ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8. ΓΕΝΕΣΗ ΤΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Ιωάννα Δ. Αναστασοπούλου Βασιλική Δρίτσα
ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ 2 Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
8. ΓΕΝΕΣΗ ΤΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 3 Ένα από τα μεγαλύτερα αναπάντητα μέχρι στιγμής ερωτήματα του ανθρώπου και των φιλοσόφων είναι η προέλευση και ο χρόνος σχηματισμού του Σύμπαντος, της ύλης από την οποία αποτελείται η ύλη των χημικών στοιχείων και της ζωής. Οι αστροφυσικοί και κυρίως οι θεωρητικοί αστροφυσικοί ανέπτυξαν διάφορες θεωρίες βασιζόμενοι σε πολύ ακραίες συνθήκες επειδή τα φαινόμενα από τα οποία αντλούσαν τις πληροφορίες δεν μπορούσαν να εφαρμοσθούν σε πειραματικό επίπεδο. Από τις διάφορες θεωρίες σχηματισμού του Σύμπαντος επικρατέστερη είναι η θεωρία του big bang (κατακλυσμιαίας έκρηξης). Σύμφωνα με την θεωρία αυτή ο σχηματισμός του Σύμπαντος άρχισε πριν από 10 έως 20 δισεκατομμύρια χρόνια. Η εμφάνιση της ύλης της ύλης αρχίζει με την ίδια στιγμή που σχηματίζεται το Σύμπαν, την στιγμή δηλαδή της κατακλυσμιαίας έκρηξης σε ένα μικρό σημείο του αστρικού χώρου. Την ίδια στιγμή αρχίζει και η παραγωγή των πρώτων χημικών στοιχείων. Σήμερα, ο κλάδος της κοσμοχημείας (cosmochemistry) ασχολείται με την γένεση των χημικών στοιχείων. Η γένεση των στοιχείων συνδέεται με την σύνθεση των πυρήνων των ελαφρών στοιχείων (nucleosynthesis).
8. ΓΕΝΕΣΗ ΤΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 4 Οι κοσμοχημικοί δέχονται ότι σύνθεση των στοιχείων έγινε σε δύο φάσεις. Η πρώτη φάση αρχίζει την στιγμή ακριβώς της κατακλυσμιαίας έκρηξης, οπότε παράγονται μερικοί πολύ ελαφρείς πυρήνες των στοιχείων. Η περίοδος αυτή ονομάζεται μεγάλη έκρηξη ή bigbangσύνθεση. Η δεύτερη φάση, η οποία συνεχίζεται μέχρι σήμερα, άρχισε στο εσωτερικό των άστρων και ονομάζεται αστρική σύνθεση πυρήνων ή stellar nucleosynthesis. Την στιγμή του σχηματισμού των πρώτων χημικών στοιχείων η ενέργεια και η θερμοκρασία του σύμπαντος είναι πάρα πολύ μεγάλες. Τελικά, οι αποδεκτές απόψεις είναι εκείνες που προέρχονται από την ανάλυση των στοιχείων που έγινε σε δείγματα από το έδαφος της Γης, της Σελήνης, των μετεωριτών και μικρομετεωριτών που έπεσαν στην Γη. Το γεγονός ότι τα περισσότερα στοιχεία βρίσκονται σε διάφορες αναλογίες με τα ισότοπά τους ενισχύει τις παραπάνω θεωρίες σχηματισμού των στοιχείων.
8.1. Σειρά ΡΡΙΙ ή σύντηξη υδρογόνου 5 Η γένεση όλων των αστρικών συστημάτων αρχίζει με υδρογόνο (Η) και ήλιο (He) και μερικά στοιχεία με βαρύτερους πυρήνες που τα ονόμασαν μέταλλα (χωρίς να έχουν σχέση με τα μεταλλικά στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα). Οι πρώτες ραδιοχημικές αντιδράσεις είναι οι αντιδράσεις σύντηξης του υδρογόνου σε ήλιο. H σειρά των αντιδράσεων που ακολουθεί ονομάζεται σειρά ΡΡΙΙ. Η σειρά αυτή των αντιδράσεων μπορεί να ορισθεί και ως σειρά πρωτονίου-πρωτονίου (ΡΡ). Το τελικό αποτέλεσμα είναι η σύντηξη τεσσάρων πυρήνων υδρογόνου προς έναν πυρήνα ηλίου και παραγωγή ενέργειας. (8.1) (8.2) (8.3) (8.4)
8.1. Σειρά ΡΡΙΙ ή σύντηξη υδρογόνου 6 Οι παραγόμενοι από την αντίδραση (8.4) πυρήνες ηλίου μπορούν να αντιδράσουν (σύντηξη) και να σχηματίσουν τον βαρύτερο πυρήνα του βηρυλλίου (Be). (8.5) (8.6) (8.7) Το παραγόμενο Be από την αντίδραση των πυρήνων ηλίου στη σειρά ΡΡΙΙ δίνει μία αλυσίδα από ραδιοχημικές αντιδράσεις και τον σχηματισμό νέων πυρήνων. Η νέα σειρά ορίζεται ως ΡΡΙΙΙ. (8.8) (8.9) (8.10)
8.1. Σειρά ΡΡΙΙ ή σύντηξη υδρογόνου 7 Η σειρά των παραπάνω αντιδράσεων δίνει στοιχεία με ατομική μάζα 5 μέχρι 7. Τα στοιχεία αυτά βρίσκονται σε κάθε αστέρα, αλλά η συγκέντρωσή τους εξαρτάται από την πυκνότητα και την θερμοκρασία. Στους αστέρες που στην αρχή της γένεσής τους περιέχουν υδρογόνο και ήλιο, σημαίνει ότι οι αλυσιδωτές αντιδράσεις απαιτούν τέσσερα άτομα υδρογόνου (σύντηξη) για να μετατραπούν σε ένα άτομο ηλίου. Όμως οι επόμενες γενεές αστέρων που περιέχουν άνθρακα και άζωτο παρέχουν επίσης πυρήνες ηλίου. Το γεγονός ότι η ενέργεια του ηλίου προέρχεται από σύντηξη ελαφρών πυρήνων και όχι από τη σχάση βαρέων πυρήνων προκύπτει από φασματοσκοπικά δεδομένα.
8.2. ΚΥΚΛΟΣ CNO 8 Στην κατηγορία αυτή τα ισότοπα του άνθρακα και του αζώτου λειτουργούν ως καταλύτες στην αντίδραση σύντηξης τεσσάρων πρωτονίων και δημιουργίας πυρήνων ηλίου. Συγχρόνως κατά τις ραδιοχημικές αυτές αντιδράσεις δημιουργούνται παράλληλα και ισότοπα οξυγόνου ( 15 Ο, 17 Ο) και φθορίου ( 17 F). Η σειρά των παρακάτω πυρηνικών αντιδράσεων δείχνει πώς αρχίζοντας από το ισότοπο του άνθρακα-13 καταλήγουμε στην δημιουργία πυρήνων ηλίου. (8.11) (8.12) (8.13) (8.14) (8.15) (8.16)
8.2. ΚΥΚΛΟΣ CNO 9 Από τις παραπάνω αντιδράσεις φαίνεται ότι εκτός από την σύντηξη των πρωτονίων και την δημιουργία πυρήνων ηλίου εκπέμπεται και ικανή ενέργεια για το αστρικό σύστημα, που πιθανόν να συμμετέχει στην κοσμική ακτινοβολία. (8.17) (8.18) (8.19) (8.20)
8.2. ΚΥΚΛΟΣ CNO 10 Ο κύκλος αυτός επαναφέρει στον κύκλο C-N. Σχήμα 8.1. Σχηματική παράσταση του διπλού αστρικού κύκλου C-N-O
ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.