Já, þetta er ritgerðin “Almenn orð um atómið, frumefnin og uppruna þeirra - og önnur fræði” sem ég gerði fyrir áfangann EÐL483 - stjarneðlisfræði. Þung lesning en ég ákvað samt að setja hana hingað inn, fá smá feedback.
Það eiga að vera einhverjar myndir í henni en oh well… here goes

_________




Almenn orð um atómið, frumefnin, og uppruna þeirra
og önnur fræði


__

Atómið

Uppgötvun atómsins

Þegar ég var lítill spáði í stundum í því hvað myndi gerast ef að ég myndi taka einhvern ákveðinn hlut og skera hann í tvennt. Síðan myndi ég skera hann aftur í tvennt og aftur og aftur. Myndi ég geta haldið áfram að eilífu? Þetta datt þó oftast jafnfljótt úr kollinum á mér og það komst inn í hann. Eflaust hafa margir aðrir velt þessu fyrir sér án þess þó að fá svar við þessu, hugsaði ég. En þar hafði ég rangt fyrir mér.
Fyrir um það bil 2500 árum var þessi sama hugmynd í kollinum á grískum heimspekingi, Demókrítosi. Eftir að hafa velt þessari spurningu vel og vandlega fyrir sér komst hann að þeirri niðurstöðu að það væri ekki hægt að skipta sama hlutnum óendanlega oft í helminga. Einhvers staðar myndi hann enda á einhverju ótrúlega litlu sem að hann gæti ekki skipt meira. Þennan hlut nefndi hann “atóm”, sem þýðir “ódeilanlegur”.
Þetta útskýrði ýmislegt. Hvert fór t.a.m. salt sem var uppleyst í vatni? Samkvæmt því sem Demókrítos hafði sett fram leystist saltið aðeins upp í atóm sín sem að komu sér síðan fyrir í tómarúminu á milli hinna atómanna.
En fyrst atómin eru svona svakalega lítil, er þá nokkur möguleiki að sanna tilvist þeirra? Jú, sagði Demókrítos, galdurinn er að gefa sér það að atóm séu til, og að leiða síðan allt annað út frá því. En í rauninni komst Demókrítos engu nær því að sanna tilvist þeirra, mestan partinn vegna þess að hvorki hann né einhver annar sem að voru uppi á þessum tíma höfðu nægilegan skilning á hvernig efni hagar sér. En það hafði hinsvegar Isaac Newton, tæpum tveim árþúsundum síðar.
Isaac Newton þessi er sennilega mesti vísindamaður allra tíma. Sagan af eplinu sem féll úr trénu kannast sennilega hvert einasta mannsbarn við, en við það að sjá eplið falla úr trénu fór Newton að hugsa hvað það nú væri sem að togaði í eplið. Og þegar hann komst að því að það væri þyngdaraflið þá lét hann ekki þar við sitja. Hann ályktaði að þetta væri það sama og fékk sjávarmál til að rísa og hækka tvisvar á dag. Einnig ályktaði hann út frá þessu að jörðin væri á sporbaug um sólina. Ég ætla að leyfa mér að fullyrða það hér að ekkert annað epli hefur haft jafnmikið áhrif á vísindin og þetta epli. Það fylgir ekki sögunni hvort Newton hafi borðað eplið eður ei.
Lögmál Newtons urðu að boðorðum vísindamanna. Á 18. öld kom fram á sjónarsviðið bráðsnjall maður frá Sviss að nafni Daniel Bernoulli. Það sem að hann gerði var að nota lögmál Newtons til að hjálpa sér við að skilja veröld atómsins. Hann gerði margar tilraunir, og út frá þeim náði hann meðal annars að álykta að hiti væri einungs mælikvarði á hraða atómanna, og að hiti og rúmmál höfðu áhrif á þrýsting, enda væri þrýstingur í rauninni ekkert annað en mælikvarði á það hversu oft atóm skella á veggjum rúmsins sem afmarkar þau.
En björninn var ekki unninn. Þrátt fyrir að tilraunir Bernoullis höfðu sýnt fram á það að atómkenningin væri sennilega rétt, og að allt væri gert úr atómum, voru enn einhverjir efasemdamenn. En einn maður náði svo sannarlega að þagga niður í þeim. Þessi maður var Albert Einstein.
Árið 1905 var mjög merkilegt ár fyrir þennan 25 ára gamla þjóðverja. Hann gaf út fjórar ritgerðir á þessu ári. Sú þekktasta var án efa ritgerð hans um afstæðiskenninguna, en ein af hinum ritgerðunum var um svokallaða “Brown hreyfingu”, og það var hún sem sannaði tilvist atóma fyrir fullt og allt.

Brown hreyfingin er kennd við hinn skoska Robert Brown, en Brown þessi var grasafræðingur. Hann hafði verið að gera athuganir á frjókornum sem flutu um í vatni, og þegar hann sá að frjókornin skutust til á handahófskenndan hátt, líkt og eitthvað væri stanslaust að sparka þeim til. Tilraun þessi var gerð tæpum 80 árum áður en Einstein gerði þessa ritgerð sína, en Brown hafði ekkert svar við hvur andskotinn væri í raun að gerast í tilraunaglasinu. En Einstein hafði svarið.
Þar sem að hvert frjókorn var einungis um það bil einn þúsundasti úr millimetra að þvermáli, voru þau nógu smá til að atómin, eða í þessu tilviki vatnssameindirnar, gátu ýtt þeim til. Og þar sem að það væru mögulega fleiri atóm að ýta á einhvern stað á frjókorninu heldur en einhvern annan, fór það í hina áttina. Þrem árum seinna staðfesti franskur vísindamaður, J. Perrin, þessa kenningu Einstein og leiddi það út að hvert atóm væri tíu milljarðasti úr metra að þvermáli!

Uppgötvun frumefnanna

Grikkir, á tíma Demókrítosar, héldu að frumefnin væru fjögur: jörð, vatn, eldur og loft. Úr þessum fjórum frumefnum átti allt annað að vera samansett. Þeir hefðu nú varla getað verið fjarri sannleikanum. En menn trúðu þessari mynd þó nokkurn veginn allt þar til Lavoisier setti fram fyrsta eiginlega lotukerfið árið 1789, en í því voru 23 frumefni. Englendingur að nafni Dalton gerði nokkrum árum seinna grein fyrir því að frumefni gætu sameinast og myndað sameindir, líkt og vetni og súrefni mynda vatn. Næstu árin bættust þó enn fleiri frumefni í lotukerfi Lavoisiers, og menn veltu því fyrir sér til hvers í ósköpunum það þyrfti öll þessi frumefni. Árið 1815 kom maður fram á sjónarsviðið sem hafði svar við þessari spurningu. Atóm eru ekki smæstu byggingareiningarnar.
William Prout var þó ekki bara að blaðra eitthvað út í loftið. Hann studdist við lögmál Avogadrosar, en í því segir að við sama þrýsting og hitastig er fjöldi sameinda af gasi í ákveðnu rúmi alltaf sá sami. Flestum fannst þessi staðhæfing algjörlega fáránleg sjá Avogadrosi, en það fannst William Prout ekki. Hann ákvað að vigta jafnstórt rúmmál af ýmsum frumefnum. Honum til mikillar undrunar virtust öll frumefnin hafa massa sem var margfeldi af massa léttasta frumefnisins, vetnis, og heillrar tölu. Til dæmis var massi súrefnis 16 sinnum meiri en massi vetnis, og massi niturs var 14 sinnum meiri. Prout ályktaði út frá þessu að öll atóm væru gerð út frá vetnisatómum. Ef að Prout hefði rétt fyrir sér væri hann sennilega að bylta öllu því sem að menn vissu um atómið.
En menn voru ekki lengi að finna vankanta á kenningu Prouts. Massi klórgass var 35.5 sinnum meiri en vetnis. Ef að allt var samsett úr vetnisatómum, af hverju var þá massi klórgassins ekki heilt margfeldi af massa vetnis? Prout þessi féll fljótt í gleymsku og var kenningu hans hafnað.

Uppgötvun atómkjarnans

Ernest Rutherford var bráðsnjall maður. Tilraun hans með alfa-agnir og gullhimnu er sennilega einhver þekktasta tilraun í sögu eðlisfræðinnar, og fer hún á stall með tilraun Millikans og fleiri góðum.
Árið 1908 uppgötvaði Rutherford ásamt nemanda sínum, Hans Geiger (sem að Geiger-teljari, sem mælir geislavirkni er nefndur eftir) að alfa-agnir (eða alfa-eindir) og helíumkjarnar væru hið eitt og sama. Alfa-agnir þessar koma fram sem geislun þegar þyngri og óstöðugri kjarnar spýta þeim út úr sér til að gera sig stöðugari. Þetta vissu þeir þó ekki þegar þeir framkvæmdu tilraunina árið 1906.
Þessir tveir kappar ásamt Ernest Marsden framkvæmdu þessa frægu tilraun. Þeir settu aðeins nokkurþúsunda atóma þykka gullhimnu upp, og hófu að skjóta alfa-ögnum á hana. Á þessum árum var J. J. Thomson nýlega búinn að uppgötva rafeindina (1897), og atómímynd hans var sú að atómið var bara einhvers konar plúshlaðið hlaup, fullt af mínushlöðnum rafeindum. Rutherford bjóst því við að alfa-agnirnar myndu bara fara beint í gegn, enda var hver alfa-eind jafnþung og 8000 rafeindir.
Tilraunin fór eins og skyldi til að byrja með, flestar agnirnar fóru beint í gegn en sumar beygðu smá af leið. Rutherford ákvað samt að athuga, bara til að gera að gamni sínu, hvort að einhverjar þeirra endurköstuðust. Þrem dögum eftir að þeir byrjuðu að athuga það kom Geiger furðu lostinn inn á skrifstofu Rutherfords og lét hann vita af því að ein af hverjum 8000 alfa-ögnum endurköstuðust af himnunni. Eins og Rutherford orðaði það sjálfur, þá var þetta eins og “að skjóta fallbyssukúlu í bréfsnepil, og fá kúluna aftur til baka í sig”.
Út frá þessu ályktaði Rutherford að atómið hefði kjarna, mjög lítinn en mjög massívan þar sem að hann var nógu þungur til að skjóta alfa-ögninni til baka. Í rauninni þyrfti hann að bera nánast allan massa atómsins. Það sem þótti merkilegast við þetta var hversu tómt atómið í raun og veru var. Kjarninn var um 100.000 sinnum minni en atómið sjálft! En úr hverju var þessi kjarni?

Atómkjarninn

Menn gerðu sér fljótt grein fyrir því að í kjarnanum var mjög þung eind, en hún var nefnd róteind. Hún var um það bil 2000 sinnum þyngri en rafeindin. Róteind hafði ákveðna jákvæða hleðslu, en rafeindin hafði jafnstóra, neikvæða hleðslu. Munurinn á milli vetniskjarna og súrefniskjarna var einungis fjöldi róteinda í kjarnanum. Vetniskjarni hafði eina róteind í kjarna, súrefni átta. En af hverju var þá helíumkjarni, næst léttasta frumefnið, fjórum sinnum þyngra en vetniskjarni. Helíum var með tvær róteindir í kjarna og átti þar af leiðandi aðeins að vera helmingi þyngra en vetnisatóm. Það hlaut að vera eitthvað fleira en róteindin í kjarnanum, ályktaði Rutherford. Að lokum sættist Rutherford á þá hugmynd að það væru einnig rafeindir í kjarnanum. Þess vegna þyrfti helmingi fleiri róteindir í kjarnann. Þegar árin liðu fór Rutherford þó að neita þessari hugmynd. Árið 1932 uppgötvaði James Chadwick síðan nifteindina, sem er óhlaðin. Í mikið einfölduðum alheimi er nifteind í rauninni bara róteind og rafeind splæst saman, þannig að Rutherford var ekki svo fjarri sannleikanum.
Uppgötvun nifteindarinnar útskýrði margt, þar á meðal hvernig samsætur frumefna verða til. Munurinn á C-12 og C-14 er til að mynda einungis sá að C-14 hefur tvær aukanifteindir fram yfir C-12.
Þarna var komin endanleg atómímynd: Róteindir og nifteindir saman í þykkum klump í miðjunni með rafeindir svífandi um í mjög mikilli fjarlægð, amk. miðað við stærðarhlutföllin. Og þegar að geislavirkur atómkjarni hóstaði frá sér alfa-eind, var hann að losa sig við tvær nifteindir og tvær róteindir og um leið að lækka sig um tvö sæti í lotukerfinu. En af hverju féllu rafeindirnar ekki inn í atómkjarnann?

Bohr atómið

Samkvæmt Maxwell, sem verður komið betur að síðar í ritgerðinni, sendir hlaðin ögn frá sér rafsegulbylgju í formi ljóss þegar hún breytir um hraða eða stefnu. Þar sem að rafeindin er hlaðin ögn ætti hún samkvæmt lögmálum Maxwells að senda frá sér ljóseindir út í rúmið. En ef að hún myndi gera það myndi hún tapa orku sinni strax og hrapa í kjarnann. Strax var kominn galli á atómímynd Rutherfords. En það kom ekki að sök
Niels Bohr hóf að vinna með Rutherford 1912. Bohr ályktaði að fyrst að þekkt eðlisfræðilögmál viðurkenndu ekki tilvist atóma, þá lytu atóm ekki þeim lögmálum, heldur færu þau eftir sínum eigin lögmálum. Bohr hélt því fram að rafeindir gætu einungis ferðast á braut í kringum atómkjarnann á sérstökum brautum, og að ef að rafeind myndi stökkva á milli tveggja brauta myndi hún gefa frá sér ljóseind sem samsvaraði orkustökkinu. Það má í raun segja að Bohr-atómið sanni atómkenningu Rutherfords, fyrir utan það að nifteindina uppgötvaði Thomson.
Þegar Bohr setti fram orkustökksbrautirnar gerðu menn sér grein fyrir því að þarna væri það sem olli því að mismunandi frumefni höfðu mismunandi litrófslínur, en með þeim gátu menn greint innihald stjarna. Gleypirófið, eða hárþunnu, svörtu línurnar sem enginn gat útskýrt áður fyrr, var hægt að útskýra þannig að þegar ljóseind með nákvæmlega þá orku sem þurfti til að kýla rafeind upp um eitt hvolf skall á atóminu, gleypti það ljóseindina og olli þessari svörtu línu.

___

Sólin

Aldur sólar

Anaxagoras hét maður sem var uppi á svipuðum tíma og Demókrítos. Hann var einnig grískur. Og það var hann sem að var einna fyrstur til að gefa líklegt svar á það hvað sólin væri. “Sólin er stór logandi járnkúla, ekki mikið stærri en Grikkland.” Ekki hafði hann rétt fyrir sér, en í hundruðir ára héldu menn að sólin væri úr járni.

En þetta svar Anaxagorasar fékk menn til að velta annarri spurningu fyrir sér. Af hverju skín sólin? Ef hún er logandi járnkúla hvaðan fær hún þá orkuna til að skína endalaust? Stanslaus þyngdarþjöppun eða samfellt loftsteinaregn á yfirborði hennar voru á meðal fyrstu svaranna. En það var gjörsamlega ómögulegt að það gæti séð sólinni fyrir orku þar sem jörðin þurfti að vera hundruða milljón, jafnvel einhverra milljarða ára gömul til að þróun lífs hefði getað átt sér stað. Að lokum staðfesti svo Rutherford aldur jarðar með mælingum magni blýs í úraníumi, en þegar að úraníum hrörnar, spýtir það úr sér alfa-eind og verður að blýi. Þar sem að Rutherford vissi helmingunartíma úraníums gat hann reiknað út aldur jarðar frá magni blýs í úraníumi. Hann fékk út að jörðin væri 4 milljarða ára gömul. Athuganir síðan þá hafa staðfest að jörðin er 4.6 milljarða ára gömul. Og ef að jörðin er 4.6 milljarða ára gömul þá er sólin það líka. En hvað getur hafa séð sólinni fyrir orku í allan þennan tíma?

Sólarorka

Ljós er ekkert annað en orkuform. Ef að maður lítur á sólina og hefur það í huga hlýtur maður að gera sér grein fyrir því að sólin gefur frá sér ótrúlega mikla orku á hverri sekúndu. Til að vita hvernig hún framleiddi orku þurfti að vita úr hverju hún er.
Francis Aston hét maður. Hann var uppi á svipuðum tíma og Einstein og kollegar hans og það sem hann lagði af mörkum til eðlisfræðinnar var brilliant tæki sem heitir “mass spectograph” á frummálinu, en það flokkar frumefni eftir massa. Köllum það massaflokkara (ég veit, hræðilegt orð!) Með þessu tæki mældi hann massa frumefnanna og hann komst nánast að sömu niðurstöðum og Prout hafði gert áður fyrr. Munurinn var sá að massinn var ekki heil tala, heldur var hann nærri því heil tala. (Massinn var miðaður við að C-12 væri 12u). Massi vetnis var til að mynda 1.008u. Ef að súrefni var gert úr 16 vetnisatómum átti massi þeirra að vera 16 sinnum 1.008 = 16.128. En massinn var aðeins 16.
Þetta olli Aston svolitlu hugarangri, eða allt þar til hann kom höndum yfir ritgerð eftir hinn franska De Merignac. De Merignac þessi hafði skrifað þessa ritgerð 60 árum áður, og í henni kom fram hin fræga setning að “massi tapast sem orka”. Aston leiddi út frá þessu að hvert atóm væri léttara en byggingarefni þess. Á þessum tíma þótti það algjörlega óhugsanlegt en með tilkomu afstæðiskenningarinnar var hægt að útskýra þetta.

Afstæðiskenningin

James Clark Maxwell var skoskur vísindamaður sem árið 1876 setti fram fjórar jöfnur sem tengja raf- og segulsvið saman í eina heild. Hann reiknaði út til að mynda að hraði ljóssins væri óháður bæði ljósgjafa og athuganda þess. Til að útskýra þetta betur þá skipti ekki máli hvort maður var að ferðast á 99.9% af ljóshraðanum á eftir ljósi. Ljósið myndi alltaf virðast vera fara fram úr manni á ljóshraða.
Einstein sagði að ef að svo væri, þá sveigðust bæði tíminn og rúmið með auknum hraða. Þannig að ef þú værir að elta ljósið á gífurlegum hraða, þá myndi rúmið í kringum þig minnka og tíminn hægja á sér til að gefa ljósinu forskot! Einstein ályktaði út frá þessu að tíminn og rúmið væru eini og sami hluturinn. Einnig ályktaði hann að þar sem að þyngd líkamans yrði mótstaða, þá myndi hreyfiorkan sem hann hefði öðlast breytast í orku. Þeas. að massi og orka séu í raun bara sitthvor hlið á sama pening. Massi er í sjálfu sér orkuform. Og út frá því leiddi hann að
E = mc2
þar sem að E er orka, m er massi og c er hraði ljóssins. Í þessari jöfnu felst að ótrúlega lítill massi felur í sér gríðarlega mikla orku. Og þegar að massi eyðist þegar vetnisatóm bindast saman hlýtur orkan vegur upp á móti að vera mikil. Ef til vill nægilega mikil til að sjá sólinni fyrir orku. Eða hvað?

Losun bindiorku

Róteindir hrinda hvor annarri frá sér. Krafturinn sem sér um að hrinda þeim frá hvorri annarri heitir veiki kjarnakrafturinn. En þegar róteindirnar eru komnar gríðarlega nálægt hvorri annarri, tekur sterki kjarnakrafturinn við. Hann dregur þær saman og veitir þeim gríðarlega hreyfiorku. Það er hægt að hugsa sér kodda sem er kastað upp í loftið. Í hæsta punkti hefur hann sem mesta stöðuorku. Þegar koddinn kemur niður breytist stöðuorkan í hreyfiorku og það endar með því að hann lendir á jörðinni og er búinn að tapa allri orku sinni. Allir hlutir hafa minni orku bundnir heldur en lausir. Koddinn í þessu tilviki er bundinn við jörðina en þegar hann var laus hafði hann meiri orku. Það sama gildir um róteindirnar. Og þar sem að orka er massi, þá léttast róteindir-nar þegar þær eru óbundnar heldur en þegar þær eru bundnar.
Bindiorka er þar af leiðandi sú orka sem að nýmyndaður kjarni gefur frá sér hverju sinni. Og þar sem að bindiorkan er núll fyrir óbundna hluti, er bindiorka alltaf negatíf. Þetta útskýrði vandamálið sem að Aston lenti í með massaflokkarann sinn. En með þessu hafði Aston sýnt fram á það að það gæti verið losun bindiorku, þ.e. léttari atóm að breytast í þyngri atóm plús orku sem gætu verið það sem sæi sólinni fyrir orku.

Atómið klofið

Rutherford tókst stuttu eftir að Aston sýndi fram á að orka losnar þegar léttari frumefni verða að þyngri frumefnum að kljúfa atómið. Honum, ásamt Marsden, tókst að breyta venjulegu nitri í súrefni-17 auk róteindar og orku. Perrin, sá sem staðfesti stærð atómsins, ákvað að þetta væri að gerast inni í sólinni, vetni væri að breytast í helíum plús orku. En til að vetniskjarnar gætu sameinast þurftu þeir að komast sem nemur einum milljón milljónasta úr millimetra frá hvorum öðrum. Til þess að það gerðist þurftu kjarnarnir gífurlegan hraða og þar af leiðandi þurfti hitinn að vera gríðarlegur, allt að 10 milljarðar gráður. En var það mögulegt? Hvernig var hægt að komast að því hversu heitt var inni í sólinni?

Innri gerð sólarinnar

Arthur Stanley Eddington var alveg viss um að ferlið sem hélt sólinni gangandi var vetni að umbreytast í helíum. Eddington gerði ráð fyrir, og vissi í rauninni að sólin væri gífurlega þung. Þar af leiðandi væri gríðarlegur þyngdarkraftur sem reyndi að toga hana alla að kjarnanum. Og eitthvað varð að vinna á móti þyngdarkraftinum. Eitthvað jafnstórt honum eða mjög nálægt því. Þetta þarf að vera í nánast fullkomnu jafnvægi. En það var engin leið að rannsaka stjörnu jafn massífa og sólina. Eddington komst hinsvegar að því að það væri sennilega mun auðveldara að rannsaka svokallaða rauða risa, stjörnur á lokastigi ævi sinnar.
Þessar risastjörnur voru í raun tvær stjörnur, járnkjarninn sem var gríðarlega massífur, og gasið utan um hann sem teygði sig þúsund milljónir kílómetra út í geiminn. Rauðir risar voru oft álíka massamiklir og sólin, en ef að þeim stærstu væri komið fyrir í miðju sólkerfisins okkar myndi radíus þeirra ná út fyrir braut Júpíters! Meira að því seinna.
Eddington gerði sér grein fyrir því að stjarna var ekki heit vegna einhverrar orkustöðvar innra með henni, heldur vegna þrýstingsins sem að lá á kjarnanum. Ef að sólin varð of heit, tútnaði bara aðeins úr henni, og þrýstingurinn minnkaði. Þar af leiðandi minnkaði hitastigið. Ef að sólin var of köld, þá þéttist hún bara, þrýsingurinn hækkaði og hitinn þar af leiðandi. En Eddington komst ekki mikið nær því að leysa ráðgátuna um hvað það virkilega var sem fékk sólina til að skína.


Gamow

Úkraínski glaumgosinn George Gamow hjálpaði Eddington við að leysa þennan vanda sinn. Gamow hafði lært hjá Aleksandr Friedmann, en Friedmann þessi setti einmitt fram kenninguna um Mikla-Hvell.
Gamow þessi hafði tekið eftir því að alfa-agnir spýttust stundum út úr geislavirkum efnum, þó svo að efnið hafi ekki haft næga orku til að spýta alfa-ögninni út. Hann tók eftir því að þegar úraníum-238 hrörnar þá spýtir það frá sér alfa-ögn. Til að þessi alfa-ögn geti sloppið úr úraníumkjarnanum þarf hún að hafa orku upp á amk. 17 MeV. Samt höfðu Rutherford og fleiri mælt orku alfa-agna sem sloppið hafa úr úraníumkjörnum og höfðu þær orkuna 4.2 Mev, sem er í rauninni óhugsandi. Og í stað þess að skjótast út, þá var hún ekkert að flýta sér. Gamow velti þessu aðeins fyrir sér og komst að því að mistökin sem allir voru að gera voru sú að fólk bjóst við að alfa-ögnin hlýddi almennum lögmálum og almennri skynsemi. En eins og Niels Bohr hafði sýnt fram á var ekki hægt að treysta á neitt slíkt í heimi atómsins.

Tunnel effect


Gamow sagði að alfa-ögnin stytti sér bara leið, hún græfi sér eiginleg göng í þennan orkuhjalla og fór bara þar í gegn. Því dýpri sem að hjallinn var, því stöðugari var atómið. Því grynnri, því óstöðugari.
Gamow var þó ekki vel að sér í stjörnufræði og hann áttaði sig í raun ekki að hann hefði sennilega uppgötvað lykilinn að orkuforða sólarinnar.
Tveimur mönnum, Houtermans og Atkinson, tókst að gera sem mest úr þessari hugmynd Gamows. Houtermans hugsaði með sér að fyrst það væri hægt að komast svona út úr kjarnanum, þá væri klárlega hægt að komast inn í hann líka. Þetta opnaði dyr mannshugans að því sem við þekkjum sem kjarnasamruna. En hann gat ekki skotið alfa-eindum né öðrum eindum inn í kjarna á tilraunastofu sinni. Hann fékk eindirnar ekki til að fara nógu hratt, þeas. hann náði ekki að hita þær nóg. Þá fékk hann sennilega merkilegustu hugdettu sína. Þetta hlýtur að vera hægt í sólinni.
Það tók 10 ár fyrir þessa herramenn að uppgötva einn stórmerkilegan hlut. Róteind getur breyst í nifteind, þvert gegn því sem menn trúðu. En hvernig? Jú, róteindin sendir frá sér jáeind, sem er plúshlaðin rafeind, og fiseind. Það var maður að nafni Hans Bethe sem tengdi þetta sólinni. Bethe, sem þurfti að flýja Þýskaland nasismans, komast að því hvað fær sólina, og aðrar sólir, til að skína.

Sólskin

Bethe uppgötvaði að það var svokallaður “kolefnahringur” sem fékk sólina til að skína. Þetta er flókið ferli sem ég ætla ekki að reyna að útskýra til fulls hérna, aðallega vegna þess að það er ekki þessi kolefnahringur sem fær sólina til að skína. Hins vegar er það þessi kolefnahringur sem fær heitari sólir en okkar sól til að skína. Í meginatriðum er það sem gerist í kolefnahring það að C-12 gleypir róteind og verður að N-13. N-13 verður að C-13, heldur síðan áfram að gleypa róteindir og verður að, N-14, O-15, og loks að N-15. Síðan spýtir kjarninn út alfa-eind og orku og verður aftur að C-12, sem má nota aftur.
Það sem sér hinsvegar okkar sól fyrir orku er svokölluð “P-P keðja”, þar sem P stendur fyrir enska orðið fyrir róteind, proton. Íslensk þýðing á þessu ferli er þá eitthvað í námunda við róteindakeðja. Vetniskjarnar, sem eru ekkert annað en lausar róteindir rekast á og festast saman. Þar sem að þær hafa báðar jákvæða hleðslu þurfa þær að yfirvinna veika kjarnakraftinn. Það tekur allt að einn milljarð ára fyrir hverja eind. Róteindirnar sem festast saman senda frá sér fiseind og jáeind, sem er andróteind. Önnur róteindin verður að nifteind og þar af leiðandi erum við komin með tvívetni. Nánast um leið og þetta gerist kemur önnur róteind aðvífandi og sameinast tvívetninu og myndar He-3 kjarna sem sendir frá sér gífurlega orku í formi gammageisla. Síðan, einhvern tímann á næstu milljón árum rekast tveir svona He-3 kjarnar saman og mynda alfa-eind plús tvær róteindir.
Þetta gengur við hitann sem er í sólinni okkar og er sem sagt það sem heldur henni viðgangandi. Menn sönnuðu svo tilvist þessa með fiseindanemum á jörðu niðri. Af þessum fiseindanemum ber helst að nefna “The Super Kamiokande”. Hann er yfir 40 metra hár og með um 13 000 nema, og er stærsti fiseindatankur í heimi. Samt hefur honum aðeins tekist að nema um 20 fiseindir, en hann nam þá fyrstu árið 1988. Það er ótrúlega lítið og það segir meira en mörg orð um fiseindir, en sólin sendir frá sér eitthvað í kringum 10^58 fiseindir á sekúndu!

___

Uppruni frumefnanna

Um bindiorku

Hér fyrir ofan var minnst á bindiorku, og framlag Astons með massaflokkarann sinn til mælinga á henni.Út frá niðurstöðum hans er hægt að leiða líkur að því að milliþung frumefni eru þéttar bundin heldur en létt og þung frumefni.
Myndin hérna til vinstri sýnir svokallaða bindiorkukúrfu, þar sem að x-ásinn er fjöldi kjarneinda, og y-ásinn er bindiorkan. Eins og sjá má nær kúrfan hápunkti í kringum 60, nánar tiltekið í 56, en járn er það frumefni sem er með 56 kjarneindir.
Út úr kúrfunni er hægt að lesa það að létt frumefni geta gefið frá sér orku þegar þau sameinast í þyngri frumefni. Það er að segja, þau geta það allt þangað til að það hefur breyst í járn. Eftir það þá þarf orku til að hækka sætistöluna. En á þessu eru undantekningar.
Helíumkjarnar, alfa-eindir, hafa hærri bindiorku en kjarnarnir sem eru í kringum helíum í lotukerfinu. Helíumkjarnar eru í raun svo þétt bundnir, að þeir geta haldist saman inn í stærri kjarna. Það er þess vegna sem að geislavirk efni spýta frá sér alfa-eindum. Einnig hafa C-12, N-15 og O-16 eilítið meiri bindiorku en kjarnarnir í kring. Það var svo kona að nafni Cecilia Payne sem sannaði það að þéttar bundin efni væru algengari en þau sem höfðu lægri bindiorku. Þar með var komin fyrsta sönnunin fyrir því að öll frumefni, en ekki bara helíum, væru búin til.

Frumefni þyngri en járn

Allar götur frá því að Prout sagði að öll frumefni voru gerð úr minni kubbum beindust augu manna að vetni. Síðar, þegar kjarninn var uppgötvaður, fór athyglin öll á róteindina. Til að gera þyngri kjarna var róteindum bara splæst saman. En þegar bindiorkukúrfa Astons kom fram á sjónarsviðið flæktust málin aðeins. Hvernig er mögulegt að búa til frumefni þyngri en járn? Veiki kjarnakrafturinn hrinti róteindum frá kjarna þegar þeim var skotið að honum. En nifteindin veitti svar við þessu. Þar sem að hún hefur hvorki jákvæða né neikvæða hleðslu getur hún bara runnið inn í kjarnann. Carl-Friedrich von Weizsäcker sagði að einhvers staðar í alheiminum væri staður þar sem að atómkjarnar væru í stöðugri nifteindahríð. Atómkjarninn gæti gleypt ákveðið margar nifteindir þar til að hann yrði óstöðugur, og þá myndi eins nifteindin senda frá sér beta-geislun, þeas. ein nifteindin myndi klofna í róteind og rafeind og þar með hækka sætistöluna um einn. Ferlið myndi síðan bara endurtaka sig.
Það sem að von Weizsäcker komst hinsvegar að var að hvert frumefni hlyti að hafa orðið til við mismunandi aðstæður, og að einhvern veginn yrðu þessi frumefni að skjótast út í geiminn til að geta myndað plánetur eins og jörðina.

Mikli-Hvellur

Á þriðja áratug síðustu aldar uppgötvaði stjörnufræðingurinn Edwin Hubble, sem flestir tengja við Hubble-sjónaukann, að vetrarbrautin okkar væri einungis ein af milljörðum vetrarbrauta. Einnig uppgötvaði hann að alheimurinn var að þenjast út, en það ýtti undir það að alheimurinn hafi þá einhvern tímann verið minni. Þetta ýtti undir kenningar Aleksandr Friedmanns um Mikla-Hvell, þeas. að alheimurinn hafi ekki verið til að eilífu heldur orðið til í stórri sprengingu í árdaga.

George Gamow var fljótur að álykta að frumefni þyngri en járn hefðu myndast í Mikla-Hvelli þar sem að í honum voru allar mögulegar aðstæður til að mynda þung frumefni, hiti og þrýstingur. En það var galli á gjöf Njarðar. Líftími nifteinda, en hann er aðeins um 10 mínútur. Nifteindir sem eru lausar í lengri tíma en 10 mínútur klofna í róteind og rafeind.
Gamow, eða tveimur nemendum hans reyndar, tókst hins vegar að leiða líkur að því að þegar alheimurinn myndaðist urðu til vetnis og helíumkjarnar í massahlutföllunum 3:1.

Rauðir risar

Rauðir risar verða til þegar vetniseldsneytið í kjarna stjörnunnar er uppurðið og það eina sem eftir er er helíum. Stjarnan hættir að geta stutt eigin þyngd og hún byrjar að minnka. Það kviknar í vetni sem er utar í stjörnunni og hún logar glatt. Vetnið brennur í eins konar skel utan um helíumið. Kjarninn heldur áfram að minnka og hitna, en ytri hluti stjörnunnar tekur að hitna og þenjast út á ný. Hitinn í þessum helíumkjarna verður allt að 100 milljón gráður. Það er nægilega mikill hiti til að mynda þyngri frumefni. Aftur á móti verður ytri hluti stjörnunnar gríðarlega stór. Til að mynda er radíus rauða risans Betelgásar lengri en radíus sporbaugs Júpíters! Þegar sólin okkar verður rauður risi, eftir uþb. 5 milljarða ára, mun hún gleypa jörðina. Svo stór verður hún. Og þá verður nú voða lítið um líf á jörðinni.

Sprengistjörnur (Súpernóvur)

Rauðir risar enda ævi sína á því að vera sprengistjörnur. Þegar eldsneytið er búið í kjarnanum verður helíum að kolefni og veitir það stjörnunni eilítinn gálgafrest. En svo klárast sú orka og kolefni verður að súrefni. Súrefni verður að sílíkoni og sílíkoni verður loks að járni, en þá erum við komin efst í bindiorkukúrfuna. Kjarninn fellur svo saman og við það losnar gríðarleg þyngdarorka sem sprengir stjörnuna, og er það gríðarlegt sjónarspil. Í vetrarbrautinni okkar verður ca. 1 svona sprenging á hverjum 20 árum. Miðað við það að það eru um 1000 milljarðar vetrarbrauta í alheiminum, þá verða 1000 svona súpernóvur á hverri sekúndu!

En hvernig verður helíum að kolefni? Þar sem það eru engir stöðugir atómkjarnar með 5 til 8 kjarneindir reyndist það vísindamönnum erfitt að svara þessu, og það þurfti einhverja brjáluðustu forspá í sögu vísindanna til að gera það.

Triple-alpha process

Triple-alpha process er þegar þrjár alfa-agnir skella á hvorri annarri og mynda kolefni. Þetta er þó einstaklega erfitt að gera þar sem að tvær alfa-agnir sem skella saman mynda beryllín-8, sem er mjög óstöðugt og klofnar eftir 7 · 10^-17 sekúndur í tvær alfa-agnir. Þetta ferli gæti því ekki fullnægt kolefnisþörfum rauðs risa.
Menn áttu í svakalegum vandræðum með að útskýra þetta. Að lokum fékk Fred Hoyle nóg, en Hoyle þessi átti mikinn þátt í að útskýra súpernóvur og rauða risa.
Hoyle reiknaði út að ef að kolefni hafði orkustig í kringum 7.65MeV þá myndi beryllínið ekki klofna svona fljótt, og þriðja alfa-eindin hefði tíma til að mynda kolefni með beryllíninu. Þannig að hann sagði einfaldlega: Ef að kolefni hefur ekki orkustigið 7.65MeV, þá er það ekki til, og þar af leiðandi er mannkynið ekki til! Það sem hann var í raun að segja var það að bara sú staðreynd að hann væri lifandi væri sönnun á því að kolefni hafði orkustigið 7.65MeV. Fáránleg röksemdafærsla! Eða hvað.
Hoyle talaði við Willy Fowler, virtan kjarneðlisfræðing. Fowler ákvað að hlusta á þennan mann halda því fram að kolefni hefði þetta óþekkta orkustig, og hann ákvað síðan að hjálpa honum, bara að gamni í rauninni. Þetta átti eftir að veita Fowler Nóbelsverðlaun, en þeim félögunum tókst að finna þetta orkustig, og opna þar með dyrna fyrir öll þyngri frumefni til að myndast.
Reyndar hafði helíum plús beryllín orkustigið 7.37MeV, en hitinn í rauðum risum hækkaði það upp í 7.65MeV. Kolefni plús helíum hefur orkustigið 7.16MeV, en súrefni er þar alveg við hættumörkin, 7.12MeV. Ef það væri mikið lægra gæti súrefni ekki myndast.

Önnur frumefni

Alpha process heitir það þegar frumefni hækka sætistölu sína um tvo með því að gleypa alfa-eind. Súrefni-16 verður að neon-20 sem verður að magnesíumi-24 og svo framvegis. Allt upp að járni-56. Öll frumefni með hætti sætistölu en járn verða til við nifteindagleypingu. Til er hæg nifteindagleyping, s-process, sem er þegar frumefni gleypir nifteind sem verður að róteind og hækkar sætistöluna um einn, og svo er til hröð nifteindagleyping, en það er þegar kjarni gleypir margar nifteindir á stuttum tíma, r-process, en það er venjulega um sekúnda á milli nifteinda. Sumar nifteindir verða að róteindum, en aðrar verða bara nifteindir. Það útskýrir t.d. af hverju úraníum-235 er með 92 róteindir og 143 nifteindir. En hvaðan koma allar þessar nifteindir?
Þær koma þegar C-13 og alfa-eind sameinast í súrefni plús nifteind sagði Alastair Cameron, kanadískur kjarneðlisfræðingur. En C-13 er mjög sjaldgæf samsæta. Hvernig verður hún til? Cameron spurði Hoyle álits. Hoyle fékk Fowler og Burbidge-hjónin, Geoffrey og Margaret með sér til að rannsaka þetta mál. Þau uppgötvuðu þess nifteindagleypingaferli sem lýst er hér fyrir ofan.
Fjórmenningarnir gáfu út tímamótaritgerðina “B-squared-FH” árið 1957 í tímaritinu Reviews of Modern Physics, en ritgerð þessi er nefnd eftir upphafsstöfum eftirnafna höfunda hennar. Burbidge í öðru, Fowler og Hoyle. Í henni voru talin upp þau ferli er mynda frumefnin. Vetnisbruni, eins og fer fram í sólinni okkar. Triple-alpha ferlið, alpha ferlið, nifteindagleyping, p-process, sem er þegar að kjarni tekur til sín róteind, ekki nifteind, en til þess þarf hita yfir milljarð gráður. Jafnvægisferlið, sem á sér stað í sprengistjörnu, en það þarf yfir milljarð gráður til að ganga. Og í síðasta lagi, x-process, sem þau áttu enn eftir að uppgötva. Það var hvernig léttari frumefni mynduðust, frumefni svo sem helíum, en það var of mikið af helíumi í alheiminum, ca. 10 sinnum meira en það átti mögulega að geta verið miðað við þekkt frumefnamyndunarferli. Hvaðan kom það allt?

Helíum

Þegar bakgrunnsgeislun alheimsins var uppgötvun 1963 þótti það sanna kenninguna um Mikla-Hvell. Hoyle og Fowler leituðu upplýsinga um uppruna helíums allar götur aftur til dögunar alheimsins. Þá skiptu hugtökin róteindir og nifteindir voða litlu máli, þar sem að hitinn var svo mikill og allt eindaflóðið var svo gífurlegt að róteindir og nifteindir hoppuðu á milli fasa, þeas. róteind varð allt í einu að nifteind sem var strax að róteind osfrv.
Síðan kólnaði alheimurinn niður og róteindir og nifteindir urðu til í nokkuð jöfnu hlutfalli, en á næstu mínútum skekktist þetta hlutfall sökum nifteindalíftímans.
Það var um það bil 7 sinnum meira af róteindum en nifteindum. Það þýðir 14 róteindir á hverjar 2 nifteindir. Og þar sem að að alfa-eind er ekkert nema 2 nifteindir og 2 róteindir voru þá 12 róteindir, vetniskjarnar, á hverja alfa-eind. Og þar sem að alfa-eindin er 4 sinnum þyngri en vetniskjarni var massahlutfall helíums 4 / 4+12 = 25%, sem er um það bil það sem að vísindamenn voru að fá út úr útreikningum sínum.
Þannig að þetta x-process sem talað var um í “B-squared-FH” var þá ekkert annað en Mikli-Hvellur.

Dauði stjörnu

Þegar kjarni rauðs risa er orðinn að járni og er nánast búinn með alla sína þyngdarorku er hann orðinn gríðarlega þéttur. Svo þéttur að nánast allur massi stjörnunnar er samankominn í mjög lítilli kúlu, þó ekkert á við svarthol. Róteindir og rafeindir í kjarnanum sameinast í nifteindir, og senda þær frá sér fiseindir. Fiseindir geta venjulega farið í gegnum allt, en þar sem að kjarninn er svo gríðarlega þéttur, þá rekast fiseindirnar gjarnan í hann á leið í gegn, og nema á brott mestan hluta orkunnar sem kjarninn hefur. Það væri þó ekki að fiseindir, þessar agnarsmáu agnir sem að enginn ætti að vera var við, skuli standa á bakvið sprengingu þessara risastóru stjarna!

Stjarnan springur og myndar þetta gífurlega sjónarspil sem við þekkjum sem sprengistjörnu, en þær sjást oft með berum augum frá jörðu. Þó eru ekki til mörg dæmi um að sprengistjörnur haf sést frá jörðinni. Frægasta dæmið er sennilega Krabbaþokan, en hún sprakk 1056, og lýsti hún upp himininn í margar vikur á eftir.


Eftirmáli

Eftir Mikla-Hvell voru sem betur fer einhverjar ójöfnur í alheiminum, en þyngdarafl reynir alltaf að gera sem mest úr ójöfnum. Úr þessum ójöfnum urðu vetrarbrautir og stjörnur, úr stjörnunum urðu það frumefni sem eru nauðsynleg til lífs og úr þeim erum við búin til.
Þegar maður hugsar til þess hversu mjóu munar að líf á jörðu sé til, eða þá að jörðin sé til yfir höfuð, getur maður ekki annað en hugsað til þess að það hlýtur að vera líf einhvers staðar annarsstaðar í þessum nánast óendanlega stóra alheimi. Allar tilviljanirnar, orkustig kolefnis og súrefnis, tunnel effect og meira til hljóta að vera merki þess að líf sé ekki bara eitthvað sem varð bara til á einni plánetu, heldur að það sé hluti af stóru alheims “samsæri”, ef svo má orða það.

___

Heimildaskrá:

“The Magic Furnace: The Search For The Origin Of Atoms.” eftir Marcus Chown. Gefin út 1999. Cox & Wyman, Reading, Englandi.

“Eðlisfræði 403” eftir Davíð Þorsteinsson. Gefin út 2002 í Reykjavík.

http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/energy/triplealph.html

Ýmis svör á Vísindavefnum, http://visindavefur.hi.is/

Myndir sóttar á http://www.google.com/