Praotec a pramatka chemických prvků (vesmírná alchymie 1/6)

To, čemu říkáme hmota, tvoří jen asi 4 procenta vesmíru. Přesto je hmota různorodá a pestrá. Odkud se berou různé chemické prvky, a proč jsou zrovna takové, jaké jsou? (délka blogu 8 min.)

Všechno, co vidíme kolem sebe, je jen uskupením různě poskládaných částic. Jak spolu tyto částice reagují a proč to dělají, tím se zabývá věda, které říkáme chemie. Je až neuvěřitelně obsažná, takže se musí dělit do několika odvětví. Prohlédněme si tu její část, která se drží za ruku své starší sestry, fyziky.

Vesmírná chemická inventura

Ve vesmíru existují dva různé druhy hmoty. Jednu z nich registrujeme přístroji. Její projevy vidíme na vlastní oči – září nebo záření odráží.

Ta druhá vidět není. Na její přítomnost poukazuje jen gravitace, kterou působí na své okolí. Není jí přitom vůbec málo – zdá se, že této temné (průsvitné) hmoty je ve vesmíru šestkrát více, než té běžné, kterou vidíme kolem sebe. O průsvitné hmotě nemáme logicky moc informací – nejsme si ani jistí, co je její podstata a z čeho se vlastně skládá.

U viditelné hmoty je tomu naštěstí jinak. Víme, jak vznikla a jak se v minulosti vyvíjela. Hmota totiž zdaleka není tak neměnná, jak se na první pohled zdá. Jednotlivé chemické prvky se umí transformovat z jednoho na druhý – podobně, jako o tom snili dávní alchymisté.

Někdejší alchymie je dnes vnímána jako pavěda – ve skutečnosti byla jen předchůdcem dnešní chemie. V oné době, kdy dokonce i fyzika byla pouhým teenagerem, byla chemie (alchymie) ještě v plenkách. Není divu, že tehdy neslavila moc úspěchů. Alchymisté teprve objevovali základní vlastnosti hmoty a dokonalý systém, kterým se řídí celý vesmír. A tak se snažili například vyrábět zlato z olova.

Jak pošetilé! Dnes víme, že je k tomu potřeba … železo.

Pojďme se podívat na fascinující systém, který vysvětluje, proč je ve vesmíru právě tolik prvků, kolik jich pozorujeme a proč jsou tam, kde je nacházíme. Pojďme se podívat, jak vznikal systém, který poskytl základní kameny našeho světa.  

Odpověď je … 92

Ve vesmíru existuje 92 prvků. Pokud tedy počítáme ty, které jsou stabilní. Stabilní je přitom jen relativní pojem. Většina prvků se totiž vyskytuje ve formě různých modifikací - izotopů (lišící se počtem jednoho druhu částic, neutronů, ve svých jádrech).

Kdybych měla hledat přirovnání k životu lidí, přirovnala bych izotopy k sourozencům. Všichni sice pocházejí ze stejné rodiny, každý je ale jiný. Právě mezi izotopovými sourozenci se může sem tam najít černá ovce, která stabilní není a má tendenci se rozpadat za vzniku jiného prvku.

Těchto 92 „rodin“ osídluje každou pomyslnou vesmírnou osadu. Nacházely se ve hmotě, ze které kdysi vznikla naše Sluneční soustava. Stejně tak se tyto prvky nacházejí všude ve vesmíru. Odkud to víme? Vesmír se chová podle určitých základních principů. Všude probíhá transformace hmoty podobným způsobem – a na konkrétní lokalitě to nezávisí.

Praotec a pramatka

Jedinými skutečnými vesmírnými „domorodci“ jsou vodík a helium (a malá část beryllia a lithia). Vodíku je ve vesmíru zhruba 75%, helia je daleko méně, kolem 25%. Na ostatní prvky připadá úloha příměsi, která špiní směs obou výše zmíněných prvků. 

Helium a vodík vznikly procesem, jehož jméno zní tak trochu jako ošklivá nemoc: primordiální nukleosystézou. Ta probíhala zlomek vteřiny po Velkém třesku. Částice, kterým říkáme kvarky, se předtím nacházely ve formě plazmatu. Díky snižující se teplotě vesmíru se v určitém momentu mohly kvarky „vykrystalizovat“, spojit se do trojic a vytvořit tak částice hmoty – protony a neutrony. Jsou to právě protony, které se později spojily s volnými elektrony, které tvoří atom vodíku.

To také vysvětluje, proč je vodíku ve vesmíru naprostá většina – je to prvek s nejjednodušší vnitřní strukturou. Obsahuje jen jeden proton, kolem kterého krouží jeden elektron v případě, že se jedná o neutrální atom vodíku. Vodíkový iont je dokonce ještě jednodušší – tvoří ho jen osamělý proton.

Vesmírný praotec měl bratry – deuterium a tritium

Zhruba po jedné minutě klesla teplota vesmíru natolik, že mohl vznikat deuteron – jádro těžkého vodíku, které obsahuje už dvě částice – jeden proton a jeden neutron. Vesmír se předtím musel ochladit na teplotu nižší, než 25 miliard stupňů. Neutrony, které vznikaly v prvních okamžicích vesmíru, se tak podílely na vzniku prvního jádra, které bylo komplikovanější než vodík.

Neutrony jsou zajímavé částice. Tvoří je stejné kvarky – up a down (jen v jiné kombinaci) jako ty, ze kterých se skládá proton. Ve volném stavu ale nejsou neutrony na rozdíl od protonů stabilní. Rozpadají se na proton, elektron a antineutrino po zhruba 15 minutách existence vně jádra atomu. Je tedy jen logické, že se všechny původní neutrony, které ve vesmíru vznikly v prvních okamžicích jeho existence, uchovaly jen ve vázané podobě, v jádrech helia a výše zmíněných příměsí beryllia a lithia.

V mladém vesmíru pak následovaly procesy, které vedly ke vzniku jader tritia – té varianty vodíku, která se skládá z jednoho protonu a hned dvou neutronů. Tritium není se svými dvěma neutrony moc šťastné. „Nešťastný“ prvek má tendenci kolabovat, což se konkrétně u tritia projevuje radioaktivním rozpadem. Je to beta zářič s poločasem rozpadu 12,3 roku. (Při beta rozpadu vzniká z jednoho neutronu proton a uvolňuje se elektron a antineutrino.)

Excentrická pramatka - helium

Pokud si nějaký prvek zaslouží titul pramatka, je to právě helium. Na rozdíl od lidských mýtů - tato vesmírná pramatka nevznikla z žebra praotce, jednalo se spíše o žebra jeho bratrů. Helium disponuje hned dvěma protony a dvěma neutrony. Vznikalo různými procesy jak z deuteronů tak jader tritia.

Primordiální nukleosyntéza se omezila v podstatě jen na vznik helia. Na syntéze těžších prvků by helium muselo trochu spolupracovat – a helium se k tomu moc nemělo.

Na to, aby se helium mohlo účastnit jaderných hrátek s ostatními tehdy existujícími jádry, musela by se překonat určitá energie, která ho drží pohromadě. Když se podíváte na tabulku energie, která je potřeba k rozložení prvku na jednotlivé protony a neutrony (tabulka vazebných energií), je okamžitě patrná značná exotičnost helia. Má daleko vyšší vazebnou energii než okolní prvky. To je důvod, proč helium jen nerado vstupuje do hrátek s ostatními jádry a proč na samém počátku vesmíru vznikly v podstatě jen dva první prvky (s malými výjimkami).

Praděti – beryllium a lithium

Krátce po Velkém třesku se totiž ve vesmíru objevilo také stopové množství dvou dalších prvků, beryllia a lithia.

Oba vznikaly fúzí helia v jednom případě s tritiem a ve druhém s jádrem helia, které mělo jen jeden neutron. Beryllium se však dále rozpadalo za vzniku lithia.

Těchto dvou příměsí bylo ale ve vesmíru žalostně málo. Rozhodně jich nebylo dost na to, aby se z nich mohly tvořit další a komplikovanější prvky. Obrazně vzato – tyto děti praotce a pramatky byly ještě malé a bylo jich málo. Na další generaci chemických prvků si musel vesmír ještě nějakou dobu počkat.

Když primordiální nukleosyntéza skončila, vypadal vesmír z chemického pohledu poměrně jednoduše. Tři čtvrti jader chemických prvků tvořil vodík a zbylou čtvrtinu helium, „umazané“ několika svými izotopy a izotopy jiných prvků.

Tyto dva nejlehčí a nejjednodušší prvky, které jsou historickými svědky počátku vesmíru, dnes doplňují další desítky prvků, které vznikaly až daleko později - díky jaderné fúzi ve hvězdách a při jejich zániku. O nich ale až příště.