równowagi hydrostatycznej, tzn. kiedy ciśnienie całkowite gazu nie jest w stanie zrównoważyć oddziaływań grawitacyjnych. Stan taki osiągany jest przez dowolne skupisko materii, które przekroczy masę krytyczną, zwaną masą Jeansa.

Model i etapy ewolucji Wszechświata

Jeszcze w końcu XIX wieku uważano, że najmniejszymi, niepodzielnymi cząstkami materii są atomy, nazwane tak w Starożytności przez Demokryta. Na początku XX wieku stwierdzono, że atom jest podzielny, a za niepodzielne cząstki elementarne uznano składniki jądra atomowego (protony i neutrony) oraz elektrony, krążące wokół jądra (zobacz – model atomu Bohra). Wprowadzono też pojęcie czwartej cząstki elementarnej – fotonu (Gilbert Newton Lewis, 1926) – „przewoźnika energii promienistej”.

Uraninit – minerał z gromady tlenków. Należy do minerałów rzadkich. Nazwa pochodzi od składnika uranu. Badania tego minerału doprowadziły Marię Skłodowską-Curie do odkrycia polonu i radu, za co otrzymała w 1911 r. drugą Nagrodę Nobla.
Sinice, cyjanofity, cyjanobakterie, cyjanoprokariota (Cyanobacteria) – gromada organizmów samożywnych, dawniej uznawanych za rośliny, według nowszej taksonomii zaliczanych do Procaryota (prokarioty, królestwo bakterii). Nazwa tradycyjna Cyanophyta (końcówka -phyta – roślina), stosowana w taksonomii wcześniejszej, kładzie nacisk na te właściwości, które upodabniają sinice do organizmów roślinnych – zdolność do tlenowej fotosyntezy oraz obecność chlorofilu. To podobieństwo jest o tyle naturalne, że chloroplasty roślin powstały w wyniku endosymbiozy z sinicami – są po prostu uwstecznionymi sinicami.

Od lat 70. XX wieku za cząstki elementarne uznaje się 12 rodzajów fermionów (6 kwarków i 6 leptonów) oraz 12 bozonów cechowania, przenoszących oddziaływania. Jest to oparte na teorii Wielkiego Wybuchu i Modelu Standardowym ewoluującego Wszechświata. Zgodnie z tymi teoriami elementy struktury pierwszych atomów zaczęły powstawać w plazmie kwarkowo-gluonowej po jej ochłodzeniu do temperatury 3·10 K, gdy od Wielkiego Wybuchu minęło 10 sekundy. Była już wtedy zakończona anihilacja, zachodząca w wyniku licznych zderzeń cząstek z antycząstkami, po której pozostał nadmiar cząstek, przede wszystkim protony (jądra atomów wodoru, do dzisiaj dominującego we Wszechświecie) i neutrony. Wiązanie protonów z neutronami prowadziło do powstania jąder helu. Jądra innych znanych pierwiastków powstawały z tych samych nukleonów w kolejnych erach ewolucji Wszechświata – niemal wszystkie dopiero po powstaniu gwiazd, w wyniku reakcji termojądrowych („spalanie” w gwiazdach) oraz w czasie wybuchów supernowych.

Akrecja – w astronomii terminem tym określa się opadanie rozproszonej materii na powierzchnię ciała niebieskiego w wyniku działania grawitacji. Zjawisku temu może towarzyszyć wydzielanie dużej ilości energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego, gdy opadająca materia wyświeca część utraconej grawitacyjnej energii potencjalnej. Szczególnie widowiskowa jest akrecja na obiekty zwarte – białe karły, gwiazdy neutronowe czy czarne dziury. Uważa się, że mechanizmem "zasilającym" aktywne jądra galaktyk jest właśnie akrecja materii na supermasywną czarną dziurę.
Galaktyka (z gr. γαλα – mleko) – duży, grawitacyjnie związany układ gwiazd, pyłu i gazu międzygwiazdowego oraz niewidocznej ciemnej materii. Typowa galaktyka zawiera od 107do 1012 gwiazd, orbitujących wokół środka swojej masy.

Pierwiastki chemiczne, to zbiory wszystkich atomów z jednakową liczbą (Z) protonów w jądrach, które są otoczone chmurą Z elektronów. W układzie okresowym uporządkowano je według Z.

Ilości pierwiastków we Wszechświecie są bardzo zróżnicowane. Pierwiastkiem dominującym jest wodór, a ilość głównych pierwiastków Ziemi – tlenu i krzemu – jest tysiące razy mniejsza.

Historię pierwiastków wyjaśnia Model Standardowy – model ewoluującego Wszechświata, opisujący jego budowę z 12 fermionów oraz 12 bozonów cechowania, przenośników oddziaływań.

Układ planetarny - planety i inne ciała niebieskie, krążące wokół wspólnego centrum masy, zazwyczaj położonego wewnątrz gwiazdy. System planetarny, w którym znajduje się Ziemia nazywamy Układem Słonecznym.
Sial – dawna nazwa warstwy wyróżnianej w obrębie skorupy ziemskiej. Współcześnie częściej nazywana warstwą granitową. Sial stanowi najbardziej zewnętrzną warstwę skorupy ziemskiej tworząc kontynenty. Jego gęstość wynosi 2,7 g/cm³. Główne pierwiastki budujące warstwę to krzem (Si) i glin (Al). Wraz ze wzrostem głębokości sial przechodzi stopniowo w gęstszą simę (obecnie nazywaną warstwą bazaltową). Umowną granicą gęstości jest nieciągłość Conrada określona dla średniej gęstości 2,8 g/cm³.

Budowa protonu
2 u + d → p

W trwającym ok. 13,5 mld lat okresie ewolucji struktury Wszechświata – powstawania galaktyk, ich gromad, supergromad, wielkich ścian (np. Wielka Ściana, Wielka Ściana Sloan) – wyróżnia się m.in. następujące wydarzenia, zachodzące w kolejnych dekadach kosmologicznych:

Metale – w astronomii: pierwiastki o liczbie atomowej większej niż 2 (czyli wszystkie oprócz wodoru i helu). Pierwiastki cięższe od helu zostały wytworzone w procesach nukleosyntezy zachodzących we wnętrzu gwiazd, w odróżnieniu od powstałych we wczesnym Wszechświecie wodoru i helu. Łącznie stanowią one około 2% masy materii barionowej Wszechświata.
Pirokseny – grupa bardzo rozpowszechnionych minerałów skałotwórczych o strukturze wewnętrznej odpowiadającej krzemianom łańcuchowym i ogólnym wzorze:

Era pierwotna η = -12,5 – kwarki wiążą się w hadrony (era promieniowania), η = -6 – powstanie jąder pierwszych lekkich pierwiastków (nukleosynteza), η = 4 – początek dominacji energii materii nad promieniowaniem, η = 5,5 – elektrony i protony tworzą atomy (rekombinacja), Era gwiazdowa η = 6 – koniec Wieków Ciemnych, powstanie pierwszych gwiazd, czyli początek: – produkcji pierwiastków cięższych od He w reakcjach termojądrowych, – ewolucji gwiazd, prowadzącej m.in. do wybuchów supernowych i syntez pierwiastków cięższych od Fe, η = 9 – powstanie Drogi Mlecznej, η = 9,5 – powstanie Układu Słonecznego.

Poza powstawaniem materii zbudowanej z atomów, we Wszechświecie istnieją liczne inne elementy struktury,o różnej wielkości, zbudowane z różnych rodzajów cząstek elementarnych i powstające w rozmaitych warunkach (np. gwiazdy neutronowe, czarne dziury, ciemna materia) – materia, która jest przedmiotem zainteresowania fizyków i kosmologów, nie przypominająca materii zwykłej.

Oliwiny – grupa minerałów zaliczana do krzemianów. Mają zazwyczaj barwę zieloną w odcieniach, ale też brązową, czarną a wyjątkowo są białe lub bezbarwne.
Wszechświat – wszystko, co fizycznie istnieje: cała przestrzeń, czas, wszystkie formy materii i energii oraz prawa fizyki i stałe fizyczne określające ich zachowanie. Słowo "wszechświat" może być też używane w innych kontekstach, jako synonim słów kosmos (w rozumieniu filozofii), świat czy Natura. Natomiast w naukach ścisłych słowa wszechświat i kosmos są równoważne.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)