Wie viele chemische Elemente gibt es?
Ein chemisches Element ist eine Art Atom wie Wasserstoff oder Sauerstoff. Bis 2011 wurden 118 Elemente beobachtet, von denen 98 natürlich auf der Erde vorkommen. 20 Elemente werden künstlich in Kernreaktoren oder Teilchenbeschleunigerexperimenten erzeugt. Das erste synthetische Element, das in beträchtlichen Mengen erzeugt wurde, war Plutonium, Element 94. Plutonium ist auch das schwerste Atom, das natürlicherweise auf der Erde vorkommt. Mit einer Halbwertszeit von nur 80 Millionen Jahren kommt Plutonium in äußerst geringen Mengen in Uranerzen vor.
Die heutigen chemischen Elemente stammen aus einer von drei Quellen: der Supernova-Nukleosynthese, der Stern-Nukleosynthese und der Urknall-Nukleosynthese. Die Nukleosynthese findet statt, wenn Atomkerne so eng zusammengepresst werden und sich so stark erwärmen, dass sie die gegenseitige Abstoßung ihrer Elektronenschalen überwinden und schwerere Kerne bilden. Auf diese Weise können Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmolzen werden, die wiederum zu Kohlenstoffkernen verschmelzen können, wenn Bedingungen ausreichender Temperatur und ausreichenden Drucks erreicht werden.
Am Anfang war das Universum so heiß und dicht, dass es nur aus freien Quarks bestand - den Bestandteilen von Protonen und Neutronen - Elektronen und Strahlung. Nach einer Millionstel Sekunde verschmolzen die Quarks zu Baryonen: Protonen und Neutronen. In den ersten zwanzig Minuten nach dem Urknall überstieg die Temperatur des Universums die im Zentrum der hellsten Sterne, mit einer Dichte, die größer als die der Luft war. Während dieser Zeit kollidierten Protonen und Neutronen energetisch und bildeten größere Kerne: Deuterium und zwei Heliumisotope. 25 Prozent der gesamten Materie im Universum wurden mit etwa 75 Prozent Wasserstoff in Helium umgewandelt, zusammen mit Spuren schwererer Elemente wie Lithium. Dies ist ähnlich wie das heutige Verhältnis der chemischen Elemente.
Die ersten Sterne entstanden etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall und leiteten eine andere Form der Nukleosynthese ein, die als stellare Nukleosynthese bezeichnet wird. Bei der Sternnukleosynthese wird stark verdichtete Materie im Zentrum eines Sterns einer Kernfusion unterzogen, wobei große Energiemengen freigesetzt werden und die Schwerkraft ausgeglichen wird, die den Stern zusammenbricht. Dies kann als eine kontinuierlich explodierende H-Bombe angesehen werden. Elemente bis hin zu Eisen im Periodensystem werden in der Sternnukleosynthese gebildet.
Um ein Element zu erzeugen, das schwerer als Eisen ist, ist eine andere Art der Nukleosynthese erforderlich, die Supernova-Nukleosynthese. Supernovae entstehen, wenn Sterne nach dem Verbrauch ihres gesamten Kernbrennstoffs in ihren Kernen katastrophal zusammenbrechen. Die atmosphärische Hülle des Sterns kollabiert aufgrund der Schwerkraft nach innen und prallt von einem Kern ab, der aus nahezu inkompressibler "elektronendegenerierter" Materie besteht. Während dieses abrupten Aufpralls verschmelzen mehrere Prozent des Materials des Sterns fast augenblicklich zu schwereren Elementen. Dadurch wird genügend Energie freigesetzt, damit die Supernova ihre Wirtsgalaxie tagelang oder wochenlang überstrahlen kann. Elemente, die schwerer als Eisen sind, werden während dieses unglaublich energetischen kosmischen Ereignisses synthetisiert.