Die meisten Gespräche am Esstisch von Strobel drehen sich um Unterricht und Physik, was für zwei leere Nester-MINT-Lehrer aufregend ist.
Ein paar Tage bevor die Highschool-Schüler auf dem Campus ankamen, fragte sich meine Frau, was sie mit ihren Schülern der Naturwissenschaften machen würde, da sie ihre Lehrbücher und Chromebooks erst am fünften Tag des Semesters bekamen.
Sie beschloss, eine Papier-Bleistift-Übung über das Periodensystem der Elemente zu machen. Ich schlug eine astronomische Verbindung mit der „kosmischen Verbindung zu den Elementen“ vor.
Das Periodensystem ist eine grafische Darstellung der verschiedenen Arten von Atomen im Universum, wie Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen, Uran usw. Jede Art von Atom, die als „Element“ bezeichnet wird, hat eine einzigartige chemische Eigenschaft.
Es gibt 92 natürlich vorkommende Elemente im Universum und mehr als ein paar Dutzend, die wir in unseren Hochenergielabors synthetisiert haben.
Jedes Atom besteht aus zwei grundlegenden Teilen: einem zentralen massiven Kern aus Protonen und Neutronen und einer Wolke aus massearmen Elektronen, die um den Kern wirbeln. Ein Großteil der Chemie hängt von der Anordnung der Außenelektronen ab, daher ordnet das Periodensystem die Elemente in Gruppierungen ähnlicher Außenelektronenkonfigurationen und zunehmender Gesamtzahl von Elektronen von links nach rechts und von oben nach unten an.
Da die Zahl der positiv geladenen Protonen der Zahl der negativ geladenen Elektronen in einem neutralen Atom entspricht, geht die steigende Zahl der Protonen in den Elementen des Periodensystems mit der steigenden Zahl der Elektronen einher. Die Neutronen sind mit dabei und helfen, den Kern zusammenzuhalten, also ignoriert der größte Teil der Chemie die Neutronen.
Die kosmische Verbindung entsteht, wenn man darüber spricht, woher die Atome ursprünglich kamen. Chemiker sagen oft, dass verschiedene Materialien aus verschiedenen Arten chemischer Reaktionen entstehen, beispielsweise wenn Kohlendioxid und Wasser mit der Energie des Sonnenlichts reagieren, um Zucker und Sauerstoff in einem Prozess zu erzeugen, den wir Photosynthese nennen, oder wenn die Verbrennung von Kohle oder Öl Kohlendioxid erzeugt .
Snobistische Astronomen und Kernphysiker pfeifen auf diese „Schöpfung“ und sagen, dass chemische Reaktionen „nur die Atome durcheinander bringen“. Die Anzahl der verschiedenen Arten von Atomen – die Elemente – in einer chemischen Reaktion bleibt gleich, aber wie sich die verschiedenen Elemente verbinden oder aneinander binden, ändert sich in einer chemischen Reaktion. Doch woher kamen die einzelnen Atome selbst?
Eine ganze Menge Wissenschaft hat uns zu der Entdeckung geführt, dass alle Atome auf der Erde, auf Planeten, Monden usw. aus kosmischen Prozessen stammen, von denen die meisten mit den Sternen zu tun haben. Der größte Teil des Wasserstoffs, der ein Proton im Kern hat, wurde in der ersten Mikrosekunde nach Beginn der Expansion des Universums (dem Urknall) erzeugt, als das Universum extrem heiß und dicht war. Der größte Teil des Heliums im Universum entstand in den ersten Minuten nach Beginn der Expansion, als ein Teil des Wasserstoffs in einem Prozess namens Kernfusion zerschmettert wurde, ähnlich dem, was derzeit in den Kernen von Sternen wie der Sonne vorkommt.
Bei der Wasserstofffusion werden vier Wasserstoffkerne – vier Protonen – zusammengeschmettert, um einen Heliumkern zu bilden, der zwei Protonen und zwei Neutronen hat. Es stellt sich heraus, dass der Heliumkern eine geringere Gesamtmasse hat als die kombinierte Masse der vier ursprünglichen Protonen. Die Masse, die bei der Kernfusion verloren ging, wurde in Energie umgewandelt – Licht! Das bringt Sterne zum Leuchten. Sterne erhöhen jetzt langsam die Menge an Helium im Universum.
Die Kernfusion erfordert extrem hohe Temperaturen und Dichten. Wenn Sterne alt werden, geht ihnen der Wasserstoff aus, um im Kern zu verschmelzen, und der Kern wird mit Helium gefüllt. Der Kern komprimiert und erwärmt sich so weit, dass Helium zu schwereren Elementen wie Lithium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und Eisen verschmelzen kann. Je massereicher ein Stern ist, desto mehr Arten von Elementen kann er bilden, denn um Kerne mit mehr Protonen zu erzeugen, sind immer höhere Temperaturen und Dichten erforderlich.
Explosive stellare Ereignisse, sogenannte Supernovae, können viele der noch schwereren Elemente wie Nickel, Kupfer, Zink usw. durch einen superschnellen Kernfusionsprozess erzeugen, der nur wenige Minuten dauert. Supernovae treten auf, wenn sehr massereiche Sterne sterben und ihre Kerne plötzlich zusammenbrechen oder wenn bereits tote massearme Sterne, sogenannte Weiße Zwerge, in einem Doppelsternsystem zu viel Gas von ihrem nahen Begleitstern aufsaugen. Es stellt sich heraus, dass massereiche tote Sternkerne, sogenannte Neutronensterne, auch kurzzeitig Kernfusion haben, wenn sie mit anderen Neutronensternen kollidieren. Das meiste Gold und Uran im Universum stammt daraus.
Unsere Theorie der Entstehung all der verschiedenen Elemente aus der Kernfusion sagt die beobachteten Häufigkeiten aller natürlich vorkommenden schweren Elemente, die überall im Universum zu sehen sind, korrekt voraus. Wir verstehen jetzt, warum einige Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und Eisen häufig vorkommen und die schwersten Elemente wie Gold, Quecksilber und Uran so selten sind.
Um einen Planeten wie die Erde (und Leben auf einem solchen Planeten) zu erschaffen, müssen genügend schwere Elemente in früheren Sternengenerationen erzeugt und dann in den interstellaren Wolken konzentriert werden, um sich in beträchtlichen Brocken um die sich bildenden Sterne zu sammeln. Es gibt zwangsläufig eine „Verzögerung“ zwischen dem Beginn des Universums und dem Beginn des Lebens.
Das Dark-Sky-Festival kommt
Tragen Sie für den 24. September das Dark Sky Festival in den Nationalparks Sequoia und Kings in Ihren Kalender ein.
Es wird Präsentationen sowie eine Sternenparty geben. Die Kern Astronomical Society wird viele Teleskope haben, die die Leute dort unter einem wirklich dunklen Himmel benutzen können.
Der mitwirkende Kolumnist Nick Strobel ist Direktor des William M. Thomas Planetarium am Bakersfield College und Autor der preisgekrönten Website AstronomyNotes.com.