MIBŐL ÁLL A VILÁGMINDENSÉG?

A kicsiny, rendkívül forró univerzum biztosan már a „big bang” utáni legelső időszakban eléggé kitágult és lehűlt ahhoz, hogy a protonok és neutronok egyesülni tudjanak és atommagokat hozzanak létre. De vajon milyen anyagok keletkeztek és milyen arányban? Ez a kozmogónia (a világegyetem eredetét kutató tudományág) egyik érdekes problémája, és bennünket is ez vezet majd vissza a nóvákhoz és a szupernóvákhoz. Nézzük meg ezért valamivel részletesebben!

Atommag rengetegféle van. Hogyan teremthetünk közöttük rendet? Például úgy, hogy a protonjaik száma szerint osztályozzuk őket. Ez a szám egytől egészen száz fölöttig bármekkora lehet.

Minden proton +1-es elektromos töltéssel rendelkezik. Rajta kívül a magban csak egyfajta részecske található, a neutron, s ennek nincs elektromos töltése. Az egyetlen protont tartalmazó mag töltése +1; amelyiknek két protonja van, azé +2 lesz; tizenöt proton esetén +15, és így tovább. Egy adott magban a protonok számát, vagyis a mag elektromos töltését megadó számértéket rendszámnak nevezzük.

Ahogy a világegyetem tovább hűlt, a magok képessé váltak arra, hogy bizonyos számú elektront fogjanak be. Az elektronok mindegyikének -1-es elektromos töltése van, és mivel az ellentétes töltések vonzzák egymást, a negatív elektron a pozitív mag szomszédságában igyekszik maradni. Normális körülmények között egy magában álló atommag a protonjaival egyező számú elektront tud fogva tartani. Ha a magban lévő protonok száma egyenlő a körülötte levő elektronok számával, akkor a mag és az elektronok összes elektromos töltése nulla; ez a társulás nem más, mint egy semleges atom. Egy ilyen semleges atomban a protonok és elektronok száma egyaránt a rendszámmal egyenlő.

Az olyan anyagot, amely csupa azonos rendszámú atomból épül föl, elemnek nevezzük. A hidrogén például elem, mivel csakis olyan atomokat tartalmaz, amelyek magja egy protonból áll, és a proton körül egy elektron található. Ez a hidrogénatom, magja pedig a hidrogénmag. A hidrogén rendszáma ennek megfelelően 1 lesz.

Hasonlóan, a hélium az az elem, amely héliumatomokból épül föl. A héliummagoknak két protonjuk van, így ennek az elemnek 2 lesz a rendszáma. Ugyanígy a lítium rendszáma 3, a berilliumé 4, a bóré 5, a széné 6, a nitrogéné 7, az oxigéné 8, és így tovább.

Ha a kémiai elemzés (latin eredetű nevén: analízis) számára hozzáférhető anyagokat (a Föld légkörét, az óceánokat, a talajt) tekintjük, akkor nyolcvanegy stabilis elemet találunk, azaz nyolcvanegy olyan elemet, amely nem változik meg, ha bármilyen hosszú ideig teljesen magára hagyjuk.

A Földön a legegyszerűbb atom (sőt mi több, ez a legegyszerűbb, amely egyáltalán létezhet) az 1-es rendszámú hidrogén. Azután jönnek a 2-es, 3-as, 4-es stb. rendszámúak, amíg csak a Föld legbonyolultabb stabilis atomjához nem érünk. Ez a bizmut, amelynek 83-as a rendszáma, a bizmutmagok mindegyike tehát nyolcvanhárom protont tartalmaz.

Mivel nyolcvanegy stabilis elem van, világos, hogy a rendszámok 1-től (hidrogén) 83-ig (bizmut) terjedő lajstromáról kettőnek hiányoznia kell - és tényleg így is van. A negyvenhárom, illetve a hatvanegy protont tartalmazó atom nem stabilis, ezért sem a 43-as, sem a 61-es rendszámú elem nem fordul elő a vegyészek analizálta természetes anyagokban.

Ez nem jelenti azt, hogy 43-as, 61-es vagy 83-asnál nagyobb rendszámú elemek ideig-óráig sem létezhetnek. Az efféle atomok azonban nem stabilisak, így előbb-utóbb elbomlanak: egy vagy több lépésben stabilis atomokká alakulnak át. Ez nem megy föltétlenül végbe egyetlen pillanat alatt, hanem hosszú időt is igénybe vehet. A tóriumnál (rendszáma 90) és az urániumnál (rendszáma 92) évmilliárdokig tart, míg jelentős részük ólommá (rendszáma 82) válik.

Valójában a Föld létrejötte óta eltelt több milliárd év csupán az eredetileg jelen volt tórium és uránium egy részének elbomlásához volt elegendő. Az eredeti tóriumnak mintegy 80, az urániumnak pedig 50 százaléka mindeddig megúszta ezt, ezért ma is mindkettő megtalálható a földfelszín kőzeteiben.

Bár mind a nyolcvanegy elem (plusz a tórium és az uránium) jelentős mennyiségben fordul elő a Föld „kérgében” (felszíni rétegeiben), közel sem egyenlő mértékben vannak jelen. Leggyakoribb az oxigén (rendszáma 8), a szilícium (rendszáma 14), az alumínium (rendszáma 13) és a vas (rendszáma 26).

Tömegét tekintve a Föld kérgének 46,6 százaléka oxigén, 27,7 százaléka szilícium, 8,13 százaléka alumínium és 5,0 százaléka vas. Négyen együtt a földkéregnek körülbelül hétnyolcad részét teszik ki, míg a maradék egynyolcadot az összes többi elem együtt alkotja.

Ezek az elemek azonban ritkán fordulnak elő elemi formában. A különféle atomok összekeverednek és hajlamosak egymással társulni; az ilyen társulásokat nevezzük vegyületeknek. A szilíciumatomok és az oxigénatomok bonyolult módon kapcsolódnak össze egymással, a szilícium-oxigén társuláshoz pedig itt-ott vas, alumínium és egyéb elemek atomjai kapcsolódnak. Az ilyen vegyületeket szilikátoknak hívjuk; ezek alkotják azokat a közönséges kőzeteket, amelyekben a földkéreg leginkább bővelkedik.

Mivel az oxigénatomok kisebb tömegűek a kéreg többi gyakori eleménél, adott tömegű oxigénben több atom van, mint valamely másik elem azonos tömegében. A Föld kérgének minden 1000 atomjából 625 az oxigén, 212 a szilícium, 65 az alumínium és 19 a vas. Így a földkéreg atomjainak 92 százalékát ez a négy teszi ki.

A Föld kérge azonban nem tükrözi hűen a világegyetem összetételét, sőt még a teljes Földét sem.

Mai ismereteink szerint a Föld „magja” (központi része, amely a bolygó tömegének egyharmadát jelenti) főleg vasból áll. Az ezt figyelembe vevő becslések szerint a Föld egész tömegének mintegy 38 százaléka vas, 28 százaléka oxigén, 15 százaléka pedig szilícium. A negyedik leggyakoribb elem nem az alumínium, hanem a magnézium (rendszáma 12), ez körülbelül 7 százalékkal részesedik. Négyen együtt a Föld egész tömegének hétnyolcadát adják.

Ha az atomok számát tekintjük, a Földnek mint egésznek minden 1000 atomjából körülbelül 480 az oxigén, 215 a vas, 150 a szilícium és 80 a magnézium, úgyhogy ez a négy nyújtja együttesen a földi atomok 92,5 százalékát.

A Föld azonban nem tipikus bolygója a Naprendszernek. A Vénusz, a Merkur, a Mars és a Hold általános összetételüket illetően nagyban hasonlítanak a Földhöz, mivel mindegyikük kőzetekből épül föl, a Vénusz és a Merkur esetében ráadásul a vasban gazdag mag is megtalálható. Ez valószínűleg még néhány holdra és a kisbolygók egy részére is igaz bizonyos fokig, csakhogy mindezek a sziklás égitestek (vasban gazdag mag ide vagy oda) fél százalékát sem teszik ki a Nap körül keringő valamennyi objektum össztömegének.

A Naprendszer tömegének (ha a Napot leszámítjuk) 99,5 százalékát a négy óriásbolygó: a Jupiter, a Szaturnusz, az Uránusz és a Neptunusz adja. Ezek közül a legnagyobb, a Jupiter, egymagában az össztömeg valamivel több mint 70 százalékát jelenti.

Lehet, hogy a Jupiternek is van egy viszonylag kicsiny, kőzeteket és fémeket tartalmazó magja, de még ha így van is, az óriásbolygó tömegének zömét a színképelemzési adatok és a bolygószondák tanúsága szerint a hidrogén és a hélium adja. A többi óriásbolygóval is ugyanez lehet a helyzet.

Ha most a Napot vesszük (ennek tömege 500-szor akkora, mint az egész bolygórendszeré együttvéve, a Jupitertől le a legkisebb porrészecskéig), akkor a színképelemzési adatok alapján azt találjuk, hogy a zömét ennek is hidrogén és hélium alkotja. Közelebbről: tömegének hozzávetőleg 75 százaléka hidrogén, 22 százaléka hélium, és 3 százalékot tesz ki az összes többi elem együttvéve.

Ha a Nap összetételét nem a tömeg, hanem az atomok száma szerint vizsgáljuk, akkor azt kapjuk, hogy minden 1000 atomjából 98920 a hidrogén és 80 a hélium. Az összes többi elemet ezer közül nem egészen egy atom képviseli.

Minthogy a Nap olyan összehasonlíthatatlanul nagyobb részét adja a Naprendszernek, nem tévedünk nagyot, ha elem-összetételét a Naprendszer egészére jellemzőnek tekintjük. A csillagok döntő többsége hasonló elem-összetételű, sőt kiderült, hogy a csillagok, illetve a galaxisok közötti teret kitöltő ritka gázok többnyire szintén hidrogénből és héliumból állnak.

Következésképp valószínűleg igazunk van, ha azt állítjuk: a teljes világegyetem minden 1000 atomjából 920 esik a hidrogénre, 80 a héliumra és kevesebb mint egy az összes többire.