Hur många kemiska grundämnen finns det?

Ett kemiskt element är en typ av atom, som väte eller syre. Från och med 2011 hade 118 element observerats, varav 98 av dessa förekom naturligt på jorden. 20 grundämnen skapas på konstgjord väg i kärnreaktorer eller experiment med partikelaccelerator. Det första syntetiska grundämnet som skapades i betydande mängder var plutonium, grundämnet 94. Plutonium är också den tyngsta atomen som finns naturligt på jorden. Med en halveringstid på endast 80 miljoner år förekommer plutonium i extremt små mängder i uranmalmer.

Dagens kemiska grundämnen kommer från en av tre källor: supernovanukleosyntes, stjärnnukleosyntes och Big Bang nukleosyntes. Nukleosyntes uppstår när atomkärnor pressas samman så tätt och vid så hög värme att de övervinner den ömsesidiga avstötningen av sina elektronskal och producerar tyngre kärnor. På så sätt kan vätekärnor smältas samman till heliumkärnor, som i sin tur kan smälta samman till kolkärnor, om förhållanden med tillräcklig temperatur och tryck uppnås.

I början var universum så varmt och tätt att det inte bestod av annat än fria kvarkar – beståndsdelarna av protoner och neutroner – elektroner och strålning. Efter en miljondels sekund började kvarkar smälta samman till baryoner: protoner och neutroner. Under de första tjugo minuterna efter Big Bang översteg universums temperatur den i mitten av de ljusaste stjärnorna, med en densitet större än luft. Under denna period kolliderade protoner och neutroner energiskt för att bilda större kärnor: deuterium och två isotoper av helium. 25 procent av all materia i universum omvandlades till helium, med cirka 75 procent väte, tillsammans med spårmängder av tyngre grundämnen som litium. Detta liknar det nuvarande förhållandet mellan kemiska grundämnen.

De första stjärnorna bildades cirka 300 miljoner år efter Big Bang, och initierade en annan form av nukleosyntes som kallas stjärnnukleosyntes. I stjärnnukleosyntes genomgår kraftigt komprimerad materia i centrum av en stjärna kärnfusion, frigör stora mängder energi och balanserar ut tyngdkrafterna som verkar för att kollapsa stjärnan. Detta kan ses som en kontinuerligt exploderande H-bomb. Grundämnen upp till järn i det periodiska systemet bildas i stjärnnukleosyntesen.

För att skapa ett grundämne som är tyngre än järn krävs en annan typ av nukleosytes, supernovanukleosyntes. Supernovor uppstår när stjärnor kollapsar katastrofalt efter att ha förbrukat allt kärnbränsle i sina kärnor. Stjärnans atmosfäriska hölje kollapsar inåt på grund av gravitationen och studsar mot en kärna gjord av nästan inkompressibel ”elektrondegenererad” materia. Under denna abrupta studs smälts flera procent av stjärnans material ihop till tyngre element nästan omedelbart. Detta frigör tillräckligt med energi för att supernovan ska överglänsa sin värdgalax i dagar eller veckor. Grundämnen tyngre än järn syntetiseras under denna oerhört energiska kosmiska händelse.