العناصر الكيميائية في الكون

في الانفجار الكبير الذي حدث قبل 13.7 مليار عام في بداية تشكل الكون تولدت طاقة حرارية هائلة تقدر بحوالي ألف تريليون تريليون درجة ، وكانت هذه الحرارة كافية لتتحول الى جسيمات مثل بروتونات ونيترونات وهذه تتشكل لتخلق نوى ذرات التي بدورها تكون مع الإلكترونات عناصر كيميائية على شكل غازات وغبار ومعادن مختلفة .
تلك الحرارة الهائلة كانت أكثر من المطلوب لتكوين 1050 طن من مادة الكون المرصودة ، ولازال هناك فائض هائل من الطاقة على شكل حرارة و إشعاعات كهرومغناطيسية مختلفة تملأ الكون .
يتكون الكون من مادة وطاقة ، وهما شكلان لا ينفصلان قابلا للتحول من كتلة الى طاقة وبالعكس ويمكن حسابها بموجب معادلة اينشتاين الشهيرة : [ الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء ].

ولا تزال عملية تحويل العناصر مستمرة داخل أفران النجوم فتحترق ذرات غاز الهيدروجين وتندمج نويتها لتنتج غاز الهيليوم الخامل وهذا بدوره يتحول الى كربون وعناصر اخرى بفعل الاندماج النووي لنوى الذرات مع بعضها البعض وتجمع البروتونات والنيوترونات في ذرات مستقلة لتنتج عناصر كيميائية ذات خصائص متنوعة .

استطاع علماء الكيمياء والفيزياء من اكتشاف 811 عنصرا كيميائيا معروفا على سطح الارض لحد الان في غلافها الغازي ومائها وصخورها.
كما عثر العلماء على هذه العناصر الكيميائية موجودة في النيازك التي سقطت على سطح الأرض و وجدت في صخور القمر التي جلبت من هناك او تم تحليلها بواسطة المسبار المتنقل على سطح المريخ . إذا فهذه العناصر موجودة في الكون كله .

كما عرف علماء الكيمياء التحليلية ان جسم الانسان والكائنات الحية يتكون من نفس عناصر الطبيعة ومعادنها . فجسم الإنسان مثلا يتكون في الأساس من عنصر الكربون اضافة الى الماء المكون من الهيدروجين والاوكسجين ، اضافة للحديد الذي يشكل مادة مهمة في هيموجلوبين الكريات الحمراء ، وهناك الكثير من تلك العناصر موجودة داخل الجسم وتكوّن مادته اللازمة لإدامة الحياة .
فمن أين أتت تلك العناصر الكيميائية وما هو مصدرها وكيف نشأت ؟
يقول علماء الفيزياء الفلكية ، ان مصادر كل العناصر الكيميائية التي تكون خلايا الكائنات الحية وصخور الأرض والكواكب هو النجوم .
العالم الفيزيائي البريطاني جون جريبين يقول في كتابه ( قصة الكون) :
بدأت الحياة بعملية تكوين النجوم ، لقد صٌنعت المواد الكيميائية وعناصرها من أنواع شتى من المادة الباريونية ، وليس من الهيدروجين والهيليوم فقط .
كل عنصر كيميائي في أجسامنا فيما عدا ذرات الهيدروجين قد أنتج داخل احد النجوم .
يتم في داخل النجوم تفاعلات نووية تؤدي الى اندماج نوى الذرات مع بعضها منتجة طاقة حرارية وضوئية واشعاعية هائلة , وهذه الحرارة والطاقة المنبعثة الى الخارج تمنع تقلص النجم حول نفسه بفعل الجاذبية الذاتية وبذلك يتم التوازن حيث الحرارة العالية توفر الضغط الكبير للخارج لمقاومة شدة الجاذبية للداخل .
توجد العناصر الكيميائية في في الكون على ثلاث أشكال صلبة وسائلة وغازية .
وأساس المادة هي عناصر كيميائية مقسمة إلى فلزات ولا فلزات وأشباه الفلزات واخرى مجهولة الخصائص الكيميائية .
وكل عنصر من العناصر المختلفة يتميز عن غيره من العناصر بالعدد الذري أي عدد البروتونات في النواة او الإلكترونات في المدار وله وزنه الذري الخاص به الذي هو مجموع عدد البروتونات والنيترونات.
الشمس هي نجم عادي ، وقد تم دراستها بدقة لكونها قريبة من الأرض .
ان مصدر حرارة وضوء الشمس ناتج من تحويل كتلة غاز الهيدروجين المحترق الى طاقة بما يتفق و معادلة اينشتاين الطاقة = الكتلة * مربع سرعة الضوء .
في الاندماج النووي الذي يحدث في الشمس والنجوم لتوليد الطاقة تندمج كتل البروتونات لغاز الهيدروجين معا لتطلق الطاقة التي تبقى الشمس ساطعة بنورها وحرارتها .
اندماج 4 بروتونات لنواة ذرة الهيدروجين بفعل الحرارة والضغط داخل قلب الشمس تنتج نواة واحدة لذرة الهيليوم 4- ، وتفقد الشمس من كتلتها نتيجة تحولها إلى طاقة حرارية واشعاعية وضوء 4.3 مليون طن في كل ثانية ، عن طريق تحويل 600 مليون طن من الهيدروجين الى ما يقارب 596 مليون طن من غاز الهيليوم الخامل .وهذا التفاعل مستمر منذ وجدت الشمس قبل 4.5 مليار عام .
ان اندماج 4 بروتونات الهيدروجين تنتج نواة ذرة الهيليوم 4- ، واندماج ثلاث نوى الهيليوم 4- ينتج نواة ذرة الكربون 12- المستقر في تفاعل يعرف بعملية جسيمات ألفا الثلاثية .
ان وجود نوى ذرات عنصر الكربون في احد النجوم يكون حافزا لتصنيع عناصر كيميائية أثقل . و استمرار حرق الهيدروجين وتحوله الى هيليوم يؤدي إلى نفاذ الوقود النووي المولد للطاقة ، وينكمش قلب النجم على نفسه ويصبح أكثر سخونة ، مما يؤدي الى الى تفاعل جديد ينتج غاز الاوكسجين . وهذا يسبب استقرار النجم طالما بقي الكربون متوفراً . وتكرار حالات الانكماش والتسخين تحدث موجات جديدة من الاندماج النووي وإنتاج جسيمات الفا السريعة ، ويتم بهذه الطريقة إنتاج عناصر كيميائية جديدة مثل النيون °²- ومغنيسيوم 24- وسيليكون 28- . وستتجمع العناصر الثقيلة في المركز والخفيفة عند السطح .
وهكذا تتكرر هذه الدورة عدة مرات . يتحول الهيدروجين الى كربون ثم الى نيتروجين . هذه هي الطريقة الوحيدة لإنتاج غاز النتروجين .
النتروجين هو أحد العناصر الأساسية للحياة ولولا نتروجين النجوم لما ظهرت الحياة على الأرض .
وتستمر سلسلة إنتاج العناصر الكيميائية بواسطة جسيم الفا واحد الذي يضرب نوى العناصر الجديدة منتجا عناصر أخرى . فمثلا عند قذف جسيم ألفا نواة عنصر السيليكون يتم تصنيع عنصر الكبريت ، والكبريت يتحول الى كلورين واركون .
الطريقة الوحيدة لصنع عناصر كيميائية أثقل هي إدخال طاقة ، أي يجب إجبار نوى على ان تنظم معا بواسطة عملية ما من الخارج تعتمد على مصدر كبير للطاقة ، وهي الجاذبية ، ولابد ان تكون بالقوة الكافية لأداء المهمة ولابد للنجم كتلة أكبر بكثير من شمسنا عشرة أمثال كتلة الشمس .
وحتى نصنع كل العناصر الثقيلة نحتاج ان نبدأ بنجم كتلته مقدارها على الأقل ثمانية او عشرة أمثال كتلة الشمس .
ان اطلاق النجوم للعناصر الكيميائية المختلفة في افرانها النووية سينثر في فضاء الكون حديدا كتلته على الاقل نصف كتلة الشمس واوكسجينا يقرب من 1-8 كتلة الشمس ، أما العناصر الكيميائية الأخرى الأثقل من الحديد كالذهب ، واليورانيوم، والرصاص ، والزئبق ، والتيتانيوم ، و السترونتيوم ، والزركونيوم ، فهي تُنتج في النجوم التي كتلتها تتراوح بين 8-10 أمثال كتلة الشمس .
لايمكن انتاج العناصر الثقيلة جدا الا بكميات صغيرة نسبياً ، لأن الظروف التي يمكن فيها انتاجها لا تستمر بأي حال زمنا طويلا .
تم اكتشاف 118 عنصرا كيميائيا معروفة لحد الآن من على سطح الأرض على شكل غازات وسوائل ومواد معدنية صلبة . وهذه كلها وردتنا من مقذوفات النجوم المتفجرة ومن موادها تكونت المجموعة الشمسية بكواكبها ومنها الأرض التي نشأت عليها الحياة وتكونت خلايا كل الكائنات الحية من تلك العناصر الكيميائية التي ولدت في النجوم .


المصادر
الجائزة الكونية الكبرى - بول ديفيز
قصة الكون - جون جريبين