منشا عناصر و پیدایش آنها بر روی زمین

[Jack Daniel'ѕ]

عناصر شیمیایی را می توان از روی منشا و ریشه آنها بر روی کره زمین دسته بندی کرد. از بین عناصر طبیعی ٨٤ عنصر جزو عناصر باستانی طبقه بندی می شوند که پایدار یا پیش از پایدار(ظاهراً پایدار ولی عملاً ناپایدار یا پرتوزا) هستند. ١٤ عنصر طبیعی باقی‌مانده دارای نیمه عمری بسیار کوتاه بوده بحدی که نمی توانسته اند در بدو پیدایش سامانه خورشیدی پدیدار شده باشند. بنابر این از آنها با نام عناصر گذرا یا ناپایدار یاد می شود. از بین این ١٤ عنصر ٧ عنصر یعنی پلونیوم، استاتین، رادون، فرانسیوم، رادیوم، اکتینیوم و پرواکتینیوم محصول واکنش هسته ای توریوم، اورانیوم و پلوتونیوم می باشند. ٧ عنصر دیگر یعنی تکنتیوم، پرومتیوم، نپتونیوم، آمریکیوم، کوریوم، برکلیوم و کالیفرنیوم نیز به ندرت بعنوان محصول باقی ماده از واکنش هسته ای اورانیوم و سایر فلزات سنگین مشاهده می شوند. از عنصر شماره یک تا چهلمین عنصر عناصری پایدار هستند. از عنصر ٤١ تا عنصر ٨٢ به جز تکتونیوم و پرومتیوم در حالت پیش از پایداری قرار دارند. نیمه عمر اینگونه عناصر که به لحاظ نظری هسته-پرتوزا هستند، آنقدر طولانی است ( حداقل صد میلیون برابر سن کائنات)که فروپاشی آن ها بصورت تجربی قابل ردیابی باشد. عناصر با عدد اتمی ٨٣ تا ٩٨ نیز ناپایدار هستند اما نه آنقدر که نتوان واپاشی آنها را ردیابی کرد. برخی از این عناصر به ویژه توریوم (با عدد اتمی ٩٠)و اورانیوم( عدد اتمی ٩٢) یک یا بیش از یک ایزوتوپ دارند که نیمه عمر آنها به اندازه کافی طولانی هست که بتوانند بعنوان باقی‌مانده انفجار سنتز هسته ای ستاره ای که تولید کننده عناصر سنگین پیش از شکل گیری سامانه خورشیدی بود، به بقای خود ادامه دهند. برای مثال در بیش از یک و نه دهم در ده به توان نوزده سال دیگر ( یک میلیارد برابر سن کائنات) بیسموت-٢٠٩ دارای طولانی ترین نیمه عمر واپاشی آلفا شناخته شده در بین تمام عناصر طبیعی خواهد بود. [۹] اماعناصر بسیار سنگین( عناصری با عدد اتمی بیش از ٩٨) دستخوش واپاشی هایی با نیمه عمر انقدر کوتاه می شوند که در طبیعت قابل ردیابی نیست و به همین علت است که این عناصر را باید در آزمایشگاه سنتز کرد.

تنها در حدود ٤% تمام جرم جهان هستی از اتم ها یا یون ها تشکیل شده است. این میزان به اندازه ١٥% کل ماده موجود در جهان است. بنابر این ٨٥% بقیه را ماده تاریک نشکیل داده است. مفهوم ماده تاریک تا کنون برای ما قابل توضیح نبوده است. تنها می دانیم ماده تاریک از عناصر تشکیل نشده است زیرا درون آن پروتون، نوترون و الکترون یافت نمی‌شود. در برابر این میزان ماده تاریک مقداری انرژی تاریک نیز وجود دارد که مفهوم ناشناخته تر دیگری است. همانطور که پیشتر گفته شد عناصر طبیعی موجود در جهان در طول روندهایی شکل گرفته است که آنها را روندهای کیهانی می نامیم.
بیشتر هلیوم و هیدروژن موجود در جهان در دقایق اولیه بیگ بنگ به کمک روند «ترکیب هسته ای نخستین» شکل گرفته است. سه روند دیگر بقیه عناصر موجود را تولید کرده اند. مثلاً ترکیب هسته ای اختری که روندی است که عناصر بعدی تا عنصر آهن را شکل داده اند. البته در طول این پروسه مقداری لیتیوم، برلیوم و بر نیز شکل گرفته است. عناصر سنگین تر از آهن مثلاً اورانیوم و پلوتونیوم توسط ترکیب های هسته ای انفجاری و یا رویدادهای عظیم و ناگهانی کیهانی تشکیل شده اند. پراش اشعه کیهانی کربن، نیتروژن و اکسیژن رویداد مهمی در تولید لیتیوم، برلیم و بر بوده است. در فازهای اولیه بیگ بنگ، ترکیب هسته ای هسته هیدروژن سبب تولید پروتیوم(سبک ترین ایزوتوپ هیدروژن) و هلیوم-٤ شد. علاوه بر آن مقدار کمی دوتریوم (2H ) و مقدار بسیار بسیار ناچیزی لیتیوم و برلیوم تولید شد. احتمال می دهیم که مقدار بسیار کمتری نیز بور در زمان بیگ بنگ تشکیل شده باشد. در نتیجه فراوانی مقدار ابتدایی اتم ها یا یون ها به این شکل بوده است:

٧٥% پروتیوم، ٢٥% 4He. و ٠/٠١% دوتریوم. بعلاوه مقدار بسیار ناچیز از لیتیوم، برلیوم و بر. [۱۰]

پر شدن هاله های کهکشانی از سایر عناصر به وسیله روندهایی به نام ترکیب هسته ای اختری و ترکیب هسته ای سوپرنوا رخ داد.[۱۱] هر چند در فضا عناصر دیگری نیز بوجود آمدند و به فضای بین کهکشانی اصافه شدند اما فراوانی عناصر در فضای بین کهکشانی هم اکنون نیز بسیار شبیه به شرایط نخستین شکل گیری کائنات است.

بر روی زمین وجود عناصر گوناگون حاصل واکنش های طبیعی تبدیل هسته ای است که برخی عناصر را به برخی دیگر تبدیل می کند. در این میان برخی عناصر توسط اشعه کیهانی و یا سایر واکنش های هسته ای و برخی نیز بر اثر واپاشی هسته ای هسته های عناصر نخستین پدید می آیند.[۱۲]

برای مثال کرین-١٤ که در مقادیر بسیار کم (اما قابل ردیابی) یافت می شود در اتمسفر دائماً توسط برخورد اشعه کیهانی با اتم های نیتروژن تولید می شود. آرگون-٤٠ نیز بطور مداوم از واپاشی اتم های عنصر نخستین ولی ناپایدار پتاسیم-٤٠ (40K) در حال تولید است. همچنین سه آکتینید نخستین و پرتوزای توریوم، اورانیوم و پلوتونیوم با واپاشی خود عناصری باز تولید شونده ولی ناپایدار مانند رادیوم و رادون را تولید می کنند که در هر نمونه از سنگ معدن آنها به شکل بسیار ناپایدار به چشم می خورد. هفت عنصر پرتو زا دیگر یعنی تکتونیوم، پرومتیوم، نپتونیوم، آمریکیوم، کوریوم، برکلیوم و کالیفرنیوم تنها بصورت اتفاقی در مواد طبیعی و بصورت اتم های منفرد مشاهده شده و توسط شکافت هسته ای عناصر سنگین و یا دیگر واکنش های هسته ای کم یاب تولید می شوند.