Uitgaande van zes eenvoudige bouwstenen toont dit schema het prebiotische chemienetwerk van nieuw ontdekte routes naar citroenzuur (links) en urinezuur (rechts). De lichtblauwe knooppunten zijn abiotische moleculen, rode knooppunten zijn andere biotische moleculen en donkerblauwe knooppunten zijn moleculen langs de synthese tot aan de beide zuren.

Algorithm discovers how six simple molecules could evolve into life's building blocks

Vertaal deze pagina

New Allchemy Reveals Chemical Origins Of Life
MP4 bestand – 28.4 MB 43 downloads

Bronnen:  Chemistry World // Science alert September/Oktober 2020

The Tree of Life is opgebouwd vanuit 6 verbindingen: methaan, ammoniak, water, waterstofcyanide, stikstof en waterstofsulfide (zwavelwaterstof) 

Allchemy  

Een organisch synthese-algoritme heeft duizenden reacties in kaart gebracht die mogelijk meer dan 3,5 miljard jaar geleden abiotische verbindingen hebben omgezet in de bouwstenen van het leven. Beginnend met zes eenvoudige voorlopers: methaan, ammoniak, water, stikstof en waterstofcyanide, ontdekte het programma een groot aantal bekende en 24 geheel nieuwe routes naar prebiotische moleculen, en liet het zien hoe katalytische en zelfreplicerende systemen zouden kunnen ontstaan.

Ik citeer:

  • "Hoewel honderden organische reacties zijn aangetoond onder prebiotische omstandigheden, hebben we nog maar een gedeeltelijk begrip van hoe deze individuele stappen gecombineerd werden tot complete synthetische routes om de bouwstenen van het leven teweeg kunnen brengen, die andere abiotische moleculen mogelijk ook hebben gevormd, én hoe onafhankelijke reacties hebben geleid naar chemische systemen en membranen die deze systemen omhullen.
  • Om dergelijke vragen te beantwoorden, moet rekening worden gehouden met zeer grote aantallen mogelijke synthetische routes. Beginnend met zelfs maar een paar 'oermoleculen' –  methaan, ammoniak, water, waterstofcyanide, stikstof en waterstofsulfide groeit het aantal prebiotisch synthetiseerbare moleculen snel tot tienduizenden.
  • Door het programma zeven generaties lang uit te voeren, waarbij elke keer de gegenereerde moleculen werden gecombineerd met wat ervóór kwam, eindigden de onderzoekers met bijna 35.000 verbindingen, waaronder 50 biotische. Het programma heeft veel prebiotische synthesen gevonden, zoals bijvoorbeeld 10 routes die leiden naar de DNA-component adenine.
  • "Gedetailleerde analyse en de synthetische connectiviteit ervan kan de kennis van individuele chemici te boven gaan, maar kan worden uitgevoerd door slimme computeralgoritmen, om uit te komen bij het organische citroenzuur (specifieker een carbonzuur) en urinezuur."

Citroenzuur is een tussenproduct binnen de citroenzuurcyclus. Deze cyclus komt voor in alle organismen en is één van de fundamentele stofwisselingscycli in cellen, die nou eenmaal voortdurend zuurstof gebruiken in het cellulaire ademhalingsproces. 

Urinezuur is een heterocyclische verbinding en heeft een ringstructuur van koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof met de formule C5 H4 N4 O(ringstructuren hebben atomen van ten minste twee verschillende elementen).

  • Nucleïnezuren bijvoorbeeld zijn heterocyclische verbindingen. De meest voorkomende natuurlijke nucleïnezuren zijn desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). 

Urinezuur is een product van de metabolische afbraak van purinenucleotiden d.w.z. een afbraakproduct van purinen.

  • Purinen belanden in de bloedsomloop door het eten van voedsel ('vreemd DNA') en door de afbraak van lichaamseigen cellen ('lichaamseigen DNA'). Via de bloedsomloop worden de cellen van purine voorzien, waar het ofwel wordt gebruikt voor de aanmaak van nieuw, lichaamseigen DNA, ofwel wordt afgebroken tot urinezuur.

Purine-nucleotiden hebben Adenine (A),  Guanine (G) of Cytosine (C) gebonden aan hun ribose-groep. Pyrimidine-nucleotiden hebben Cytosine (C), Thymine (T) of Uracil (U) gebonden aan ribose.  Via de bloedsomloop worden de cellen van purine voorzien, waar het ofwel wordt gebruikt voor de aanmaak van nieuw, lichaamseigen DNA, ofwel wordt afgebroken tot urinezuur 

Kortom....vanuit de 6 uitgangsstoffen methaan, ammoniak, water, waterstofcyanide, stikstof en waterstofsulfide (zwavelwaterstof), komen we binnen dit netwerk uiteindelijk aan bij het stofwisselingsproces en het RNA/DNA van elk levend organisme.

CH4  Methaan

De 2 belangrijkste routes voor geologische methaanproductie zijn: 

  • Organisch (thermisch gegenereerd, of thermogeen). Thermogeen methaan komt voor door het uiteenvallen van organische materie bij hoge temperaturen en hoge druk in diepe sedimentaire lagen. Het meeste methaan in sedimentatiebekkens is thermogeen; daarom is thermogeen methaan de belangrijkste bron van aardgas.
  • Anorganisch of abiotisch, dit betekent dat methaan wordt gevormd uit anorganische verbindingen, zonder biologische activiteit, hetzij door magmatische processen of via water-rots-reacties die optreden bij lage temperaturen en drukken, zoals bij de vorming van serpentiniet. Water-rots-reacties: chemische reacties maken kleine poriën in gesteenten, die 10.000 keer kleiner zijn dan een menselijke haar. Hier doorheen kunnen vloeistoffen zichzelf een weg banen dwars door gesteente diep in de aarde. Het proces waarmee serpentiniet meestal ontstaat wordt serpentinisatie genoemd. Dit vindt plaats in de omgeving van Mid-oceanische ruggen bij hydrothermale bronnen, waar op grote schaal hydrothermale (zeer hete) vloeistoffen door ultramafische gesteenten circuleren, stollingsgesteente dat relatief zeer weinig (minder dan 45%) silica (SiO2) bevat. Mineralen als olivijn en pyroxeen worden door de werking van de hete vloeistoffen gehydrateerd (proces waarbij een materiaal water opneemt) tot het mineraal serpentijn.

NH3  Ammoniak

Vroege nevel op aarde zorgde waarschijnlijk voor een ultraviolet schild voor de planeet.

Een nieuwe studie toont een dikke organische waas die de vroege Aarde enkele miljarden jaren geleden omhulde, misschien vergelijkbaar was met de waas die nu boven de grootste maan van Saturnus, Titan, zweeft en het oerleven op onze planeet zou hebben beschermd tegen de schadelijke effecten van ultraviolette straling.

De wetenschappers van de Universiteit van Colorado veronderstellen, dat de waas voornamelijk bestond uit chemische bijproducten van methaan en stikstof, gecreëerd door reacties met licht. Niet alleen zou de nevel de vroege aarde tegen schadelijke UV-straling hebben afgeschermd, het zou gassen, zoals ammoniak, hebben kunnen opbouwen, waardoor broeikasgassen zijn opgewarmd en misschien heeft bijgedragen aan het voorkomen dat de Aarde bevroor.

H2OWater

Bron foto: Hans Daemen

Waar Komt Het Water Op Onze Aarde Vandaan
MP4 bestand – 22.3 MB 37 downloads

Waterstofcyanide kent een enkelvoudige binding tussen          H en C en een drievoudige binding tussen C en N voor.          Drievoudige bindingen hebben een hoge bindingsenergie en zijn dus zeer krachtig.

Een mogelijk begin van de chemische evolutie kan bijvoorbeeld liggen in de vorming van waterstofcyanide, dat onder toevoer van energie gemakkelijk ontstaat uit methaan (CH4) en ammoniak (NH3). Alle drie de verbindingen zijn wijdverbreid in het heelal.

De levering van water en organische stoffen door asteroïde- en komeetinslagen kan de prebiotische chemie op de vroege aarde hebben beïnvloed. Sommige recente prebiotische chemie-experimenten benadrukken waterstofcyanide als een grondstofmolecuul voor de vorming van suikers, ribonucleotiden, aminozuren en lipidevoorlopers:

Met water en ammoniak vormt waterstofcyanide gemakkelijk aminozuren – bouwstenen van eiwitten – en atoomringen van koolstof, stikstof en waterstof – bouwstenen van DNA en RNA.

HCN wordt ook onder invloed van UV-straling in de interstellaire atmosfeer gevormd. Het is zeer aannemelijk dat HCN op de jonge Aarde aanwezig was en dat is ook breed geaccepteerd binnen het Origins of Life-veld.” Aldus John Sutherland, hoogleraar Chemical origins of molecular biology.

Waterstofcyanide is een anorganische verbinding van waterstof, koolstof en stikstof. Het is een extreem giftige kleurloze tot zeer licht blauwe vloeistof, dat bij 36°C al kookt (door vanderwaalskrachten). De toxische werking van blauwzuur berust op het verstoren van de ATP-productie in de mitochondriën. Blauwzuur ruikt naar amandelen

HCN is een klein lineair molecuul met drievoudige binding tussen koolstof (C) en stikstof (N).

Lineair: moleculen waarvan alle atomen op één lijn liggen.

Een drievoudige binding is een binding waarbij twee atomen verbonden zijn door middel van drie elektronenparen (zes bindingselektronen in totaal: de bindingsorde van een drievoudige binding is 3)

Bindingsorde van een chemische binding geeft weer hoeveel (elektronen)bindingen er aanwezig zijn tussen 2 bindende atomen.

Wetenschappers die gegevens van NASA's Cassini-missie analyseren, hebben ontdekt dat een gigantische, giftige wolk boven de zuidpool van de grootste maan van Saturnus, Titan, zweeft nadat de atmosfeer daar dramatisch was afgekoeld. De wetenschappers ontdekten dat deze gigantische polaire vortex bevroren deeltjes bevat van de giftige verbinding waterstofcyanide of HCN.

NDistikstof

De drievoudige binding in stikstofgas is één van de sterkere in de natuur en het kost dan ook erg veel energie deze binding te verbreken. Omgekeerd komt er erg veel energie vrij als de binding gemaakt wordt.

Nitrogen-ancient-rocks-sign-early-life

Stikstoffixatie, zoals het proces wordt genoemd, omvat het doorbreken van de krachtige chemische bindingen die stikstofatomen per paar in de atmosfeer vasthouden en het gebruik van de resulterende enkele stikstofatomen om moleculen te maken zoals ammoniak, een bouwsteen van veel complexe organische moleculen, zoals eiwitten, DNA en RNA.

Er zijn echter andere mechanismen dan het leven die stikstof kunnen fixeren. Deze abiotische stikstofbindingsprocessen omvatten bliksem, vulkanisme, schokgolven door kosmische invloeden en chemische reacties in hydrothermale ventilatieopeningen. Als zodanig is het onzeker of hoge stikstofgehaltes waargenomen in bepaalde oude rotsen op aarde inderdaad biologisch van oorsprong zijn: Bij Isua zijn de oudste_fossielen ontdekt.

H2S ontstaat ook bij de rotting van veel organische materialen. H2S is zwaarder dan lucht en zakt om deze reden dus naar beneden waar het zich kan ophopen.

De tegenwoordige zwavelbacteriën, die zoveel op hun fossiele voorouders lijken, bevinden zich in de bodem in een relatief zuurstofloze omgeving, maar profiteren van het sulfaat en nitraat uit de iets hoger gelegen diepten. Zij nemen deel aan de zwavelcyclus waarin bacteriën het sulfaat reduceren tot waterstofsulfide, dat opnieuw geoxideerd kan worden tot het element zwavel met behulp van zuurstof uit de bovenliggende lagen. Het zwavel kan dan weer geoxideerd worden tot sulfaat door andere bacteriën.

Nu ga ik een "stapje verder"......terug, bedoel ik te zeggen! En wel zo'n 10 miljard jaar verder terug, toen het universum voor het eerst begon uit te dijen. Alle elementen en isotopen die meer dan 4,5 miljard jaar geleden zijn ontstaan, nadat de Aarde vorm had gekregen, worden primordiaal genoemd, wat betekent dat ze zijn veroorzaakt door de stellaire processen. Ik bedoel hiermee ook de allereerste supernovae. Op het moment dat de eerste atomen en hun isotopen in die processen werden gecreëerd, begonnen de instabiele isotopen onmiddellijk te vervallen. 

Alle isotopen met een halfwaardetijd van minder dan 100 miljoen jaar zijn teruggebracht tot  2,8 x 10−12 % of minder van de oorspronkelijke hoeveelheid die werden gecreëerd en opgevangen door de aangroei van onze planeet: ze vormen tegenwoordig een sporenhoeveelheid, of zijn helemaal vervallen. 

Kernreactoren produceren veelal isotopen die elektronen uitstralen. Met een deeltjesversneller zijn de reacties nog beter te beheersen en kunnen isotopen gemaakt worden die heliumkernen of positronen (de antideeltjes van elektronen) uitstralen.

Een isotoop van een element is in veel gevallen instabiel. Een andere verhouding van protonen en neutronen is dan energetisch gunstiger. Om die reden zijn die isotopen radioactief: ze vervallen waarbij straling (= deeltjesstraling) uitgezonden wordt. Bij dat verval schieten geladen deeltjes weg, waardoor het isotoop in een ander element verandert dat stabieler wordt. Dit proces kan een aantal keer herhaald worden, totdat uiteindelijk een stabiel isotoop van een element ontstaat. 

De voornaamste vervalprocessen zijn:

  • Alfaverval (α)
  • Bètaverval (β) 
  • Gammaverval (γ)
  • Elektronenvangst (ε of EV)
  • Neutronenvangst (neutron-gamma η,γ)
  • Protonenvangst (p-proces)
Alpha Decay Simulation
MP4 bestand – 5.0 MB 29 downloads

Alfastraling ontstaat in het α-vervalproces, waarin een atoomkern een 4He-kern uitzendt. Deze straling bestaat uit deeltjes en komt vrij bij alfaverval van grotere kernen zoals uranium en plutonium.

Beta Decay Simulation
MP4 bestand – 3.4 MB 34 downloads

Er ontstaat bètastraling bij een bèta-verval, dat plaatsvindt als in een atoomkern een neutron spontaan in een proton verandert. Het atoom verandert daardoor in een ander atoom omdat het een proton meer krijgt. Bij het veranderen van een neutron in een proton ontstaat er een los elektron, dat als projectiel wegvliegt.

β+ verval

  • Hierbij wordt via zwakke kernkracht een proton omgezet in een neutron, een positron en een neutrino.

βverval 

  • Bij het β verval wordt door de zwakke kernkracht een neutron in een proton omgezet. In de kern gebeurt het volgende: een neutron splitst zich in een proton en een elektron. n ➝ p+

  • Het proton blijft in de kern. Het elektron vliegt weg met hoge snelheid.

Gammaverval/Gammastraling (γ-straling)

Gamma Decay
MP4 bestand – 17.6 MB 34 downloads

Bevindt de atoomkern zich in een (hoogenergetische) aangeslagen toestand, dan wordt dit aangegeven met een asterisk *

Gammaverval vindt eigenlijk alleen plaats als secundair proces: na alfa- of bètaverval of het invangen van een deeltje. Het overschot aan energie kan dan vrijkomen in de vorm van gammastraling, waarbij de kern niet van samenstelling verandert. 

Elektronenvangst (ε)

Electron Capture
MP4 bestand – 5.0 MB 37 downloads

Elektronenvangst (K-vangst) is een radioactief vervalproces dat een variant is op β+ verval. In plaats van een elektron uit te zenden wordt er een elektron opgenomen in de kern. Daarbij wordt het proton (met het opgenomen elektron) omgezet in een neutron (en een elektronneutrino).

Elektronenvangst treedt op bij isotopen waarbij te veel protonen aanwezig zijn in de kern. Het massagetal blijft daarbij gelijk, maar het atoomnummer wordt met één verlaagd m.a.w. het wordt een ander element. 

Schema van twee soorten elektronenvangst. Boven : de kern neemt een elektron op. Linksonder : een buitenste elektron vervangt het "ontbrekende" elektron. Er wordt een röntgenfoton uitgezonden, die qua energie gelijk is aan het verschil tussen de twee elektronenschillen. Rechtsonder : In het Auger-effect wordt de energie die wordt geabsorbeerd wanneer het buitenste elektron het binnenste elektron vervangt, overgedragen naar een buitenste elektron. Het buitenste elektron wordt uit het atoom geworpen en laat een positief ion achter

Neutronenvangst (neutron-gamma η,γ)

R Capture And S Capture
MP4 bestand – 8.9 MB 34 downloads

Neutronenvangst Is een nucleaire reactie bij zware elementen  waarbij een atoomkern met één of meer neutronen botst en samensmelt om een ​​zwaardere kern te vormen. Bij de vangst van een neutron komt de kern meestal niet in een aangeslagen toestand om na terugkeer in de grondtoestand de overtollige energie vrij te geven in de vorm van gammafotonen. 

Bij sterren kan neutronenvangst op twee manieren verlopen: als een snel r-proces, rapid of een langzaam s-proces, slow.

r-proces

De meeste elementen die zwaarder zijn dan ijzer kunnen alleen worden gevormd in een snel proces van neutronenvangst waarbij binnen enkele seconden meerdere vanggebeurtenissen plaatsvinden. Het r-proces vindt plaats in neutronensterren en bij supernovae waar de neutronenfluxdichtheid zó hoog is dat de atoomkern geen tijd heeft om te vervallen via bèta-verval. Het massagetal stijgt terwijl het atoomnummer (d.w.z. het element) hetzelfde blijft. 

s-proces

In tegenstelling tot het r-proces die plaatsvindt via tijdschalen van seconden in explosiegevaarlijke omgevingen, vindt neutronenvangsten in het s-proces plaats in tijdschalen van vele miljoenen jaren. Dit langzame s-proces wordt o.a. gemeten in sterrenstof, zoals siliciumcarbide afkomstig van restanten van koolstofrijke sterren.

Alle elementen en isotopen die op aarde worden aangetroffen, met uitzondering van waterstof, deuterium, helium, helium-3 en mogelijk ook de sporen van stabiele lithium- en berylliumisotopen, zijn geproduceerd tijdens het ontstaan van het universum d.m.v. het hierboven genoemde s-proces of het r-proces in sterren. De isotopen die we vandaag de dag op Aarde aantreffen, moeten niet later dan 4,5 miljard jaar geleden gecreëerd zijn, vanwege de halveringstijd.

Dit is de tijd die nodig is om telkens de helft van de radioactiviteit kwijt te raken. Na twee halveringstijden is de radioactiviteit de helft van de helft. Dat is dus een kwart van de beginwaarde. Iedere radioactieve stof heeft een eigen vaste halveringstijd. Voor de ene stof zijn dat secondes, voor andere stoffen zijn dat duizenden tot zelfs enkele miljarden jaren. Het ene radioactieve stofje is dus meteen als het ontstaat al ongevaarlijk. Ander radioactief materiaal moet je vele duizenden jaren opslaan voor het ophoudt met stralen, of aan de straling ervan komt pas over enkele miljarden jaren een einde....

Protonenvangst

Vrije protonen zijn de kernen van waterstofatomen, volop aanwezig in stellair plasma, al eerder geproduceerd in de s- en / of r-proces, worden ingevangen door zware atoomkernen. 

Röntgenuitbarstingen zijn gewelddadige explosies die plaatsvinden in dichte dubbelstersystemen waar één ster door de zwaartekracht, materiaal van het oppervlak van zijn metgezel trekt. Naarmate het materiaal zich ophoopt, nemen de temperaturen en dichtheden toe, tot het punt waarop thermonucleaire reacties worden ontstoken.

Deze reacties, die voornamelijk betrekking hebben op protonenvangst vanwege de waterstofrijke aard van het zich ophopende en samentrekkende materiaal, synthetiseren zwaardere elementen en genereren voldoende energie om de opgehoopte laag de ruimte in te blazen. De hoge temperaturen en dichtheden van de explosieve omgeving zorgen ervoor dat veel van de protonenrijke onstabiele kernen, gevormd door protonenvangst op stabiele kernen, géén kans hebben om te vervallen voordat ze een volgende reactie hebben.

Door opeenvolgingen van protonenvangst-reacties op protonenrijke onstabiele kernen, vormen ze de krachtbron van de explosies. Het bepalen van deze snelheden is één van de grenzen die de nucleaire astrofysica zich stelt.

Nucleosynthese is het proces waarbij kernen van zwaardere elementen worden opgebouwd uit lichtere elementen. We kennen allemaal het Periodiek Systeem der elementen, waarin de elementen keurig gerangschikt staan. Maar wat je daarin niet terug ziet is de oorsprong van de elementen, door welk proces ze gevormd zijn. En dat is wat de afbeelding hierboven wél laat zien, de processen die voor ieder element hebben gezorgd, aangegeven met kleuren. 

Bron: Astroblogs

Blauw: 'Oerknal-nucleosynthese' de vorming van de allerlichtste elementen waterstof en helium tijdens het ontstaan van het heelal.

Groen: Stellaire nucleosynthese de vorming van elementen door kernfusie in lichte sterren in een proton-proton cyclus.

             Stellaire nucleosynthese de vorming van elementen door kernfusie in zwaardere sterren in een koolstof-stikstof cyclus.

  • De proton-protoncyclus is een kernfusiereactie in lichte sterren, zoals de zon. Bij de proton-protoncyclus worden in verschillende stappen vier waterstofkernen (protonen) omgezet in 4He (2 protonen en 2 neutronen)
  • De koolstof-stikstofcyclus is een fusiereactie in zware sterren waarbij uiteindelijk een 4He wordt gevormd uit oorspronkelijk vier waterstofkernen.

Geel en grijs: Supernova-nucleosynthese is de opbouw van atoomkernen van zwaardere elementen uit lichtere elementen. De temperatuur in een supernova kan oplopen tot wel 10 miljoen graden Celsius. Deze extreem hoge temperatuur kan leiden tot de productie van nieuwe elementen, samen met overvloedige neutronen, die kunnen verschijnen in de nevel die ontstaat na de supernova-explosie.

A Supernova Is One The Most Violent Cosmic Events
MP4 bestand – 19.6 MB 43 downloads

Licht bruin: synthetische elementen die gemaakt zijn door menselijke manipulatie van fundamentele deeltjes in een kernreactor of in een deeltjesversneller. Het betreft allemaal kortlevende, zeer zware elementen, die niet in de vrije natuur voorkomen.

Rose: Kosmische straling veroorzaakt splijting wanneer een straaldeeltje (een proton) op een materiedeeltje botst. Het resultaat van de botsing is het verdrijven van grote aantallen protonen en neutronen uit het getroffen object. Dit proces vindt niet alleen plaats in de diepe ruimte, maar ook in de bovenste atmosfeer van de aarde en het aardkorstoppervlak (meestal de bovenste tien meter) vanwege de voortdurende impact van kosmische straling.

Aangenomen wordt dat splijting van kosmische straling verantwoordelijk is voor de overvloed in het universum van enkele lichte elementen - lithium , beryllium en boor - evenals de isotoop 3H

Kosmische straling bestaat uit extreem kleine geladen deeltjes  protonen, elektronen, atoomkernen én neutrino’s. Wat zijn dát nou weer, neutrino's? 

Lees hierover: Heelalstructuren.com/kosmische-stralen.

De aarde wordt voortdurend blootgesteld aan kosmische straling. Als deze straling de bovenste laag van onze dampkring bereikt, ontstaat er een waterval van subatomaire deeltjes. Deeltjes waar de kosmische straling uit bestaat hebben een extreem hoge energie en impuls. De gevormde producten botsen al snel weer met materie in de atmosfeer en elke keer ontstaat een steeds groter aantal deeltjes met steeds lagere energie. Door dit voortdurende proces van vorming en annihilatie van deeltjes worden positronen zelfs gedetecteerd aan het aardoppervlak, hoewel ze normaliter slechts enkele centimeters in de lucht blijven bestaan voordat ze door een elektron worden geannihileerd.

Merging neutron stars is de fusie van twee neutronensterren: dit proces creëert als het ware een reactor waarin nieuwe elementen ontstaan. Voor de productie van zwaardere atomen vermoeden wetenschappers een proces waarbij vrije neutronen aan reeds bestaande atomen worden gehecht. De snelle variant van dit mechanisme is het zogenaamde r-proces (r staat voor rapid).

Illustratie van het r-proces. Vrije neutronen vormen snel grote verbindingen waarvan enkele neutronen vervallen tot protonen, terwijl een elektron en een antineutrino worden uitgezonden tijdens elke individuele reactie.

Bron afbeelding: © Müllerthann/MPIA

Neutron Star Merger Animation And Elements Forming
MP4 bestand – 9.0 MB 40 downloads

In botsende en samensmeltende neutronensterren ontstaat Strontium, Barium, Ruthenium, Neodymium, Platina en Goud. 

Wat zijn nucleaire reacties? Hoe kunnen wetenschappers zien wanneer iets straling afgeeft?

Soms "zijn atomen niet blij met zichzelf": ze veranderen plotseling in totaal verschillende atomen, zonder enige waarschuwing. Deze mysterieuze transformatie van het ene type element in het andere is de basis van nucleaire reacties, die ervoor zorgen dat de ene atoomkern verandert in een andere atoomkern. Net zoals chemische reacties ervoor zorgen dat verbindingen in andere verbindingen veranderen door hun elektronen om te wisselen, vinden nucleaire reacties plaats wanneer het aantal protonen en neutronen in de kern van een atoom verandert.  Dit gebeurt hoofdzakelijk met radionucliden, dit zijn isotopen van elementen met een onstabiele atoomkern die door radioactief verval overgaan in andere elementen, of andere isotopen van hetzelfde element

Stable And Unstable Nuclei
MP4 bestand – 13.0 MB 41 downloads

Sommige soorten kernreacties kunnen protonen zelfs uit de kern schoppen of ze in neutronen omzetten. Omdat we weten hoe we een element moeten noemen door het nummer op te zoeken in een periodiek systeem en vervolgens de naam af te lezen, verandert de naam van het element ook wanneer het atoomnummer (het aantal protonen in de kern) verandert. Hierdoor heeft wel het iets van de magische alchemie: een atoom van kalium (atoomnummer 19) kan plotseling en onverwacht veranderen in een atoom calcium (atoomnummer 20). Het enige teken dat er iets is veranderd, is het vrijkomen van straling.

Types Of Nuclear Radiation
MP4 bestand – 28.1 MB 39 downloads

Nog merkwaardiger is dat kernreacties vaak bijna geheel willekeurig plaatsvinden. Als je een enkele kern hebt waarvan je zeker weet dat deze uiteindelijk zal vervallen tot een andere kern, heb je nog maar een globaal idee hoe lang het duurt voordat je het ziet gebeuren. Je zou ergens tussen een paar seconden tot je hele leven naar de kern kunnen zitten kijken, en op een gegeven moment zou het plotseling zonder énige waarschuwing vervallen!!!

Maar afhankelijk van het type atoomkern kun je echter wél voorspellen hoe lang het gemiddeld zou duren om te vervallen als je veel atomen tegelijkertijd zou bekijken. Dus hoewel de gemiddelde tijd tot verval een meetbaar getal is, is de exacte tijd van het verval volledig willekeurig.

Er zijn drie soorten nucleaire reacties, die er allemaal voor zorgen dat de kern een ander, snel bewegend deeltje afschiet, zoals een foton of een elektron. Deze vrijgekomen deeltjes zijn een bijwerking van het feit dat het element zijn atoomnummer of massa verandert, en dat is wat wetenschappers over het algemeen bedoelen als ze waarschuwen voor nucleaire straling, aangezien snel bewegende deeltjes zich kunnen gedragen als gevaarlijke kleine kogeltjes. Veel nucleaire straling is echter onschadelijk en kan zelfs nu en dan worden aangewend om nieuwe medische of diagnostische hulpmiddelen te bieden.

Verschillende atomen van hetzelfde element kunnen verschillende massa's hebben. Een koolstofatoom (atoomnummer 6, dus zes protonen) kan bijvoorbeeld 6 neutronen of 8 neutronen hebben. Het eerste geval is bekender uit de scheikunde, aangezien veel van de gewone lichte elementen die in de biologie worden gebruikt (zoals zuurstof, koolstof en stikstof) hetzelfde aantal protonen hebben als neutronen. Maar het blijkt dat het geval van koolstof met 6 protonen en 8 neutronen, hoewel niet zo stabiel als 6 en 6, stabiel genoeg is om in waarneembare hoeveelheden in de natuur te voorkomen.

Omdat de 8 neutronenkern en de 6 neutronenkern technisch gezien beide koolstof zijn, noemen we ze verschillende isotopen van koolstof.

Omdat protonen en neutronen ongeveer dezelfde massa hebben, wordt de meest voorkomende versie van koolstof: koolstof-12 genoemd (6 protonen + 6 neutronen). De zwaardere isotoop is koolstof-14 (6 protonen + 8 neutronen). Maar als je de massa koolstof opzoekt in het periodiek systeem, vind je dat de massa 12.011 atomaire-massa-eenheden (u) is. Dit komt omdat als je naar buiten zou gaan en een enorme berg koolstofatomen zou wegen, de meeste atomen die je zou vinden precies 12 u zouden wegen. Maar in die enorme koolstofberg zou je af en toe een koolstof-14-kern vinden, die het gemiddelde van je metingen zou scheeftrekken naar een waarde die iets hoger is dan 12.

Om redenen die nauw verband houden met de fundamentele krachten die in de kern werken, is de neiging van een stof om nucleair verval te ondergaan gerelateerd aan zowel het atoomnummer als de atoommassa van een element. Dit betekent dat twee verschillende isotopen van hetzelfde element verschillende neigingen hebben om nucleair verval te ondergaan. In het geval van koolstof zal de isotoop koolstof-14 vervallen tot stikstof, terwijl koolstof-12 (dat is de meeste koolstof in je lichaam) stabiel zal blijven.

Koolstof-12 is een stabiele isotoop en wordt gebruikt bij de definitie van de mol, een aanduiding van de stofhoeveelheid. Een mol wordt immers gedefinieerd als de hoeveelheid materie van een systeem dat evenveel deeltjes bevat als er atomen zijn in 12 gram neutraal koolstof-12

Koolstof-13 is een stabiele isotoop en wordt gebruikt bij de kernspinresonantie, dat onder andere toepassing vindt in de chemie en in de geneeskunde (namelijk bij MRI-scanners). Zie nucleair-magnetische-resonantie

Koolstof-14 is een instabiele isotoop

Koolstof-14 vervalt door bètaverval tot stikstof-14 een stabiele isotoop en zendt daarbij een elektron uit.

C14-datering of koolstofdatering is een methode van datering waarmee de ouderdom van organische en plantaardige stoffen wordt bepaald met behulp van de isotoop koolstof-14.

  • Als organisme sterft, stopt opname C-atomen

  • Hoe minder 14C t.o.v. het 12C, hoe ouder het materiaal is.

14C wordt in de atmosfeer uit stikstofkernen gevormd. Dit gebeurt door kernreacties veroorzaakt door de kosmische straling waaraan de Aarde voortdurend blootstaat. De methode is bruikbaar voor stoffen tot circa 50.000 jaar oud.

How Carbon Dating Works
MP4 bestand – 22.7 MB 38 downloads

Waarom gebeuren er kernreacties?

Niet alle elementen ondergaan nucleair verval in een tijdsbestek dat we die zouden kunnen waarnemen. Sommige elementen hebben miljoenen jaren nodig om te vervallen of zelfs enige miljarden jaren! In feite bestaan ​​de meeste levende wezens voornamelijk uit isotopen van koolstof en stikstof, die zo'n ongelooflijk lange levensduur hebben dat ze, letterlijk, 'in wezen' nooit zullen vervallen tijdens de levensduur van het organisme.

Dit is nodig omdat de biochemische functie van elk van deze atomen specifiek gebonden is aan het atoomnummer: als een zenuwreceptor specifiek 'n op koolstof gebaseerd signaalmolecuul opzoekt en bindt, dan zal het niet werken als die koolstof spontaan verandert in stikstof........met slechts één proton, en uiteraard, één elektron meer!

Hoe anders is het bij zware elementen met een groot aantal protonen en neutronen in hun kern.

Atoomkernen bestaan ​​uit protonen en neutronen , die elkaar aantrekken via de kernkracht, terwijl protonen elkaar door hun positieve lading afstoten via de elektrostatische kracht (Coulomb-kracht). Deze twee krachten concurreren met elkaar, wat ertoe leidt dat sommige combinaties van neutronen en protonen stabieler zijn dan andere. Neutronen stabiliseren de kern, omdat ze protonen aantrekken, wat de elektromagnetische afstoting tussen protonen helpt te compenseren.

Als gevolg hiervan is, naarmate het aantal protonen toeneemt, een toenemende verhouding tussen neutronen en protonen nodig om een ​​stabiele kern te vormen:

Een foute verhouding tussen de aantallen protonen en neutronen veroorzaakt een onstabiele kern. Zo'n onstabiele kern heeft de neiging om te zoeken naar stabiliteit.
Dat lukt alleen als in de kern de verhouding 'protonen/neutronen' verandert. Er moeten neutronen bij, of weg of het aantal protonen moet anders. Vaak bereikt de kern stabiliteit via een reeks van veranderingen in stappen. Die kunnen milliseconden duren, maar soms ook miljoenen of zelfs enkele miljarden jaren. Dit type veranderingen (die de kern zelf aanstuurt) is een "natuurlijke radioactiviteit", het zijn natuurlijke kernreacties. Er zijn ook kunstmatige vormen van kernreacties, als bijvoorbeeld een atoomkern beschoten wordt met bepaalde zeer energierijke deeltjes. De kernen worden dan op een kunstmatige manier onstabiel gemaakt. Dan heb je "kunstmatige radioactiviteit

Als er te veel of te weinig neutronen aanwezig zijn met betrekking tot de optimale verhouding, wordt de kern instabiel en onderhevig aan bepaalde soorten nucleair verval. Onstabiele isotopen vervallen door de al genoemde verschillende radioactieve vervalroutes, meestal alfa-verval, bèta-verval. gamma-verbal. neutronenvangst of elektronenvangst. 

Uranium is een actinide (atoomnummer 92). Alle actiniden zijn radioactief en vervallen spontaan naar lagere elementen, uiteindelijk tot lood (Pb 82).

Ontstaan Uranium 

Het zwaarste element dat in de natuur voorkomt, is uranium. Een uranium atoom heeft 92 protonen in de kern. Om die bijeen te houden zijn maar liefst 146 neutronen nodig. Dit is de reden waarom uraniumkernen niet stabiel zijn.

Aanvankelijk na de exponentiële inflatie van het heelal, werden alleen zeer lichte elementen gevormd, dus voornamelijk waterstof, wat helium en geen elementen zwaarder dan lithium. Uranium kan alleen worden gevormd tijdens explosies van sterren. Uraniumkernen zijn niet stabiel en zullen snel door talloze botsingen binnen een ster tot ijzer vervallen. Tijdens supernova explosies is het wel mogelijk dat uraniumkernen worden gevormd zonder dat de nieuw gevormde kernen weer vervallen door verdere botsingen. Dit door de snelle expansie waarbij de druk en temperatuur zó laag worden dat botsingen niet meer de energie hebben om het uranium te splitsen. Al die tijd blijft het radioactieve uranium dat niet door een ster wordt verzwelgd grotendeels intact en na miljarden jaren is nog de helft van de radioactiviteit aanwezig.

Het Uranium in de aardkorst is ook een bijzonder verhaal, want tijdens de vorming van de Aarde was de planeet nog 'vulkanisch stroperig vloeibaar', waardoor het grootste gedeelte van het zware metaal Uranium naar de kern van de Aarde verdween. Toen de aardkorst alweer betrekkelijk vast was, zijn er toch nog grote hoeveelheden zware metalen als uranium en goud op de Aarde neergestort. Uranium-ertsen worden gevormd door kristallisatie vanuit een hete waterige oplossing tijdens vulkanische processen. Bij kristallisatie slaan atomen van dezelfde soort bij een bepaalde temperatuur en druk neer in een regelmatig patroon dat de laagste energie oplevert. De vorming van elementen tijdens fusieprocessen binnen supernova's is niet iets waar over getwijfeld wordt binnen de wetenschap en ook het verval van uranium kun je in sommige kristallen heel goed waarnemen, omdat elk gesplitst atoom een zwarte vlek achterlaat in het kristal. Door te meten hoeveel Uranium-atomen het kristal nog bevat kun je prima de leeftijd schatten..

Het overgrote deel van het natuurlijk voorkomend Uranium op Aarde bestaat uit Uranium-238 (238U ), de 'meest stabiele'  radioactieve isotoop van dit element, omdat dit isotoop 'n halfwaardetijd heeft van 4,7 miljard jaar: dit verval zal de mensheid nooit meemaken! Uranium-238 dat op Aarde voorkomt is gevormd door nucleosynthese in supernovae. Dit is het proces waarbij kernen van zwaardere elementen worden opgebouwd uit lichtere elementen. 

Oja....De langstlevende radioactieve isotoop is 128Te (van het element telluur) met een halfwaardetijd van 2,2 quadriljoen jaar oftewel 2,2 × 1024 jaar. Deze isotoop bezit de langste halfwaardetijd van alle bekende radioactieve isotopen.

De vervalreeks van Uranium-238

Bij de radiometrische ouderdomsbepaling van gesteenten wordt vaak het gehalte van uranium-238 en lood-206 gemeten. De halfwaardetijd, waarin het uranium-238 tot lood-206 vervalt, bedraagt 4,47 miljard jaar. Het is onmogelijk in te schatten, hoeveel van het tegenwoordig aanwezige lood-206 daadwerkelijk afkomstig is van uranium-238. Men kan er namelijk van uitgaan, dat bij het ontstaan van ‘n bepaald gesteente een onbekende hoeveelheid lood-206 al direct is kunnen ontstaan. Daarbij komt, dat naast uranium-238 ook 52 andere elementen eveneens tot lood-206 vervallen. De halfwaardetijd van deze elementen varieert tussen enkele micro-seconden en 245.500 jaar. 

Halfwaardetijd, of halveringstijd, is de tijd die nodig is om telkens de helft van de radioactiviteit kwijt te raken. Na twee halveringstijden is de radioactiviteit de helft van de helft, dat is een kwart van de beginwaarde.

  • 238U wordt door alfaverval omgezet in de onstabiele radioactieve-isotoop Thorium-234 (234 Th) met een halfwaardetijd van 4,47 miljard jaar.

De radio-isotoop 238U verliest twee protonen en twee neutronen. Het massagetal wordt daarmee met vier verminderd en het atoomnummer met twee en schuift daarmee 2 plaatsen terug in het Periodiek Systeem. Er wordt dus een isotoop gevormd van het element thorium: een actinide, die van nature niet op Aarde voorkomt.

  • In het α-vervalproces worden 2 protonen en 2 neutronen uitgezonden en is daarmee de kern van een helium-4-atoom (He2+)

  • Bij β− verval In de kern gebeurt het volgende: een neutron splitst zich in een proton en een elektron. n ➝ p+e

    Het proton blijft in de kern. Het elektron vliegt weg met hoge snelheid.

Voor uitgebreide en overzichtelijke 'cascades' van radioactieve reeksen vond ik Periodictable.com

Klik bijvoorbeeld op het icoon Uranium, element 92, en vervolgens op

       Uranium Isotope Data

De radioactieve isotoop 238U vervalt door α-verval in 234 Th van het element Thorium (atoomnummer 90)

Vervalreeks Thorium-234

Het onstabiele radioactieve-isotoop Thorium-234 (234 Th) heeft een halfwaardetijd van 24,1 dagen, en wanneer het vervalt, zendt het een bètadeeltje uit, en daarbij vervalt het in 234protactinium (Pa atoomnummer 91).

234 Th kan ook ontstaan door β− verval van 234Ac (actinium atoomnummer 89)....89 wordt 90

234Ac kan ontstaan door β− verval van 234Ra (radium atoomnummer 88)....88 wordt 89

Bekijken we nu de isotopen van het meest eenvoudige element waterstof.

Ongeveer 380.000 jaar na de oerknal was de temperatuur van het heelal zo ver gedaald dat de protonen elektronen konden ‘vangen’ en vasthouden: hierdoor werden voor het eerst stabiele waterstofatomen gevormd. Driekwart van de zichtbare materie van het heelal bestaat uit het element waterstof, de grondstof van de energieproductie van alle sterren.

Protium of 1H is een stabiele isotoop van waterstof. De kern bestaat slechts uit één proton.

Deuterium of 2H is ook een stabiele isotoop van waterstof met in de kern een proton en een neutron.

  • Zwaar water of gedeutereerd water is de benaming van dideuteriumoxide (D2O of 2H2O)
  • Het molecuul heeft dezelfde opbouw als "gewoon" water H2O maar de waterstofatomen zijn vervangen door deuteriumatomen. 

Tritium of 3H is een instabiele isotoop van waterstof met in de kern één proton en twee neutronen. Tritium is bij standaardtemperatuur en -druk een gas, net als "gewone" waterstof, protium. Tritium is radioactief en vervalt door β-verval tot 3He  met een halveringstijd van ongeveer 12 jaar.

Quarks

Alle waarneembare materie bestaat uit up-quarks, down-quarks en elektronen. 

Quarks Standard Model Of Particle Physics
MP4 bestand – 13.3 MB 36 downloads

Atomen zijn dus gebonden in moleculen, en worden daarin bijeengehouden door de elektromagnetische kracht. Deze kracht speelt ook een rol in het atoom zelf dat bestaat uit een kleine positief geladen kern met daaromheen een wolk van negatief geladen elektronen, die door de elektromagnetische kracht bij de kern gehouden wordt.

In de twintigste eeuw bleek dat de atoomkern is opgebouwd uit kleinere deeltjes: de positief geladen protonen en de elektrisch neutrale neutronen. Deze worden in de kern bijeen gehouden door de sterke kracht, ook wel kernkracht genoemd. Protonen en neutronen bleken op hun beurt uit deeltjes te bestaan, die quarks genoemd worden, en die eveneens onderhevig zijn aan de sterke kracht. 

In 1964 kwamen twee natuurkundigen Murray Gell-Mann en George Zweig met het idee: al die tientallen "elementaire" deeltjes kunnen beschouwd worden als combinaties van maar drie fundamentele deeltjes. Gell-Mann koos de eigenaardige naam "quarks" voor deze bouwstenen. 

Het woord komt voor in de uitdrukking: "Three quarks for Muster Mark"

in de roman Finnegan's Wake van James Joyce. Eventueel vertaald

De zin leek hem toepasselijk, aangezien de hypothetische deeltjes in drieën aanwezig zijn in protonen en neutronen.

Het getal drie heeft bij quarks dus een diepere betekenis meegekregen.

Murray Gell-Mann ontving in 1969 de Nobelprijs voor zijn ontdekkingen 

Elk proton en neutron bevat steeds drie quarks. Daarnaast bevatten protonen en neutronen 'lijmdeeltjes' die de quarks bij elkaar houden. Deze zogeheten gluonen (glue = lijm) zijn op te vatten als de dragerdeeltjes van de sterke kracht. Het gedrag van de quarks en de gluonen wordt beschreven met een theorie die Quantumchromodynamica wordt genoemd.

QCD Quantum Chromodynamics 2
MP4 bestand – 27.5 MB 40 downloads

Qantumchromodynamica ( QCD ) de theorie van de sterke interactie tussen quarks en gluonen. Gluonen zijn de krachtdragende (lijm)deeltjes, zoals fotonen voor de elektromagnetische kracht in de kwantumelektrodynamica. In de atoomkern binden gluonen quarks samen in protonen ne neutronen....glue betekent lijm. Quarks worden hierdoor zó sterk gebonden dat we ze niet vrij kunnen maken. Dit wordt het opsluitingsprincipe genoemd. Kleur-lading en quark-opsluiting

Ruwweg bestaat de ons omringende wereld uit twee soorten deeltjes. De krachtvoelende deeltjes onderverdeeld in twee categorieën: elektronen en hadronen (hadronen bestaan uit quarks). De tweede soort bestaat uit de krachtvoerende deeltjes, de gluonen. De deeltjes binnen deze twee categorieën zijn de belangrijkste ingrediënten voor de opbouw van materie.

Quarks hebben 'kleur- en anti kleurladingen'.

Voor elektromagnetische wisselwerking tussen twee deeltjes (een elektron en een proton) is het noodzakelijk dat ze een lading bezitten. Krachtvoerende deeltjes (hier de fotonen) kunnen alleen wisselwerken met geladen deeltjes. Zo ook moeten de quarks een soort lading bezitten, waarop de lijmdeeltjes werken.

We hebben quarks, anti-quarks en gluonen die te samen de hadronen vormen, maar zelf niet vrij kunnen voorkomen. Deze
hadronen hebben allemaal een heeltallige lading. Alle quarks hebben namelijk een lading die eenderde van de elektronlading is, immers een lading van min tweederde, scheelt precies één (heeltallig) met de lading eenderde. Evenzo hebben de anti-quarks allemaal een lading die min eenderde maal de elektronlading is.

Kennelijk moet het aantal quarks en het aantal anti-quarks binnen een hadron altijd een exact drievoud verschillen. En het blijkt ook dat iedere quark drie varianten heeft, die van elkaar verschillen:

  1. Lading

De positieve quark heeft een lading van +2/3. De negatieve quark een lading van –1/3. Een proton bestaat uit twee positieve en één negatieve quark. Als je de ladingen bij elkaar optelt krijg je de al bekende lading, van de proton, +1. Een neutron bestaat uit twee negatieve quarks en één positieve quark. Bij elkaar opgeteld geven deze drie quarks een neutrale lading.

  1. Van beide soorten (positieve en negatieve) zijn er drie verschillende quarks.

Voor de positieve quarks zijn dat: de up-quark, charm-quark en top-quark. Deze hebben alle drie een lading van +2/3, het enige verschil is dat de charm-quark zwaarder is dan de up-quark en de top-quark nog zwaarder. Voor de negatieve quarks zijn dat: down-quark, strange-quark, bottom-quark. Ook deze hebben alle drie dezelfde lading van -1/3 en verschillende massa's.

  1. De waarden

Je kunt niet zomaar willekeurig quarks aan elkaar plakken. Quarks kunnen verschillende waarden hebben, deze verschillende waarden worden aangegeven door de gegeven verschillende kleurcombinaties.

  • Quarks hebben de kleuren rood, blauw en groen gekregen en anti-quarks de kleuren geel, cyaan, magenta. Om een goede combinatie te maken moet de som van de kleuren wit zijn.
  • Een baryon bestaat uit een groene, rode en blauwe quark dan is de som van deze drie kleuren wit.
  • Een meson bestaat uit een quark en een anti-quark. Let wel dat deze geen paar(up-quark en anti-up-quark) zijn, want anders zouden ze elkaar annihileren. Een combinatie kan gemaakt worden door bijvoorbeeld een gele anti-quark en een blauwe quark bij elkaar te voegen. De som van de kleuren van deze quarks is opnieuw wit. Een voorbeeld van een combinatie die niet gemaakt mag worden is een rode, een groene en een cyaane-antiquark.De baryon zou dan groen worden en dat mag niet.

Dáárom is er dus een speelse terminologie ontwikkeld om de quarkopsluiting kleur te geven. Men classificeert de lading door de ons bekende drie "hoofdkleuren'' (die bij menging wit geven), op zo'n manier dat de kleurencombinatie ``wit'' met ``neutraal'' correspondeert. Die eigenschap laat precies 3 varianten toe. En natuurlijk zijn het geen echte kleuren, het is een manier om over een eigenschap van het quark te praten

De “up” en “down” quarks zijn de meest voorkomende smaken van quarks, omdat ze het meest stabiel zijn. Naarmate andere quarks zwaarder worden, veranderen ze in Up en Down quarks via een proces dat 'verval' wordt genoemd, wat de transformatie is van "een hogere massatoestand naar een lagere". Strange, Charm, Top en Bottom kunnen alleen worden geproduceerd in deeltjesversnellers of in kosmische straling.

Met behulp van botsingsexperimenten in SLAC (Stanford Linear Accelerator Center, tegenwoordig: National Accelerator Laboratory), werden, in navolging van het experiment van Ernest Rutherford, protonen met elektronen beschoten. Het SLAC onderzoeksprogramma concentreert zich namelijk op research naar elementaire deeltjesfysica met elektronenstralen.  In 1967 ontdekte men tijdens deze experimenten, dat protonen en neutronen uit drie quarks moesten bestaan: protonen bevatten twee up-quarks en één down-quark en neutronen bevatten twee down-quarks en één up-quark. 

Bron afbeelding: Wetenschapsschool

Door de kijken in welke richting de elektronen afbogen kon men zien dat het proton, en wat later bleek, ook het neutron uit drie kleinere deeltjes bestaat. Die deeltjes werden vanaf 1964 quarks genoemd (n.a.v. "Three quarks for Muster Mark").

Elektronen zijn trouwens zelf nog eens een factor honderdduizend kleiner dan een proton.

Overigens: Ernest Rutherford, concludeerde in 1911 dat een atoom zou moeten bestaan uit een kleine massieve positief geladen kern met daaromheen de negatief geladen elektronen. De ontdekking van die elektronen in 1897 wordt toegeschreven aan Joseph John Thomson. Rutherford ontdekte het proton in 1919, en ruim 10 jaar later, in 1932, werd het neutron ontdekt door James Chadwick. 

Bron afbeelding: particlecentral.com

Al deze individuele atomen zijn samengesteld uit protonen, neutronen, elektronen en neutrino's. Protonen en neutronen zijn weer samengesteld uit quarks. Al deze elementaire en subatomaire deeltjes hebben óók weer hun eigen antideeltjes.

Hierover gaat het volgende blog.

Een preon is een hypothetisch subatomair deeltje waaruit quarks opgebouwd gedacht te zijn. Preonen zouden  een diameter hebben van 1 zeptometer (10−21m = 0,000.000.000.000.000.001 mm)

Quarks in de eerste momenten het vroege heelal

In de enorme dichtheid van die eerste momenten heerste een onvoorstelbare hitte. Het universum was gevuld met een extreem hete, dichte brei van deeltjes, die met bijna de lichtsnelheid door elkaar heen krioelden. Dit mengsel werd gedomineerd door quarks en gluonen, dragers van de sterke kracht die een paar miljoenste van een seconde later quarks aan elkaar zouden gaan 'lijmen' tot protonen en neutronen.

In die eerste vluchtige momenten van extreme hitte waren quarks en gluonen slechts zwak gebonden, om vrij te bewegen in wat een quark-gluon-plasma wordt genoemd.

Quark Gluon Plasma
MP4 bestand – 5.0 MB 39 downloads

Toen het Universum was "afgekoeld" tot 1013 Kelvin, konden quarks zich met elkaar binden, bijeen gehouden door 'hun' gluonen, om hadronen (baryonen en mesonen) te vormen.

De pijltjes geven de bindingsenergie aan van gluonen.

Vanaf de verschijning van de eerste baryonen tot aan de eerste drie minuten gedroeg het Universum zich als een Kosmische Nucleaire Reactor. Protonen en neutronen vormden samen heliumkernen en sporen van deuterium totdat er geen neutronen meer beschikbaar waren. Dit proces wordt de Big Bang nucleosynthese genoemd: een overvloed aan lichte elementen deuterium, helium en lithium.

De afbeelding illustreert twee van de nucleaire reacties die plaatsvinden tijdens Big Bang Nucleosynthese: het toont protonen en neutronen die combineren om deuteriumkernen te vormen (D, met een proton en een neutron), vergezeld van de emissie van hoogenergetische fotonen (aangeduid als γ); verder toont het twee deuteriumkernen die samensmelten om één kern van helium-3 (met twee protonen en één neutronen) en één vrij neutron te produceren.

Het blijkt dat Big Bang Nucleosynthese sterk de voorkeur gaf aan zeer lichte elementen zoals waterstof en helium. Niet alleen standaard waterstof (één proton) en helium-4 (twee neutronen en twee protonen), maar ook de isotopen deuterium (één proton, één neutron ), tritium (één proton, twee neutronen) en helium-3 (twee protonen, één neutron). Protonen zijn stabiel, maar een neutron vervalt in 886 seconden tot een proton, een elektron (en een elektron-antineutrino). Zo ontstond een verhouding protonen/neutronen van 7/1. 

Hoewel er oorspronkelijk ongeveer evenveel protonen als neutronen waren, is het aantal neutronen ondertussen sterk gedaald door het radioactief verval. Uiteindelijk zal hierdoor niet elk proton of neutron elkaar vinden om een verbinding aan te gaan, en zullen vrije protonen ongebonden blijven als waterstof-kernen. 

Totdat er een overweldigend groot aantal van die vrije kernen 'toevallig' terecht komt in gigantische interstellaire gas- en stofwolken rijk aan koolstof, stikstof, zuurstof, zwavel en kosmisch stof rijk aan silicaten.

 

Zoom Into Pillars Of Creation
MP4 bestand – 10.2 MB 37 downloads

In nevels, zoals deze Eagle Nebula, worden 'Trees of Life' opgebouwd vanuit de 6 verbindingen: CH4    NH3    H2O   HCN  N2   H2S

methaan, ammoniak, water, waterstofcyanide, stikstof en zwavelwaterstof