Periodentafel der Elemente mit Herkunft

Das Hertzsprung-Russell-Diagramm HRD gibt Auskunft über die Entwicklung der Sterne (Bild: Spacepotato, geändert FrancescoA, Wikimedia Commons). Der Link erklärt die Hauptreihe (die weiße Wellenlinie von links oben nach rechts unten), den Riesenast und die sonstigen Bereiche. Jeder Stern durchläuft einen mehr oder weniger langsamen Entwicklungsweg durch das HRD – je heller und massereicher, desto schneller. Die Sternentwicklung endet ganz unterschiedlich in Weißen oder Schwarzen Zwergen, in Neutronensternen oder Schwarzen Löchern.

Unsere Sonne ist ein Hauptreihenstern der Spektralklasse G2, der in 5 Mrd. Jahren zum Roten Riesen wird und danach als Weißer Zwerg endet. Zunächst fusioniert die Sonne wie seit 5 Mrd. Jahren Wasserstoff zu Helium, ein langwieriger Prozess, der pro Sekunde 4 Mio. Tonnen Masse in Energie umwandelt, entsprechend 1,2 * 1014 Tonnen/Jahr, und das bei einer Sonnenmasse von 2* 1027 Tonnen. Beim Übergang zum Heliumbrennen steigt der Leistungsumsatz auf das 100-Milliarden-Fache und bläst die Sonne auf den 100-fachen Umfang zum Roten Riesen auf. Wenn das Helium verbrannt ist, schrumpft die Sonne zum Weißen Zwerg. Massereichere Sterne fangen nach dem Heliumbrennen mit dem Kohlenstoffbrennen an, bei dem Elemente bis zum Eisen entstehen.

Die wiki-Tabelle (Lizenz „Creative Commons Attribution/Share Alike“) zeigt die unterschiedlichen Brennvorgänge in einem Stern der 18-fachen Sonnenmasse, mit 40.000-facher Sonnenleistung, 50-fachem Sonnendurchmesser und einer tausendfach kürzeren Brenndauer:

  Brenn-material   Brennvorgang
(Nukleosynthese
Temp. in
Millionen Kelvin 
  Dichte
(kg/cm³)  
Brenn-
dauer
H Wasserstoffbrennen 40 0,006   10 Mio. J.
He Heliumbrennen 190 1,1 1 Mio.  Jahre
C Kohlenstoffbrennen 740 240 10.000 Jahre
Ne Neonbrennen 1.600 7.400 10 Jahre
O Sauerstoffbrennen 2.100 16.000 5 Jahre
Si Siliciumbrennen 3.400 50.000 1 Woche
Fe-Kern Kernfusion schwerster Elemente 10.000 10.000.000

Mit dieser Vorbereitung wird die Herkunftsbezeichnung in der Periodentafel der Elemente verständlich. Alle schwereren Elemente oberhalb vom Helium werden in Sternen fusioniert, aber nicht jeder Stern erzeugt alle Elemente. Bis zum Eisen entstehen die Elemente aus Fusionsreaktionen, darüber hinaus durch Einfangen von Nuklearteilchen in nichtthermischen Kernreaktionen (z.B. Neutroneneinfang mit nachfolgendem β-Zerfall in kohlenstoffbrennenden Riesensternen). Wenn die massereichen Sterne letztlich zur Supernova werden, schleudern sie die entstandenen Elemente in den interstellaren Raum. Dort geht das Material in weitere Sterngenerationen ein. Dieser Prozess wird immer wieder durchlaufen, so dass sich Elemente schwerer als Helium anreichern.

Das ist die Grundlage für einen futurism-Artikel von 2016 Where Do All the Elements Come From? (die Tabelle unten ist von Wikipedia CMglee, Source: NASA Astronomy Picture of the day).

  • B steht für entstanden beim Urknall, das betrifft nur Wasserstoff und Helium.
  • C kommt gar nicht von den Sternen, sondern von der kosmischen Strahlung, das sind auch nur die drei nächstleichten Elemente Lithium, Beryllium und Bor.
  • L sind die Elemente, die in den großen Sternen produziert wurden.
  • S sind die Elemente, die in den kleinen Sternen produziert wurden.
  • $ steht für Produkte aus Supernovae und Neutronensternen, also Sternen mit mehr als 3 Sonnenmassen
  • M steht für künstliche Schöpfungen des Menschen

Laut Artikel zeigt die Tabelle die beste verfügbare Schätzung, wo jedes Element herkommt. Der Kohlenstoff (C) in unseren Körpern wurde genauso wie der Sauerstoff (O) in kleinen oder großen Sonnen fusioniert. Wir bestehen also zum großen Teil aus der Materie längst vergangener Sterne. Das meiste Eisen (Fe) in uns und um uns rum wurde in Supernovae produziert (oder in großen Sternen), vor langer Zeit und weit weg. Das Gold (Au) in unserem Schmuck wurde wahrscheinlich von Neutronensternen in kosmischen Kollisionen erzeugt.

Wir sind nicht nur Sternenstoff, wir sind Überbleibsel von kataklysmischen galaktischen Ereignissen, Überbleibsel vom Tod von hypergigantischen Sternen – und unsere Mülleimer ebenso.

Diese Erkenntnis ist ein gewaltiger Schritt vorwärts von der ersten Tafel der Elemente, die aus Erde, Feuer, Wasser und Luft bestand. Die heutige Tafel der Elemente ist viel verlässlicher und sehr gut etabliert. Heute sind praktisch alle Elemente an ihrem Platz eingetragen, jedenfalls fast alle. Neue Elemente kommen nur noch dazu, weil sie in Teilchenbeschleunigern aus hochenergetischen Zusammenstößen hervorgehen und detektiert werden. Ansonsten ist nicht mit Zuwachs zu rechnen, so der Artikel.

Eine Nachricht vom aktuellen Geschehen (scinexx.de 2016): Riesen-Gaswolke rast auf Milchstraße zu. Die Kollision wird demnach in 30 Millionen Jahren neue Sternbildung auslösen, wenn die große Gaswolke mit den Außenbezirken unserer Milchstraße kollidiert. Nach Feststellungen von Astronomen stammt diese Gaswolke aber nicht von außerhalb, sondern wurde einst von unserer Galaxie ausgeschleudert –  warum und wie, sei jedoch noch rätselhaft.

 

Wilfried Müller

(Der Artikel wurde am 3.2.16 publiziert und am 4.8.19 überarbeitet.)

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1 Response to Periodentafel der Elemente mit Herkunft

  1. Günter Dedie sagt:

    Interessante Übersicht!

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