كيف تكونت العناصر الكيميائية

في الانفجار الكبير الذي حدث قبل 13.7 مليارعام في بداية تشكل الكون تولدت طاقة حرارية هائلة تقدر بحوالي الف تريليون تريليون درجة ، وكانت هذه الحرارة كافية لتتحول الى جسيمات مثل بروتونات ونيترونات وهذه تتشكل لتخلق نوى ذرات التي بدورها تكون مع الالكترونات عناصر كيميائية على شكل غازات وغبار ومعادن مختلفة .
تلك الحرارة الهائلة كانت اكثر من المطلوب لتكوين 1050 طن من مادة الكون المرصودة ، ولازال هناك فائض هائل من الطاقة على شكل حرارة واشعاعات كهرومغناطيسية مختلفة تملأ الكون .
يتكون الكون من مادة وطاقة ، وهما شكلان لا ينفصلان قابلان للتحول من كتلة الى طاقة وبالعكس ويمكن حسابها بموجب معادلة انشتاين الشهيرة : [ الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء ].

ولا تزال عملية تحويل العناصر مستمرة داخل افران النجوم فتحترق ذرات غاز الهيروجين وتندمج نوياتها لتنتج غاز الهيليوم الخامل وهذا بدوره يتحول الى كربون وعناصر اخرى بفعل الاندماج النووي لنوى الذرات مع بعضها البعض وتجمع البروتونات والنيترونات في ذرات مستقلة لتنتج عناصر كيميائية ذات خصائص متنوعة .

استطاع علماء الكيمياء والفيزياء من اكتشاف 811 عنصرا كيميائيا معروفا على سطح الارض لحد الان في غلافها الغازي ومائها وصخورها.
كما عثر العلماء على هذه العناصر الكيميائية موجودة في النيازك التي سقطت على سطح الارض و وجدت في صخور القمر التي جلبت من هناك او تم تحليلها بواسطة المسبار المتنقل على سطح المريخ . اذا فهذه العناصر موجودة في الكون كله .

كما عرف علماء الكيمياء التحليلة ان جسم الانسان والكائنات الحية يتكون من نفس عناصر الطبيعة ومعادنها . فجسم الانسان مثلا يتكون في الاساس من عنصر الكربون اضافة الى الماء المكون من الهيدروجين والاوكسجين ، اضافة للحديد الذي يشكل مادة مهمة في هيموغلوبين الكريات الحمراء ، وهناك الكثير من تلك العناصر موجودة داخل الجسم وتكوّن مادته اللازمة لأدامة الحياة .
فمن اين اتت تلك العناصر الكيميائية وما هو مصدرها وكيف نشأت ؟
يقول علماء الفيزياء الفلكية ، ان مصادر كل العناصر الكيميائية التي تكون خلايا الكائنات الحية وصخور الارض والكواكب هو النجوم .

العالم الفيزيائي البريطاني جون جريبين يقول في كتابه ( قصة الكون) :
بدأت الحياة بعملية تكوين النجوم ، لقد صٌنعت المواد الكيميائية وعناصرها من انواع شتى من المادة الباريونية ، وليس من الهيدروجين والهيليوم فقط .
كل عنصر كيميائي في اجسامنا فيما عدا ذرات الهيدروجين قد انتج داخل احد النجوم .
يتم في داخل النجوم تفاعلات نووية تؤدي الى اندماج نوى الذرات مع بعضها منتجة طاقة حرارية وضوئية واشعاعية هائلة , وهذه الحرارة والطاقة المنبعثة الى الخارج تمنع تقلص النجم حول نفسه بفعل الجاذبية الذاتية وبذلك يتم التوازن حيث الحرارة العالية توفر الضغط الكبير للخارج لمقاومة شدة الجاذبية للداخل .

توجد العناصر الكيميائية في في الكون على ثلاث اشكال صلبة وسائلة وغازية .
واساس المادة هي عناصر كيميائية مقسمة الى فلزات و لا فلزات واشباه الفلزات واخرى مجهولة الخصائص الكيميائية .
وكل عنصر من العناصر المختلفة يتميز عن غيره من العناصر بالعدد الذري اي عدد البروتونات في النواة او الالكترونات في المدار وله وزنه الذري الخاص به الذي هو مجموع عدد البروتونات والنيترونات.
الشمس هي نجم عادي ، وقد تم دراستها بدقة لكونها قريبة من الارض .
ان مصدر حرارة وضوء الشمس ناتج من تحويل كتلة غاز الهيدروجين المحترق الى طاقة بما يتفق ومعادلة انشتاين الطاقة = الكتلة * مربع سرعة الضوء .
في الاندماج النووي الذي يحدث في الشمس والنجوم لتوليد االطاقة تندمج كتل البروتونات لغاز الهيروجين معا لتطلق الطاقة التي تبقي الشمس ساطعة بنورها وحرارتها .
اندماج 4 بروتونات لنواة ذرة الهيدروجين بفعل الحرارة والضغط داخل قلب الشمس تنتج نواة واحدة لذرة الهيليوم4- ، وتفقد الشمس من كتلتها نتيجة تحولها الى طاقة حرارية واشعاعية وضوء 4.3 مليون طن في كل ثانية ، عن طريق تحويل 600 مليون طن من الهيدروجين الى ما يقارب 596 مليون طن من غاز الهيليوم الخامل .وهذا التفاعل مستمر منذ وجدت الشمس قبل 4.5 مليار عام .
ان اندماج 4 بروتونات هيدروجين ستنتج نواة ذرة الهيليوم 4- ، واندماج ثلاث نوى الهيليوم 4- ينتج نواة ذرة الكربون12- المستقر في تفاعل يعرف بعملية جسيمات الفا الثلاثية .
ان وجود نوى ذرات عنصر الكربون في احد النجوم يكون حافزا لتصنيع عناصر كيميائية اثقل . و استمرار حرق الهيدروجين وتحوله الى هيليوم يؤدي الى نفاذ الوقود النووي المولد للطاقة ، فينكمش قلب النجم على نفسه ويصبح اكثر سخونة ، مما يؤدي الى الى تفاعل جديد ينتج غاز الاوكسجين . وهذا يسبب استقرار النجم طالما بقي الكربون متوفراً . وبتكرار حالات الانكماش والتسخين تحدث موجات جديدة من الاندماج النووي وانتاج جسيمات الفا السريعة ، ويتم بهذه الطريقة انتاج عناصر كيميائية جديدة مثل النيون °²- ومغنيسيوم 24- وسيليكون 28- . وستتجمع العناصر الثقيلة في المركز والخفيفة عند السطح .

وهكذا تتكرر هذه الدورة عدة مرات . فيتحول الهيدروجين الى كربون ثم الى نيتروجين . هذه هي الطريقة الوحيدة لأنتاج غاز النتروجين .

النتروجين هو احد العناصر الاساسية للحياة ولولا نتروجين النجوم لما ظهرت الحياة على الارض .
وتستمر سلسلة انتاج العناصر الكيميائية بواسطة جسيم الفا واحد الذي يضرب نوى العناصر الجديدة منتجا عناصر اخرى . فمثلا عند قذف جسيم الفا بنواة عنصر السيليكون يتم تصنيع عنصر الكبريت ، والكبريت يتحول الى كلورين واركون .

الطريقة الوحيدة لصنع عناصر كيميائية اثقل هي ادخال طاقة ، اي يجب اجبار نوى على ان تنظم معا بواسطة عملية ما من الخارج تعتمد على مصدر كبير للطاقة ، وهي الجاذبية ، ولابد ان تكون بالقوة الكافية لأداء المهمة ولابد للنجم كتلة اكبر بكثير من شمسنا عشرة امثال كتلة الشمس .
وحتى نصنع كل العناصر الثقيلة نحتاج ان نبدأ بنجم كتلته مقدارها على الاقل ثمانية او عشرة امثال كتلة الشمس .

ان اطلاق النجوم للعناصر الكيميائية المتخلفة في افرانها النووية سينثر في فضاء الكون حديدا كتلته على الاقل نصف كتلة الشمس واوكسجينا يقرب من 1-8 كتلة الشمس ، أما العناصر الكيميائية الاخرى الاثقل من الحديد كالذهب ، واليورانيوم، والرصاص ، والزئبق ، والتيتانيوم ، والسترونتيوم ، والزركونيوم ، فهي تُنتج في النجوم التي كتلتها تترواح بين 8-10 امثال كتلة الشمس .
لايمكن انتاج العناصر الثقيلة جدا الا بكميات صغيرة نسبياً ، لأن الضروف التي يمكن فيها انتاجها لاتستمر باي حال زمنا طويلا .
تم اكتشاف 118 عنصرا كيميائيا معروفا لحد الان من على سطح الارض على شكل غازات وسائل ومواد معدنية صلبة . وهذه كلها وردتنا من مقذوفات النجوم المتفجرة ومن موادها تكونت المجموعة الشمسية بكواكبها ومنها الارض التي نشأت عليها الحياة وتكونت خلايا كل الكائنات الحية من تلك العناصر الكيميائية التي ولدت في النجوم .

المصادر
الجائزة الكونية الكبرى – بول ديفيز
قصة الكون – جون جريبين

صباح ابراهيم (مفكر حر)؟