Was ist der Ursprung der Elemente?

Eine relativ kleine Zahl von Elementen bildet unser gesamtes Universum. Unser Körper, die Erde, die Sonne und alles, was wir im Universum kennen, ist aus einem Bestand von etwas mehr als hundert verschiedenen Atomen zusammengesetzt. Das ist alles. Die meisten von uns sind auch dem Periodensystem von Mendelejew begegnet, das auf geniale Weise die Elemente nach ihren Eigenschaften anordnet. Und vielen ist bewusst, dass die gesamte Materie im Universum aus Atomen dieser Elemente besteht. Aber hast du dich jemals gefragt, wo die Atome herkommen und was ihr Ursprung ist?

Es ist ziemlich verblüffend, dass den jüngsten Schätzungen zufolge die Materie im Universum zu rund 73 Prozent aus Wasserstoffatomen und zu 25 Prozent aus Heliumatomen besteht. Alle anderen Elemente im Universum bilden nicht mehr als zwei Prozent der gesamten Materie. Wenn man darüber hinaus auf die Feinheiten der Astronomie eingeht, stellt sich heraus, dass Atome nur 12 Prozent des Universums bilden und dass dieses zum Großteil, zu rund 72 Prozent, aus etwas völlig Unverstandenem besteht, das „dunkle Energie“ genannt wird.

Einer der Gründe dafür, dass diese Fakten so überraschen, liegt darin, dass die Verhältnisse auf der Erde ganz anders sind. Das häufigste Element auf der Erde ist Sauerstoff, und danach kommen Silizium, Aluminium und Eisen. Der Wasserstoff liegt weit abgeschlagen auf Platz zehn. Dabei müssen wir allerdings bedenken, dass unser Planet samt allem, was sich auf ihm befindet, nur einen winzigen Bruchteil der gesamten Materie im Universum ausmacht.

Baue dir ein Atom

Der Vorgang, durch den neue Atomkerne entstehen, heißt Nukleosynthese – Kern-Aufbau. Die leichtesten Elemente entstanden sofort nach dem Urknall aus dem Plasma von subatomaren Teilchen, die sich verbunden haben. In dieser Phase waren rund drei Viertel der Materie im Universum Wasserstoffatome und das weitere Viertel Heliumatome. Außerdem gab es noch geringe Mengen von Lithium und Beryllium – und das ist alles.

Die schwereren Atome entstanden später aus Wasserstoff in einem Prozess, der stellare Nukleosynthese genannt wird. Hier handelt es sich um einen kontinuierlichen Vorgang, bei dem während verschiedener Phasen im Lebenslauf eines Sterns Wasserstoff und Helium im Inneren der Sterne, die wie riesige Öfen wirkten, durch eine Kernfusion verschmolzen sind. Durch diesen Prozess entstanden der Kohlenstoff und ein bedeutender Teil der im Periodensystem auf ihn folgenden Elemente. Die Produkte des Prozesses breiteten sich schließlich von dem Stern in das interstellare Gas aus und traten als Nebel in Erscheinung.

Die meisten der schwereren Atome entstehen durch Nukleosynthese in einer Supernova. Auch hier handelt es sich um eine Kernverschmelzung, doch in Prozessen, die eine gewaltige Energiemenge erfordern, welche nur in den massereichsten Sternen in deren Supernova-Phase verfügbar ist - die Phase, in der ein riesiger Stern explodiert, wenn die in ihm ablaufende Kernfusion sich erschöpft und nicht mehr verhindern kann, dass der Stern unter seinem eigenen Gewicht kollabiert.

Atome, die leichter als Kohlenstoff, aber größer als Wasserstoff oder Helium sind, entstehen durch das Bombardement mit kosmischer Strahlung. Bei diesem Vorgang treffen kosmische Strahlen die Kerne von schwereren Elementen und spalten sie, sodass leichtere Kerne wie Lithium, Beryllium und Bor entstehen.

Die schwersten Kerne, jene im untersten Teil des Periodensystems, sind von Menschenhand hergestellt. Sie wurden künstlich in Teilchenbeschleunigern durch die Beschleunigung von relativ schweren Kernen und deren Zusammenstoß mit gewaltiger Geschwindigkeit erzeugt. Durch den Zusammenstoß entstehen schwere Kerne, die in der Regel nicht stabil sind und binnen Sekundenbruchteilen zerfallen.

Einige Elemente können durch verschiedene Prozesse entstehen, wie aus der Tafel ersichtlich, wobei etwa zuletzt entdeckt wurde, dass auch Lithium durch Nukleosynthese in einer Supernova erzeugt werden kann.