Elementschmiedenwo Gold und Eisen entstanden
Welche Elemente stammen vom Urknall, aus Sternen, Supernovae und Neutronensternverschmelzungen? Diese Seite listet die Herkunft jedes Elements nach Schmiede auf, mit der wichtigsten Forschung.
Gold ist nicht auf der Erde entstanden, und Eisen auch nicht. Die Elementtabelle des Spiels sortiert die Elemente in acht Arten von Herkunft, die acht „Schmieden“: Urknall, kosmische Strahlung, massearme Sterne, massereiche Sterne, Explosionen Weißer Zwerge, Neutronensternverschmelzungen, radioaktiver Zerfall und künstliche Synthese. Diese Seite listet, welche Elemente jede Schmiede hervorgebracht hat, und behandelt dann einige Schlüsselstudien dahinter.
Die acht Schmieden
| Schmiede | Anzahl der Elemente | Wichtigste Beispiele |
|---|---|---|
| Urknall-Nukleosynthese | 3 | Wasserstoff, Helium, Lithium |
| Spallation durch kosmische Strahlung | 2 | Beryllium, Bor |
| Massearme Sterne (langsamer Neutroneneinfang-Prozess) | 24 | Kohlenstoff, Stickstoff, Fluor, Rubidium, Strontium, Yttrium, Zirconium, Niob, Molybdän, Cadmium, Indium, Zinn |
| Massereiche Sterne (Kernkollaps-Supernovae) | 22 | Sauerstoff, Neon, Natrium, Magnesium, Aluminium, Silicium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Argon, Kalium, Calcium |
| Explosionen Weißer Zwerge (Supernovae vom Typ Ia) | 6 | Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel |
| Neutronensternverschmelzungen (schneller Neutroneneinfang-Prozess) | 26 | Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Antimon, Tellur, Iod, Xenon, Cäsium, Samarium, Europium, Gadolinium |
| Radioaktiver Zerfall von Uran und Thorium | 7 | Polonium, Astat, Radon, Francium, Radium, Actinium, Protactinium |
| Künstliche Synthese | 28 | Technetium, Promethium, Neptunium, Plutonium, Americium, Curium, Berkelium, Californium, Einsteinium, Fermium, Mendelevium, Nobelium |
In dieser Tabelle haben die künstliche Synthese (28 Elemente) und die Neutronensternverschmelzungen (26) die meisten Elemente, die Spallation durch kosmische Strahlung (2) die wenigsten. „Hauptsächlich von hier in der Elementtabelle des Spiels“ heißt: Das ist die Einteilung des Spiels nach der Hauptquelle jedes Elements. Ein Element kann mehr als eine Quelle haben.
So liest man die Tabelle
Das Muster in der Tabelle ist klar. Die lange Reihe Sauerstoff, Neon, Natrium, Magnesium, Aluminium, Silicium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Argon, Kalium und Calcium geht an die Kernkollaps-Supernovae massereicher Sterne. Die sechs Elemente Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Cobalt und Nickel gehen an die Explosionen Weißer Zwerge. Von Ruthenium, Rhodium, Palladium und Silber bis zu Iod, Xenon, Cäsium, Europium und Gadolinium stammen die Elemente aus Neutronensternverschmelzungen. Kohlenstoff, Stickstoff und Fluor gehen an massearme Sterne. Mit anderen Worten: Elemente, die im Periodensystem nebeneinanderstehen, stammen oft von völlig verschiedenen Objekten. Das Spiel nutzt diese Einteilung, um zu zeigen, dass jedes Element des Periodensystems einen bestimmten „Geburtsort“ hat, und jeder Geburtsort hängt mit einer Studie in den folgenden Abschnitten zusammen, von Berechnungen zum Urknall über die Energiequelle der Sterne bis zu Beobachtungen von Neutronensternverschmelzungen.
Die leichtesten drei: der Urknall
Ralph Alpher und George Gamow berechneten als Erste, wie sich leichte Elemente im Urknall bildeten. Hans Bethes Name wurde für den Scherz „αβγ“ ergänzt. Die Arbeit heißt „The origin of chemical elements“ (Alpher, Bethe und Gamow, Physical Review, 1948). Wasserstoff, Helium und Lithium sind die einzigen Mitglieder dieser Gruppe.
Die Öfen im Innern der Sterne
Wie kann die Sonne Milliarden Jahre lang brennen? Bethe rechnete aus, dass Sterne durch Kernfusion leuchten, und löste damit das Rätsel (Bethe, Physical Review, 1939). Damit Sterne genug Kohlenstoff bilden können, sagte Fred Hoyle voraus, dass Kohlenstoff-12 ein besonderes Energieniveau haben muss, was Experimente bald bestätigten (Hoyle, The Astrophysical Journal Supplement, 1954). Wenige Jahre später erklärte eine hundertseitige Arbeit systematisch, wie Sterne die Elemente des Periodensystems Schritt für Schritt schmieden: „Wir alle sind Sternenstaub, und hier fing es an“ (Burbidge, Burbidge, Fowler und Hoyle, Reviews of Modern Physics, 1957).
Explosionen Weißer Zwerge und Eisen
Eisen, Cobalt, Nickel und die übrigen Elemente der „Eisengruppe“ sind in der Tabelle hauptsächlich den Explosionen Weißer Zwerge zugeordnet. Weiße Zwerge haben eine Massengrenze von etwa 1,4 Sonnenmassen, und darüber muss ein Stern weiter kollabieren (Chandrasekhar, The Astrophysical Journal, 1931).
Neutronensternverschmelzungen: die Geschichte des Goldes
Zum ersten Mal wurde ein einzelnes kosmisches Ereignis zugleich „gehört“ und „gesehen“: die Verschmelzung zweier Neutronensterne (Abbott et al., Physical Review Letters, 2017). Die bei der Verschmelzung ausgeworfene Materie enthält große Mengen schwerer Elemente, und das Gold in deinem Ring stammt höchstwahrscheinlich aus einer solchen Kollision (Kasen et al., Nature, 2017).
Radioaktivität und künstliche Synthese
Die Zerfallsketten von Uran und Thorium liefern sieben Elemente: Polonium, Astat, Radon, Francium, Radium, Actinium und Protactinium. Die künstliche Synthese liefert die meisten: von Technetium und Promethium über Neptunium, Plutonium und Americium bis zu Einsteinium, Fermium, Mendelevium und Nobelium. Ein weiteres Detail aus dem Spiel gehört dazu: Einsteinium und Fermium wurden beide in den Trümmern des ersten Wasserstoffbombentests entdeckt.
Die Originale gesucht? Such nach diesen Titeln
- Alpher et al. (1948): „The origin of chemical elements“
- Bethe (1939): „Energy production in stars“
- Hoyle (1954): „On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel“
- Burbidge et al. (1957): „Synthesis of the elements in stars“
- Chandrasekhar (1931): „The maximum mass of ideal white dwarfs“
- Abbott et al. (2017): „GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral“
- Kasen et al. (2017): „Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event“
Reale Grundlage
Urknall-Nukleosynthese: Die Elementtabelle des Spiels hat 3 Elemente, die vor allem von hier stammen, darunter Wasserstoff, Helium und Lithium.
Spallation durch kosmische Strahlung: Die Elementtabelle des Spiels hat 2 Elemente, die vor allem von hier stammen, nämlich Beryllium und Bor.
Massearme Sterne (s-Prozess): Die Elementtabelle des Spiels hat 24 Elemente, die vor allem von hier stammen, darunter Kohlenstoff, Stickstoff, Fluor, Rubidium, Strontium, Yttrium, Zirkonium, Niob, Molybdän, Cadmium, Indium, Zinn und weitere.
Massereiche Sterne (Kernkollaps-Supernovae): Die Elementtabelle des Spiels hat 22 Elemente, die vor allem von hier stammen, darunter Sauerstoff, Neon, Natrium, Magnesium, Aluminium, Silizium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Argon, Kalium, Calcium und weitere.
Explosionen Weißer Zwerge (Supernovae vom Typ Ia): Die Elementtabelle des Spiels hat 6 Elemente, die vor allem von hier stammen, darunter Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel.
Neutronensternverschmelzungen (r-Prozess): Die Elementtabelle des Spiels hat 26 Elemente, die vor allem von hier stammen, darunter Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Antimon, Tellur, Iod, Xenon, Cäsium, Samarium, Europium, Gadolinium und weitere.
Radioaktiver Zerfall von Uran und Thorium: Die Elementtabelle des Spiels hat 7 Elemente, die vor allem von hier stammen, darunter Polonium, Astat, Radon, Francium, Radium, Actinium und Protactinium.
Künstlich hergestellt: Die Elementtabelle des Spiels hat 28 Elemente, die vor allem von hier stammen, darunter Technetium, Promethium, Neptunium, Plutonium, Americium, Curium, Berkelium, Californium, Einsteinium, Fermium, Mendelevium, Nobelium und weitere.
Verwandte Forschung
Diese Studien hängen mit dem Thema zusammen, belegen diese Seite aber nicht direkt.
Die αβγ-Arbeit: Alpher und Gamow berechneten, wie im Urknall die leichten Elemente entstanden, und Bethes Name wurde hinzugefügt, damit „αβγ“ entstand.
Quelle: Alpher, Bethe & Gamow, Physical Review 1948, "The origin of chemical elements"
Was die Sterne antreibt: Bethe berechnete, dass Sterne durch Kernfusion leuchten, und löste das Rätsel, wie die Sonne Milliarden Jahre lang brennen kann.
Quelle: Bethe, Physical Review 1939, "Energy production in stars"
Die Chandrasekhar-Grenze: Ein Weißer Zwerg hat eine Maximalmasse von etwa 1,4 Sonnenmassen. Darüber ist der Stern dazu verdammt, weiter zu kollabieren.
Quelle: Chandrasekhar, The Astrophysical Journal 1931, "The maximum mass of ideal white dwarfs"
B²FH: Diese hundertseitige Arbeit erklärte Schritt für Schritt, wie Sterne die Elemente des Periodensystems schmieden. Wir alle sind Sternenstaub, und hier beginnt dieser Gedanke.
Quelle: Burbidge, Burbidge, Fowler & Hoyle, Reviews of Modern Physics 1957, "Synthesis of the elements in stars"
Hoyles Vorhersage: Damit Sterne genug Kohlenstoff erzeugen, sagte Hoyle voraus, dass Kohlenstoff-12 ein besonderes Energieniveau haben muss, was Experimente dann bestätigten.
Quelle: Hoyle, The Astrophysical Journal Supplement 1954, "On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel"
Kilonova: Zum ersten Mal wurde dasselbe kosmische Ereignis „gehört“ und „gesehen“: die Verschmelzung zweier Neutronensterne.
Quelle: Abbott et al., Physical Review Letters 2017, "GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral"
Woher das Gold kommt: Das bei Neutronensternverschmelzungen ausgeworfene Material enthält große Mengen schwerer Elemente. Das Gold an deinem Ring stammt wahrscheinlich aus einer solchen Kollision.
Quelle: Kasen et al., Nature 2017, "Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event"