Kde se vzaly chemické prvky a co je z nich složeno? Vznikaly od velkého třesku až po syntézu v laboratořích a tvoří 5 % vesmírného materiálu

Ve dvou článcích jsem připomněl historii Mendělejevovy tabulky chemických prvků, včetně osobních příběhů jejich objevitelů (zde) a původu jejich názvů (zde). V dnešním textu si všímám otázek, jak prvky vznikly, a taky co vše kolem nás je z nich uděláno. Začnu-li druhou otázkou: hvězdy, planety, komety a mezihvězdný prach jsou složeny z prvků, avšak neutronové hvězdy a černé  díry z „našich“ prvků složeny nejsou; individualita  atomů  je v nich  smazána, protože jejich  jádra jsou gravitací

zmáčknuta k sobě tak blízko, že zmizí prostor mezi jádry (neutronové hvězdy) anebo dokonce i prostor mezi kvarky, tj. stavebními jednotkami protonů a neutronů (černé díry). Tyto exoti představují 2 % hvězdné hmoty.

Světlo a vůbec elektromagnetická energie obsažená ve všech fotonech ve vesmíru nemá víc než setinu procenta obyčejné hmoty. Lehké částice jako neutrina mají sotva půl procenta hvězdné hmoty. Takže prvky z naší tabulky by se stále ještě podílely na stavbě 97 % věcí kolem nás – kdyby ovšem neměla astronomická pozorování už přes sto let problém s neviditelnou hmotou. Například, galaxie rotují příliš rychle na to, aby hvězdy v nich viditelné mohly svou gravitací vykompenzovat předpokládané odstředivé síly, takže v nich musí být nějaká temná hmota, která svou přitažlivostí zabrání roztrhání galaxií na kusy.

Temná hmota asi nejsou černé díry nebo málo svítivé objekty a mezihvězdný prach, je to nějaký zcela neznámý typ materiálu, který prolíná všechny galaxie a nejspíš není vystavěn z prvků naší tabulky. Navíc se v roce 1998 přišlo na to, že vesmír před 5 miliard lety náhle zvýšil rychlost svého rozpínání, což nelze vysvětlit jinak, než existencí jakési temné (= tajemné) energie prolínající celý vesmír. Podle dnešních fyzikálních modelů, temná energie představuje 68 % materiálu ve vesmíru, temná hmota 27 %, a na obyčejné materiály z naší Mendělejevovy tabulky tak v našem vesmíru zbývá jen asi 5 %.

Jak známo, vznikl náš vesmír velkým třeskem před 14 miliard lety. Na začátku bylo jen světlo. Tři minuty po velkém třesku vznikl vodík (1), a do 20 minut vzniklo helium (2) a nepatrně lithia (3). Číslo v závorce je atomové číslo udávající počet protonů prvku v jádře a taky pořadí prvku v naší periodické tabulce. Již mnohokrát vydaná kniha „První tři minuty“ od Stevena Weinberga podává nejlepší svědectví o narození vodíku a hélia. Po velkém třesku tvořil vodík 75 % a helium téměř 25 % hmoty. Další prvky se mohly tvořit až ve hvězdách, ty ale vznikly až po 100 milion letech. Jaderné reakce ve hvězdách dávají spojováním lehčích jader vzniknout lithiu (3) a téměř všem prvkům od uhlíku (6) ve druhé periodě tabulky až po olovo (82) v šesté periodě; do mezihvězdného prostoru jsou prvky rozptýleny po výbuchu hvězd.

Na rozdíl od našeho Slunce (stáří 5 miliard let, životnost 10 miliard let), masivní hvězdy vybuchují již několik desítek milionů let po svém vzniku, takže jedna miliarda let je svědkem desítek hvězdných generací. Z mezihvězdného prostoru se rozptýlené materiály stávají stavebními kameny dalších hvězdných generací a také planet, jako je naše Země. Těžší prvky vznikají též při srážkách neutronových hvězd, od niobu (41) až po plutonium (94). Astrofyzikové tvrdí, že taková srážka je zlatý důl například pro tvorbu zlata (79) a platiny (78). Beryllium (4) a bor (5), stejně jako malá část lithia (3), jsou tvořeny štěpením z těžších prvků účinkem kosmického záření. Málo stabilní prvky technecium (43), promethium (61) a transurany od americia (95) po oganesson (118) asi vznikly jen v lidských laboratořích ve dvacátém století. Dnes, 14 miliard let po velkém třesku, tvoří vodík 73 % obyčejné hmoty, hélium 25 %, a na všechny ostatní prvky připadá 2 %.

Ty 2 % jsou důležité pro vznik složitějších, samo-organizujících se struktur, jako například pozemského života. Živé organismy na Zemi využívají 25 prvků z tabulky a většinou potřebují 18 těchto: vodík (1), uhlík (6), dusík (7), kyslík (8), sodík (11), hořčík (12), fosfor (15), síra (16), chlor (17), draslík (19), vápník (20), mangan (25), železo (26), kobalt (27), měď (29), zinek (30), selen (34) a molybden (42). Bakterie také potřebují nikl (28) a vanad (23), některé řasy potřebují křemík (14) a některé organismy potřebují cín (50) a možná chrom (24). Člověk potřebuje též fluor (9) a jod (53) (a až do roku 1971, než byl zrušen zlatý standard, to bylo také zlato (79) J).

Je obdivuhodné, že o existenci atomů mluvil Demokritos již před 2500 lety. On a jeho stoupenci v nich viděli věčné a nezničitelné stavební kameny celého vesmíru, od hvězd až po lidskou mysl. Nemůžeme jim vyčítat, že od psacího stolu nepředpověděli úplně všechno. Velkým úspěchem řeckých atomistů je již ten fakt, že alespoň 5 % vnější reality je složeno z něčeho co se podobá jejich atomům a co s hrdostí též přijalo jimi vymyšlené jméno „atom“ („nedělitelný“). Otázkou, které z našich známých atomů jsou skutečně věčné, se chci zabývat v příštím textu.

Další dosud nezodpovězenou otázkou je, zda mozek uměle vytvořený z výše vyjmenovaných 20 druhů atomů bude myslet. Syntetická biologie dnes již ze základních chemikálií stvořila životaschopný virus i životaschopnou bakterii. Lidský mozek dá větší práci – uvidíme, zda mozek vytvořený v laboratoři z prvků Mendělejevovy tabulky a naplněný relevantními informacemi bude vybaven lidským vědomím.