Hoofdbanner

Ons zonnestelsel is zo’n 5 miljard jaar geleden ontstaan. Er vormde zich in de ruimte een nevel van waterstof, het lichtste element dat wij kennen (een atoom waterstof bestaat uit één proton in de kern en één elektron in een schil daar omheen). Deze nevel verdichtte zich steeds meer, als gevolg van toenemende gravitatiekrachten. Deze gravitatiekrachten zorgden voor een toenemende druk. Deze druk op haar beurt zorgde voor een snel oplopende temperatuur. Eenvoudig uit te rekenen met de algemene gaswet.

In het algemeen, eerst is er een ster in wording, de protoster. De gravitatiekrachten naar binnen gericht zijn sterker dan de gasdruk naar buiten gericht. Als de temperatuur op een gegeven moment meer dan tien miljoen graden Celsius bedraagt, treedt er kernfusie op: de kernen van waterstof (de protonen dus) smelten samen tot kernen van helium, het één na lichtste element in de natuur. Bij deze kernfusie treedt massaverlies op, d.w.z. aan het eind van de kernreactie is er minder massa dan aan het begin. Het verlies aan massa wordt omgezet in een winst aan energie, volgens de bekende formule van Einstein: E = m c2. Waarbij de c voor de lichtsnelheid staat, bij benadering 300.000.000 m/s. Die lichtsnelheid in het kwadraat zorgt voor een gigantisch groot getal. Een klein beetje massa levert dus een gigantische hoeveelheid energie op. Pas op dat moment is er sprake van evenwicht tussen gravitatiekracht naar binnen gericht en gasdruk naar buiten gericht. We spreken dan van een permanente ster. De zon (onze eigen ster) is zodoende één grote kernbom, specifieker gezegd, één grote waterstofbom.
Bijna alle materie die niet tot kernfusie kon overgaan (omdat ze 'te zwaar' was) werd door de snel draaiende beweging van wat bezig was de zon te worden naar buiten geslingerd. Zo ontstonden de planeten met hun omlooptijden, waaronder onze aarde. 

Helium wordt op den duur, wanneer de hoeveelheid waterstof op begint te raken, omgezet in koolstof, wederom met massaverlies en dus energiewinst. Koolstof wordt weer veel later omgezet in zuurstof, zuurstof weer in een volgend element, tot uiteindelijk het element ijzer is gevormd. Dat is het einde van de keten van mogelijke kernreacties in onze zon. IJzer is per kerndeeltje het lichtste element dat wij kennen. Het heeft relatief gezien de minste massa. Tot ijzer levert de fusie dus steeds (heel veel) energie op.
Daarna houdt het verval op. Het element ijzer is het eindstation van onze zon. Voor de vorming van grotere elementen dan ijzer is juist energie nodig, in plaats van dat er energie vrijkomt. De massa per kerndeeltje neemt namelijk vanaf ijzer weer toe. Onze zon, die relatief klein is in de algemene reeks van sterren, heeft die energie niet. Zie het diagram hieronder.

 
             Binding
                                          

Diagram van de bindingsenergie per nucleon, uitgezet tegen het massagetal. Des te groter de bindingsenergie, des te kleiner de relatieve massa. Zoals te zien is heeft ijzer (Fe-56) de grootste bindingsenergie per nucleon (= kerndeeltje), dus de kleinste relatieve massa. Merk op dat de vorming van waterstof tot uiteindelijk ijzer, links in het diagram, energie oplevert. Dit gebeurt in de zon middels kernfusie.
Helemaal rechts staat het element uranium (U-238). Middels splijting (het beschieten van uraniumkernen met neutronen, hetgeen gebeurt in een kerncentrale) is te zien dat ook hier energie vrijkomt, zij het minder dan bij kernfusie. Uranium wordt gespleten in brokstukken van kleinere elementen, meer links op de lijn, zoals bijvoorbeeld xenon ( Xe-144) en cesium. Ook bij kernenergie treedt massaverlies op, dus (heel veel) energiewinst. Om aan te geven hoeveel: 1 gram U-235 levert evenveel energie als 3 miljoen kubieke meter aardgas! 

Toch bevinden zich in de zon (en ook op onze aarde) zwaardere elementen dan ijzer, zoals zink, kwik, zilver en goud. Dit is af te leiden uit de spectraalanalyse, een prachtig stuk wetenschap. Men vangt het licht op en met behulp van een zogenaamde tralie kan men de golflengten van de lichtstralen exact bepalen. Weet men die golflengten, dan kan men even exact bepalen om welke atomen het hier gaat.
Volgens berekeningen kan onze zon zwaardere elementen dan ijzer nooit zelf gemaakt hebben. Ze moeten ergens anders vandaan komen. Waar vandaan? Uit de stervensfase van hele grote sterren. Daar komt zoveel energie bij vrij dat deze gebruikt kan worden om elementen met een relatief zwaardere kern te vormen. De extra energie wordt hier omgezet in massa. Wat je verliest aan energie, win je hier aan massa.
Zo’n grote hoeveelheid energie komt alleen vrij in de eindfase van een hele grote ster. Zo’n grote ster explodeert in haar eindfase, na een aanvankelijke implosie. Het exploderen van zo'n grote ster noemen wij een supernova. Alle elementen zwaarder dan ijzer kunnen alleen ontstaan tijdens een supernova. Zo is bijvoorbeeld het goud op aarde hiervan afkomstig. Of elementen als koper, zink, broom, jood en noem maar op. Deze bevinden zich ook in ons lichaam. Goed beschouwd ontstaat alle materie uit geëxplodeerde sterren. Zonder dat zouden wij fysiek niet kunnen bestaan. Wij zijn allemaal opgebouwd uit sterrenstof. 

Onze zon heeft nog brandstof voor zo'n 5 miljard jaar. Onder andere te danken aan het tunneleffect waarbij maar een heel klein percentage van de massa in energie wordt omgezet. Maar wel genoeg om heel veel licht en warmte te leveren. De zon bestaat momenteel voor ongeveer 70 % uit waterstof en zo'n 30 % uit helium. Alle andere gassen nemen minder dan 1 % van de massa in.
De aanwezigheid van de zware elementen in de zon (en op onze aarde) heeft sterrenkundigen tot de overtuiging gebracht dat tijdens de ontstaansfase van ons zonnestelsel er een supernova in de buurt moet zijn geweest. Het is een logisch verband. Tot zich een nieuwe theorie aandient, houden we het hier op.

  • 0 # Rob Jakobs 09-aug-2021 @11:37
    Leuk artikel Fred. De kosmos en vooral de processen die zich daar afspelen blijven intrigerend!
    Nu je het toch over de 'hemel' hebt, misschien een idee om iets te vertellen over de Perseïden-meteorietenzwerm die er zit aan te komen, met een maximum op 13 augustus ca 04:00 uur (CET).
    Zie http://hemel.waarnemen.com/meteoorzwermen/Perseiden_2021.html
    Antwoorden | Antwoorden met citaat | Citeer
    0 # Fred 09-aug-2021 @12:14
    Ga ik misschien wel doen, Rob. Gecombineerd met mijn wat meer esoterisch artikel uit mijn jaarfeestenboek: Vallende sterren.
    Inderdaad, het belooft dit jaar een spektakel te worden. Gelukkig kampeer ik dezer dagen op het platteland van West-Friesland met relatief weinig strooilicht. Ben benieuwd.
    Antwoorden | Antwoorden met citaat | Citeer