Varifrån kommer grundämnena på jorden och i universum? Tom Lönnroth Institutionen för fysik, Åbo Akademi, Finland

Varifrån kommer grundämnena på jorden och i universum? Tom Lönnroth Institutionen för fysik, Åbo Akademi, Finland Finlandssvenska fysikdagarna 2009 m/s Silja Symphony, November 13-15

Sammandrag Begynnelsen: Big Bang Urknallen Energi blir materia Galaxer bildas dom består av gas och stjärnor Stjärnorna lever, utvecklas och dör Nya stjärnor/solar med solsystem bildas

1. Big Bang Urknallen Man tror i stort sett helt idag på att Big Bang gick på för cirka 13,7 miljarder år sedan, och bildade därmed vårt universum. Man har givetvis ingen ide om varifrån det kom, men en rimligt god uppfattning om dess tillstånd. I början, c. 10 43 s efter smällen, var det fråga om ett kvantkaos, ett tillstånd av energi... Eftersom det är fråga om ett moln som expanderar, så kallnar det och dess lokala energi sjunker Så småningom bildas materia i form av partiklar, protoner och neutroner, enligt det kända E = mc 2, eller egentligen m = E/c 2

Scenario Tid (s) Temp. (K) Dens. (g/cm 3 ) Tillstånd Era 0 Planckepoken 10 43 Big Bang 10 36 10 28 Inflationsepoken 2 10 6 10 20 Nukl.annihil. Hadronepoken 2 10 4 10 10 2 10 9 1 200 10 7 n+p kärnor Big Bang kärnsyntes 10 14 5 10 3 10 20 Atomer bildas Rekombination 2 10 17 Första stjärnorna 10 18 2.7 10 30 Tomt universum Idag

2. Energi blir materia Energi kan alltså materialiseras enligt m = E/c 2. De lättaste (stabila) partiklarna är neutron n (massa=939 MeV), proton p (938 MeV) och elektron e 0,5 MeV. Neutronen är instabil, halveringstid c. 10 min. OM massenergin understiger c. 1 GeV, så kan p och n materialiseras till riktiga partiklar (elektroner och positroner bildas och annihileras). Protonen bildar ju vätekärnan p, och tillsammans med n deuteronen d (pn), den är dock svagt bunden, c. 2,25 MeV, och slås lätt sönder. Vidare kan 2p + 2n bilda α-partikeln, starkt bunden, c. 25 MeV. Antimateria då, var finns den? T Y E +q q, p+ p, E +e e och E + m m! Laddningen bevaras ju!

3. Å atomer bildas Å rymden expanderar och glesnar, och vi hinner ännu göra 3p3n och 3p4n, litium. Därefter blir den för gles för ytterligare nukleonsammanslagning. Sedan sjunker temperaturen (energin) ytterligare och elektroner kan bindas till de existerande atomkärnorna. Så vi kan bilda neutrala atomer, lika många p som e existerade. Universum är nu en neutral gas. Big Bang och hela denna invecklade mekanism bildade alltså de tre första elementen, med isotoper: 1 H, 2 H(0,15%), 4 He och 3 He(0.00014%), samt 6 Li(7,2%) och 7 Li(92,4%) litium c.10 10 av H+He. He va he!!! Universum består till 80% av 1 H och 20% 4 He!!

4. Å se n då? Det expanderande Universum H-He-gasen! är inte helt homogen, den bildar klumpar p.g.a. lokal självgravitation. Rotationen gör att klumparna blir platta, dom bildar Galaxer. Man kan också ha galaxhopar, och inom galaxerna stjärnhopar, och olika andra konstellationer. Men allting är ju väte H (80%) och helium He (20%), samt pyttelitet Li (10 12 %)!!?? DOCK, vad sker I stjärnorna,... som till en början är... H och He...??

5. En stjärnas utveckling Ett partiellt gasmoln i en galax är inte helt homogent, utan krymper samman till en gasboll. Bollen komprimeras under självgravitation, och energin frigörs i form av värme gasmolnet varmnar! När bollen nått en temperatur om typiskt 15 miljoner grader, solens centrumtemperatur, så kan fusionsreaktioner sätta in, dvs. sammanslagning av atomkärnor (p och α...) EM repulsion kan övervinnas! Vid fusionsprocesser frigörs relativt stora mängder energi ( och det är därför man är intresserad av dem även här på jorden... )

5.1 De lätta elementen Vilka reaktioner kan vi ha?: p+p 2 He, ytterst instabel, halveringstid okänt kort p+α 5 Li, T 1/2 = 4 10 22 s, + större EM repulsion. α + α 8 Be, men ännu större EM OCH T 1/2 = 7 10 17 s Så de va de!! DOCK, vi talar ovan implicit om STARK växelverkan, vi har ju även SVAG växelverkan (WI) beta-sönderfallets kraft. Vad kan den göra? Svag betyder här att reaktionerna går långsamt hur långsamt, och vaddå?

5.1.1 Processer i *, PP-cykler p+p 2 H + e + + ν e KAN gå via WI, om än långsamt, durationen vid 15 mio K är 8 10 9 år!! Sedan kan vi ha reaktionen p+ 2 H 3 He, samt vidare via 7 Li och 7 Be α + α, ALLTSÅ vi producerar helium (nästan endast, samt litet 7 Li). Sedan sjunker produktionsraten, gravitationens kompression tar vid, och ytterligare öka temperaturen. Och då kan reaktionen 4 He + 4 He, α + α, ta vid. Men 8 Be var ju mycket instabilt!! Det visar sig dock tillräckligt långlivat för att göra reaktionen 8 Be+α 12 C!! Nu börjar det löpa!!

5.1.2 Proc. i *, CNO-cykler Vid åter ökande temperatur, T 100 mio K, tar den sk. CNO-cykeln vid. Den är mest p-infång på 12 C, p+ 12 C 13 N och dess närmaste tyngre grannar (p in och β/γ ut): 13 N 13 C + e + + ν e, p+ 13 C 14 N p+ 14 N 15 O... p+ 15 N 16 O, och slutligen p+ 17 O 14 N + 4 He. I CNO-(bi)cykeln producerar vi alltså följande element med isotoper: 13 C, 14,15 N och 16,17,18 O, vilka finns i naturen, men...

5.2 De tyngre elementen Raten i PP- och CNO-cyklerna minskar då vi förbränner väte, gravitation tar vid, och temperaturen stiger: Vi kan börja förbränna helium, T 700 mio K. I motsats till vissa delprocesser i PP- och CNO-cyklerna sker heliumförbränningen helt via stark växelverkan den är snabb! Vi har alltså alfa/helium-infångningsprocesser såsom: 12 C + α 16 O, 16 O + α 20 Ne, 20 Ne + α 24 Mg, 24 Mg + α 28 Si, vilka alla ger rikligt förekommande element/isotoper. Dessutom har vi processer av typ A(α, p)b, som ger udda element: 19 F, 23 Na, 27 Al,...

5.3 Järntoppen De nämnda fusionsreaktionerna går vidare, men så småningom minskar energin per reaktion tills vi når massområdet A 60, den sk. järntoppen. Området kallas så av två orsaker: 1. Efter Fe kan vi inte längre utvinna energi ur fusion, 2. Järn är, frånsett de lättaste elementen, det rikligast förekommande grundämnet! Innan vi når A 60 har vi ett ytterligare fenomen: reaktioner av typ A X(α, n) B Y, vilka producerar neutroner, som har en livstid om 10 min långlivade!!. Neutronerna kan tränga in i alla atomkärnor, ty dom är ju oladdade!

5.4 De tyngre/-sta elementen Genom neutroninfång, A X(n, γ) A+1 X producerar vi successivt tyngre isotoper, som sedan β -sönderfaller. Vi kommer att sick-sacka till höger om stabilitetslinjen: neutroninfånget ökar massan, och β -sönderfallet ökar Z värdet vi bygger upp allt tyngre element. Parallellt med detta scenario trycker gravitationen alltmer ihop stjärnan, och temperaturen ökar och reaktionernas (sick-sack)-hastighet ökar. Ända upp till bly, isotopen 208 Pb, har vi en räcka stabila element med ordningstalen Z = 28 Z = 82.

6. Elementens förekomst Var slutar denna sick-sack-process? Det vet ingen, men den fortskrider åtminstone till thorium och uran, som bevisligen finns i naturen, 232 Th och 235,238 U. Vaddå i naturen, våra processer har ju skett i stjärnorna? Stjärnimplosionen slutar med att materien uppnår atomkärnans densitet, och vi får en studs, som tar sig uttryck som för liten/mellan/stor stjärna: en novaexplosion som spyr ut ett materieskal en supernovaexplosion som spyr ut ett megaskal ett svart hål, materien kollapsar totalt.

Vi har nu de element i universum som vi annars också känner till. Felet är bara det att vi hade vid starten H och He, och i PP- och CNO-cycklerna producerade vi mest He, samt nog en riktig fördelning av t.ex. 20 Ne, 24 Mg, 32 S, osv. Samt udda element: 19 F, 27 Al, 31 P och 35 Cl. Vidare, neutroninfången + β -sönderfallen gav oss alla de tyngre elementen, ända till Th och U. Neutroninfången ger även isotoper: 21,22 Ne, 25,26 Mg, 29,30 Si, osv. Och dom hamnade ut i tomma rymden!!

7. Planetsystem Vi vet alla att vi lever på jorden, som är en av planeterna kring solen. Därmed bör planetsystemet ha bildats!!! OCH det har bildats av annat än Big Bang H+He-gasen! Ty det innehåller en helt annan elementsammansättning (är det så?) Vad vi känner till av födsel och ohejdad vana är alltså följande elementsammansättning: =

Hela solsystemet är alltså det som undergick en (minst) andra generationens gravitationskoncentration till en stjärna. Förhållande solmassa/jordmassa är M sol /M jord = 3.3 10 5 och tar vi det relativa talet för väte, H, på jorden och multiplicerar får vi 10 12, alltså Big Bang vätet! Solsystemet HAR i stort sett den kosmiska kemiska sammansättningen, vi har vuxit upp fel. Däremot är dessa pyttesmå mineralhalter avgörande viktiga för oss!

8. Sammanfattning Universum uppkom i Big Bang, och i den producerades elementen H och He, samt (mycket) små andelar av Li. Materialet, en H-He-gas, koncentrerades i galaxhopar och galaxer, som består av stjärnor och interstellär gas. Gasen koncentreras till stjärnor som blir långlivade, typiskt miljarder år, eftersom den primära energiproduktionen i PP-cyklerna baserar sig på svag växelverkan. Detta räddar stjärnornas existens! Stjärnorna genomgår fusionsprocesser i PP- och CNO-cyklerna, vilka producerar He + vissa lätta element, såsom C, N och O.

Sammanfattning (forts.) Med stigande temperatur (gravitationskompression) börjar även He-förbränningen, och även tyngre fusion. Fusionen slutar vid järntoppen A 60. I de tyngre elementens fusion tävlar även rektionerna A(α, p)b och A(α, n)b. De ger de udda elementen, och den andra även ett neutronflöde. Neutronerna är oladdade och kan tränga in var som helst och en vid höga temperaturer stark process blir upprepat neutroninfång, följt av β -sönderfall. Vi sick-sackar upp till de tyngsta elementen: Pb (stabil), Th och U. (Superheavies??)

Sammanfattning (forts.) Nu har stjärnan (volymmässigt) näranog kollapsat, och vi får en jättestuds, som ger en: novaexplosion för vanliga stjärnor, ex. vår sol supernovaexplosion för tyngre stjärnor, och en kollaps till ett svart hål för övertunga stjärnor. Nova- och supernovaexplosionerna spyr ut de bildade elementen i den omgivande rymden. Vid en andra generationens (eller högre) gravitationssammandragning bildas en ny stjärna (ex. vår sol) och kring den kan bildas ett planetsystem, som av kemiska orsaker innehåller de tyngre elementen.

OCH DÄRMED... Vår jord är ett exempel på en dylik planet. Den innehåller alla de element vi är vana vid, men De är ytterst ovanliga (i medeltal) i Universum! Men vi är ju nöjda med det!! TACK FÖR INTRESSET!