Các nguyên tố hóa học bắt nguồn từ đâu?

Các nguyên tố hóa học cấu tạo nên mọi sinh vật sống, bao gồm cả cơ thể người. Chúng hình thành từ các quá trình trong vũ trụ và tồn tại qua hàng tỷ năm.

Các nguyên tố hóa học hình thành trong vũ trụ

Khoảng 14 tỷ năm trước, vụ nổ Big Bang tạo ra một vũ trụ chỉ gồm toàn khí, không có các vì sao cũng như chưa có hành tinh nào. Thành phần khí bao gồm nguyên tử của các nguyên tố đơn giản nhất, khoảng 75% là hydro và phần còn lại hầu như là heli, chưa có các nguyên tố carbon, oxy, nitơ, cũng không có sắt, bạc hoặc vàng.

Tại một số nơi có mật độ khí cao hơn. Do tác động lực hấp dẫn, những nơi ấy liên tục hút nhiều khí hơn, cuối cùng tạo ra một quả cầu khí khổng lồ co lại dưới trọng lực của chính nó và nóng lên từ bên trong. Lõi của quả cầu khí nóng tới mức tạo thành phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nguyên tử hydro phản ứng với nhau tạo thành heli đồng thời giải phóng năng lượng đủ mạnh để chống lại sự co lại của trọng lực. Khi năng lượng đẩy ra khỏi phản ứng nhiệt hạch ngang bằng với trọng lực kéo tất cả khí vào bên trong, trạng thái cân bằng xảy ra. Kết quả là một ngôi sao được hình thành.

Các nguyên tố hóa học trong vũ trụ được hình thành trong lõi ngôi sao. (Nguồn: NASA).

Phản ứng tổng hợp trong lõi của ngôi sao không chỉ sản xuất heli mà còn có carbon, oxy, nitơ và tất cả các nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn cho đến sắt. Ngôi sao sẽ sụp đổ hoàn toàn khi lõi hết nhiên liệu. Điều này gây ra một vụ nổ mạnh mẽ, gọi là vụ nổ siêu tân tinh. Có hai điều cần lưu ý về cách mà vụ nổ siêu tân tinh tạo nên các nguyên tố. Trước tiên, vụ nổ giải phóng nhiều năng lượng đến mức gây ra phản ứng tổng hợp mạnh mẽ, hình thành các nguyên tố nặng hơn cả sắt như bạc, vàng và uranium. Thứ hai, tất cả nguyên tố tích lũy trong lõi ngôi sao như carbon, oxy, nitơ, sắt cũng như những nguyên tố hình thành trong vụ nổ siêu tân tinh bị đẩy vào không gian liên sao rồi trộn lẫn với các khí đang tồn tại ở đó.

Quá trình trên sau đó được lặp đi lặp lại. Đám mây khí bây giờ chứa nhiều nguyên tố ngoài hydro và heli. Nó bắt đầu có những vùng đậm đặc hơn, hút nhiều vật chất hơn và lại tạo thành một ngôi sao mới. Mặt trời cũng được sinh ra theo cách này khoảng 5 tỷ năm trước, nghĩa là nó được phát triển từ đám mây khí chứa nhiều nguyên tố tạo ra bởi vụ nổ siêu tân tinh kể từ khi vũ trụ bắt đầu. Mặt trời hình thành từ 71% là hydro và 27% heli, 2% còn lại là các nguyên tố khác.

Các nguyên tố trên Trái Đất

Các hành tinh cũng được hình thành từ đám mây khí trong vũ trụ. Hành tinh nhỏ như Trái đất không đủ lực hấp dẫn để giữ lại nhiều khí hydro hoặc heli bởi cả hai đều rất nhẹ. Chúng sẽ dần thoát ra ngoài vũ trụ. Vì vậy, mặc dù các nguyên tố nặng hơn như carbon, nitơ, oxy,…chỉ chiếm 2% thành phần đám mây khí tạo nên Trái đất, nhưng chúng được giữ lại và là thành phần chính của Trái đất hiện nay.

Hãy suy nghĩ về điều này, ngoại trừ hydro và một số khí heli, mặt đất dưới chân bạn, không khí bạn đang thở và chính bạn, mọi thứ đều cấu tạo từ nguyên tử hình thành bên trong ngôi sao. Khi khoa học mới bắt đầu nghiên cứu vấn đề này vào nửa đầu thế kỷ 20, Harlow Shapley, nhà thiên văn học nổi tiếng người Mỹ đã nhận xét: “Chúng ta là anh em của những tảng đá, và họ hàng với những đám mây”.