Hvor mange kjemiske elementer er det?

Et kjemisk element er en type atom, som hydrogen eller oksygen. Fra 2011 hadde 118 elementer blitt observert, hvor 98 av disse forekommer naturlig på jorden. 20 elementer er kunstig opprettet i kjernefysiske reaktorer eller partikkelakseleratoreksperimenter. Det første syntetiske elementet som ble opprettet i betydelige mengder var plutonium, element 94. Plutonium er også det tyngste atom som finnes naturlig på jorden. Med en halveringstid på bare 80 millioner år forekommer plutonium i ekstremt små mengder i uranmalm.

I dag kjemiske elementer kommer fra en av tre kilder: supernova nukleosyntesen, stjernenukleosyntesen og Big Bang nukleosyntesen. Nukleosyntesen oppstår når atomkjerner presses sammen så tett og ved så høy varme at de overvinner den gjensidige frastøtningen av elektronskallene sine og produserer tyngre kjerner. På denne måten kan hydrogenkjerner smeltes sammen til heliumkjerner, som igjen kan smelte sammen til karbonkjerner, hvis betingelser med tilstrekkelig temperatur og trykk oppnås.

I begynnelsen var universet så varmt og tett at det besto av annet enn frie kvarker - bestanddeler av protoner og nøytroner - elektroner og stråling. Etter en milliondel av et sekund begynte kvarkene å smelte sammen til baryoner: protoner og nøytroner. De første tjue minuttene etter Big Bang overskred universets temperatur temperaturen i sentrum av de lyseste stjernene, med en tetthet større enn luft. I løpet av denne perioden kolliderte protoner og nøytroner energisk for å danne større kjerner: deuterium og to isotoper av helium. 25 prosent av alt stoffet i universet ble omdannet til helium, med rundt 75 prosent hydrogen, sammen med spormengder av tyngre elementer som litium. Dette tilsvarer dagens forhold mellom kjemiske elementer.

De første stjernene dannet omtrent 300 millioner år etter Big Bang, og startet en annen form for nukleosyntese kalt stellar nucleosynthesis. Ved stjernenukleosyntese gjennomgår kraftig komprimert materiale i sentrum av en stjerne kjernefusjon, og frigjør store mengder energi og balanserer ut tyngdekraften som virker for å kollapse stjernen. Dette kan betraktes som en kontinuerlig eksploderende H-bombe. Elementer opp til jern på det periodiske bordet dannes i stjernenukleosyntesen.

For å lage et element som er tyngre enn jern, krever en annen type nukleosythese, supernova nucleosynthesis. Supernovaer oppstår når stjerner kollapser katastrofalt etter å ha konsumert alt sitt kjernebrensel i kjernene. Den atmosfæriske konvolutten til stjernen kollapser innover på grunn av tyngdekraften, og spretter av en kjerne laget av nesten-komprimerende "elektron-degenerert" materie. Under dette brå sprett smeltes flere prosent av stjernens materiale til tyngre elementer nesten øyeblikkelig. Dette frigjør nok energi til at supernovaen kan overliste vertsgalaksen i flere dager eller uker. Elementer som er tyngre enn jern, syntetiseres under denne utrolig energiske kosmiske hendelsen.