Hoeveel chemische elementen zijn er?
Een chemisch element is een type atoom, zoals waterstof of zuurstof. Vanaf 2011 waren 118 elementen waargenomen, waarvan 98 van nature op aarde plaatsvonden. 20 elementen worden kunstmatig gecreëerd in kernreactoren of deeltjesversneller-experimenten. Het eerste synthetische element dat in aanzienlijke hoeveelheden werd gemaakt, was plutonium, element 94. Plutonium is ook het zwaarste atoom dat van nature op aarde wordt aangetroffen. Met een halfwaardetijd van slechts 80 miljoen jaar komt plutonium in extreem kleine hoeveelheden voor in uraniumerts.
De huidige chemische elementen komen uit een van de drie bronnen: supernova-nucleosynthese, stellaire nucleosynthese en Big Bang-nucleosynthese. Nucleosynthese vindt plaats wanneer atoomkernen zo dicht op elkaar en bij zo'n hoge hitte worden samengedrukt dat ze de wederzijdse afstoting van hun elektronenschillen overwinnen en zwaardere kernen produceren. Op deze manier kunnen waterstofkernen worden gefuseerd tot heliumkernen, die op hun beurt kunnen fuseren tot koolstofkernen, als de omstandigheden van voldoende temperatuur en druk worden bereikt.
In het begin was het universum zo heet en dicht dat het bestond uit niets anders dan vrije quarks - de bestanddelen van protonen en neutronen - elektronen en straling. Na een miljoenste seconde begonnen quarks te versmelten tot baryons: protonen en neutronen. Gedurende de eerste twintig minuten na de oerknal overtrof de temperatuur van het universum die in het midden van de helderste sterren, met een dichtheid groter dan lucht. Tijdens deze periode botsten protonen en neutronen energetisch samen om grotere kernen te vormen: deuterium en twee isotopen van helium. 25 procent van alle materie in het universum werd omgezet in helium, met ongeveer 75 procent waterstof, samen met sporen van zwaardere elementen zoals lithium. Dit is vergelijkbaar met de huidige dagverhouding van chemische elementen.
De eerste sterren ontstonden ongeveer 300 miljoen jaar na de oerknal en begonnen met een andere vorm van nucleosynthese, stellaire nucleosynthese genaamd. In stellaire nucleosynthese ondergaat sterk samengeperste materie in het centrum van een ster kernfusie, waarbij grote hoeveelheden energie vrijkomen en de zwaartekrachten worden gecompenseerd die de ster doen instorten. Dit kan worden gezien als een continu exploderende H-bom. Elementen tot ijzer op het periodiek systeem worden gevormd in stellaire nucleosynthese.
Om een element te maken dat zwaarder is dan ijzer is een ander type nucleosythese nodig, supernova-nucleosynthese. Supernova's treden op wanneer sterren catastrofaal instorten nadat ze al hun nucleaire brandstof in hun kernen hebben verbruikt. De atmosferische omhulling van de ster zakt naar binnen door de zwaartekracht en stuitert tegen een kern van bijna niet-samendrukbare "elektron gedegenereerde" materie. Tijdens dit abrupte stuiteren wordt verschillende procent van het materiaal van de ster bijna onmiddellijk in zwaardere elementen versmolten. Dit geeft voldoende energie vrij voor de supernova om zijn host-sterrenstelsel dagen of weken te overtreffen. Elementen zwaarder dan ijzer worden gesynthetiseerd tijdens deze ongelooflijk energieke kosmische gebeurtenis.