Varifran kommer grundamnena pa jorden

och i universum?

Tom Lonnroth

Institutionen for fysik, Abo Akademi,Finland

Finlandssvenska fysikdagarna 2009

m/s Silja Symphony, November 13-15

Sammandrag

• Begynnelsen: Big Bang – Urknallen

• Energi blir materia

• Galaxer bildas – dom bestar av gas och stjarnor

• Stjarnorna lever, utvecklas – och dor

• Nya stjarnor/solar med “solsystem bildas”

1. Big Bang – Urknallen

• Man tror i stort sett helt idag pa att Big Bang “gick

pa” for cirka 13,7 miljarder ar sedan, och bildade

darmed “vart universum”.

Man har givetvis ingen ide’ om “varifran” det kom,

men en rimligt god uppfattning om dess tillstand.

• I borjan, c. 10−43 s efter smallen, var det fraga om ett

“kvantkaos”, ett tillstand av energi ....

• Eftersom det ar fraga om ett “moln som expanderar”,

sa kallnar det och dess lokala energi sjunker

• Sa smaningom bildas materia i form av “partiklar”,

protoner och neutroner, enligt det kanda E = mc2, eller

egentligen m = E/c2

Scenario

Tid (s) Temp. (K) Dens. (g/cm3) Tillstand Era

0 Planckepoken

10−43 Big Bang

10−36 1028 Inflationsepoken

2 · 10−6 1020 Nukl.annihil. Hadronepoken

2 · 10−4 1010

2 109 1

200 107 n+p ⇒ karnor Big Bang karnsyntes

1014 5 · 103 10−20 Atomer bildas Rekombination

2 · 1017 Forsta stjarnorna

1018 2.7 10−30 “Tomt universum” Idag

2. Energi blir materia

• Energi kan alltsa materialiseras enligt m = E/c2. De

lattaste (stabila) partiklarna ar neutron n (massa=939

MeV), proton p (938 MeV) och elektron e− 0,5 MeV.

Neutronen ar instabil, halveringstid c. 10 min.

• OM massenergin understiger c. 1 GeV, sa kan p och n

materialiseras till “riktiga”partiklar (elektroner och

positroner bildas och annihileras).

• Protonen bildar ju vatekarnan p, och tillsammans med

n deuteronen d (pn), den ar dock svagt bunden, c.

2,25 MeV, och slas latt “sonder”. Vidare kan 2p + 2n

bilda α-partikeln, starkt bunden, c. 25 MeV.

Antimateria da, var finns den? TY E ⇒ +q − q, p+p,

E ⇒ +e− e och E ⇒ “ +m−m′′! Laddningen bevaras ju!

3. A atomer bildas

• A rymden expanderar och glesnar, och vi hinner annu

gora 3p3n och 3p4n, litium. Darefter blir den for gles

for ytterligare nukleonsammanslagning.

• Sedan sjunker temperaturen (energin) ytterligare och

elektroner kan bindas till de existerande atomkarnorna.

Sa vi kan bilda neutrala atomer, lika manga p som e−

existerade. Universum ar nu en “neutral gas”.

• Big Bang och hela denna invecklade mekanism bildade

alltsa de tre forsta elementen, med isotoper:1H, 2H(0,15%), 4He och 3He(0.00014%), samt6Li(7,2%) och 7Li(92,4%) – litium c.10−10 av H+He.

• He′ va′ he′ !!!

Universum bestar till 80% av 1H och 20% 4He!!

4. A se’n da?

• Det expanderande Universum – H-He-gasen! – ar inte

helt homogen, den bildar “klumpar” p.g.a. lokal

sjalvgravitation. Rotationen gor att klumparna blir

platta, dom bildar Galaxer.

• Man kan ocksa ha galaxhopar, och inom galaxerna

stjarnhopar, och olika andra konstellationer.

• Men allting ar ju vate H (80%) och helium He (20%),

samt pyttelitet Li (10−12%)!! ??

• DOCK, vad sker I stjarnorna, ....

som till en borjan ar .... H och He .... ??

5. En stjarnas utveckling

• Ett partiellt gasmoln i en galax ar inte helt homogent,

utan krymper samman till en gasboll.

Bollen komprimeras under sjalvgravitation, och energin

frigors i form av varme – gasmolnet varmnar!

• Nar bollen natt en temperatur om typiskt 15 miljoner

grader, solens centrumtemperatur, sa kan

fusionsreaktioner satta in, dvs. sammanslagning av

atomkarnor (p och α ...) EM repulsion kan overvinnas!

• Vid fusionsprocesser frigors relativt stora mangder

energi ( – och det ar darfor man ar intresserad av dem

aven har pa jorden . . . )

5.1 De latta elementen

• Vilka reaktioner kan vi ha?:

p+p ⇒ 2He, ytterst instabel, halveringstid “okant kort”

p+α ⇒ 5Li, T1/2 = 4 · 10−22 s, + storre EM repulsion.

α+ α ⇒ 8Be, men annu storre EM OCH T1/2 = 7 · 10−17 s

• Sa de’ va’ de’ !!

• DOCK, vi talar ovan implicit om STARK vaxelverkan,

vi har ju aven SVAG vaxelverkan (WI) –

“beta-sonderfallets kraft”. Vad kan den gora?

• “Svag” betyder har att reaktionerna gar langsamt –

hur langsamt, och vadda?

5.1.1 Processer i *, PP-cykler

• p+p ⇒ 2H + e+ + νe KAN ga via WI, om an

langsamt, durationen vid 15 mio K ar ∼ 8 · 109 ar!!

Sedan kan vi ha reaktionen

p+2H ⇒ 3He,

samt vidare via 7Li och 7Be ⇒ α+ α, ALLTSA

vi producerar helium (nastan endast, samt litet 7Li).

• Sedan sjunker produktionsraten, gravitationens

kompression tar vid, och ytterligare oka temperaturen.

• Och da kan reaktionen 4He + 4He, α+ α, ta vid.

Men 8Be var ju mycket instabilt!! Det visar sig dock

tillrackligt langlivat for att gora reaktionen8Be+α ⇒12C!! Nu borjar det lopa!!

5.1.2 Proc. i *, CNO-cykler

• Vid ater okande temperatur, T ≤ 100 mio K, tar den

sk. CNO-cykeln vid. Den ar mest p-infang pa 12C,

p+12C ⇒13N

och dess narmaste tyngre grannar (p in och β/γ ut):13N ⇒ 13C + e+ + νe,

p+13C ⇒ 14N

p+14N ⇒ 15O ...

p+15N ⇒ 16O, och slutligen

p+17O ⇒ 14N + 4He.

• I CNO-(bi)cykeln producerar vi alltsa foljande

element med isotoper:13C, 14,15N och 16,17,18O, vilka finns i naturen, men ...

5.2 De tyngre elementen

• Raten i PP- och CNO-cyklerna minskar da vi

forbranner vate, gravitation tar vid, och temperaturen

stiger: Vi kan borja forbranna helium, T ∼ 700 mio K.

I motsats till vissa delprocesser i PP- och

CNO-cyklerna sker heliumforbranningen helt via stark

vaxelverkan – den ar snabb!

• Vi har alltsa alfa/helium-infangningsprocesser sasom:12C + α⇒ 16O, 16O + α⇒ 20Ne,20Ne + α⇒ 24Mg, 24Mg + α⇒ 28Si,

vilka alla ger rikligt forekommande element/isotoper.

• Dessutom har vi processer av typ A(α, p)B, som ger

udda element: 19F, 23Na, 27Al, ...

5.3 Jarntoppen

• De namnda fusionsreaktionerna gar vidare, men sa

smaningom minskar energin per reaktion tills vi nar

massomradet A ∼ 60, den sk. jarntoppen. Omradet

kallas sa av tva orsaker:

1. Efter Fe kan vi inte langre utvinna energi ur fusion,

2. Jarn ar, fransett de lattaste elementen, det rikligast

forekommande grundamnet!

• Innan vi nar A ∼ 60 har vi ett ytterligare fenomen:

reaktioner av typ AX(α, n)BY, vilka producerar

neutroner, som har en livstid om ∼ 10 min – langlivade!!.

• Neutronerna kan tranga in i alla atomkarnor, ty dom ar

ju oladdade!

5.4 De tyngre/-sta elementen

• Genom neutroninfang, AX(n, γ)A+1X producerar vi

successivt tyngre isotoper, som sedan β−-sonderfaller.

Vi kommer att “sick-sacka” till hoger om

stabilitetslinjen: neutroninfanget okar massan, och

β−-sonderfallet okar Z−vardet – vi bygger upp allt

tyngre element.

• Parallellt med detta scenario trycker gravitationen

alltmer ihop stjarnan, och temperaturen okar – och

reaktionernas (sick-sack)-hastighet okar.

• Anda upp till bly, isotopen 208Pb, har vi en racka stabila

element med ordningstalen Z = 28 ⇒ Z = 82.

6. Elementens forekomst

• Var slutar denna sick-sack-process? Det vet ingen,

men den fortskrider atminstone till thorium och uran,

som bevisligen finns i naturen, 232Th och 235,238U.

Vadda i naturen, vara processer har ju skett i

stjarnorna?

• “Stjarnimplosionen” slutar med att materien uppnar

atomkarnans densitet, och vi far en “studs”, som tar

sig uttryck som – for liten/mellan/stor stjarna:

– en novaexplosion som spyr ut ett materieskal

– en supernovaexplosion som spyr ut ett megaskal

– ett svart hal, materien “kollapsar totalt”.

• Vi har nu de element i universum som vi annars ocksa

kanner till.

• ”Felet” ar bara det att vi hade vid starten H och He,

och i PP- och CNO-cycklerna producerade vi mest He,

samt nog en riktig fordelning av t.ex. 20Ne, 24Mg, 32S,

osv. Samt udda element: 19F, 27Al, 31P och 35Cl.

• Vidare, neutroninfangen + β−-sonderfallen gav oss alla

de tyngre elementen, anda till Th och U.

Neutroninfangen ger aven isotoper: 21,22Ne, 25,26Mg,29,30Si, osv.

• Och dom hamnade ut i “tomma rymden”!!

7. Planetsystem

• Vi vet alla att vi lever pa jorden, som ar en av

planeterna kring solen.

• Darmed bor planetsystemet ha bildats!!! OCH det har

bildats av annat an Big Bang H+He-gasen!

• Ty det innehaller en helt annan

elementsammansattning (ar det sa?)

• Vad vi “kanner till av fodsel och ohejdad vana” ar alltsa

foljande elementsammansattning: =⇒

• Hela solsystemet ar alltsa det som undergick en

(minst) andra generationens gravitationskoncentration

“till en stjarna”.

• Forhallande solmassa/jordmassa ar Msol/Mjord = 3.3 · 105

och tar vi det relativa talet for vate, H, pa jorden och

multiplicerar far vi 1012, alltsa “Big Bang – vatet”!

• Solsystemet HAR i stort sett den kosmiska kemiska

sammansattningen, vi “har vuxit upp fel”.

• Daremot ar dessa pyttesma mineralhalter avgorande

viktiga for oss!

8. Sammanfattning

• Universum uppkom i Big Bang, och i den producerades

elementen H och He, samt (mycket) sma andelar av Li.

Materialet, en H-He-gas, koncentrerades i galaxhopar

och galaxer, som bestar av stjarnor och interstellar gas.

• Gasen koncentreras till stjarnor som blir langlivade,

typiskt miljarder ar, eftersom den primara

energiproduktionen i PP-cyklerna baserar sig pa

svag vaxelverkan. Detta raddar stjarnornas existens!

• Stjarnorna genomgar fusionsprocesser i PP- och

CNO-cyklerna, vilka producerar He + vissa latta

element, sasom C, N och O.

Sammanfattning (forts.)

• Med stigande temperatur (gravitationskompression)

borjar aven He-forbranningen, och aven “tyngre

fusion”. Fusionen slutar vid “jarntoppen” A ∼ 60.

• I de tyngre elementens fusion tavlar aven rektionerna

A(α, p)B och A(α, n)B. De ger de udda elementen, och

den andra aven ett neutronflode.

• Neutronerna ar oladdade och kan tranga in “var som

helst” och en vid hoga temperaturer stark process blir

upprepat neutroninfang, foljt av β−-sonderfall. Vi

sick-sackar upp till de tyngsta elementen: Pb (stabil),

Th och U. (Superheavies??)

Sammanfattning (forts.)

• Nu har stjarnan (volymmassigt) naranog kollapsat, och

vi far en “jattestuds”, som ger en:

– novaexplosion for “vanliga” stjarnor, ex. var sol

– supernovaexplosion for tyngre stjarnor, och en

– kollaps till ett svart hal for “overtunga stjarnor.

• Nova- och supernovaexplosionerna spyr ut de bildade

elementen i den omgivande rymden.

• Vid en andra generationens (eller hogre) gravitations-

sammandragning bildas en ny stjarna (ex. var sol) och

kring den kan bildas ett planetsystem, som av kemiska

orsaker innehaller de tyngre elementen.

OCH DARMED ...

– Var jord ar ett exempel pa en dylik planet.

– Den innehaller alla de element vi ar vana vid, men

– De ar ytterst ovanliga (i medeltal) i Universum!

– Men vi ar ju nojda med det!!

TACK FOR INTRESSET!