Wat de tabel van Mendeljev voor de sterrenkunde betekent en vice versa


We vieren dit jaar een speciale jarige: het periodiek systeem der elementen.

Het is inderdaad 150 jaar geleden dat de Russische scheikundige Dimitri Mendeljev (1834-1907) – of  op zijn Russisch Dmitri Ivanovitsj Mendelejev – op 6 maart 1869 de toen reeds gekende chemische elementen voor het eerst voorstelde in een tabel waarin rijen en kolommen zorgden voor een systematische rangschikking op basis van de gekende eigenschappen van de verschillende elementen.

 

doodledmitri--575x323.jpg
                         Dmitri Ivanovitsj Mendelejev, copyright: Google doodle

 

Dat deze prestatie uit 1869 van groot belang is mag onder andere blijken uit het feit dat de UNESCO, de dochterorganisatie van de Verenigde Naties die zich bezig houdt met wetenschap, cultuur en opvoeding, 2019 heeft uitgeroepen tot het internationale jaar van het periodiek systeem.

Voor alle speelvogels te lande presenteert Technopolis naar aanleiding van deze  verjaardag een speciaal Mendelejev-game.

Je bevindt je als speler voor een heel groot scherm dat de ruimte voorstelt, daarin zie je de meest verscheiden voorwerpen voorbijvliegen. Het is de bedoeling dat je met je Ionator 118 (een soort laserkanon) die voorwerpen herleidt tot de elementen waaruit ze zijn opgebouwd. Deze komen automatisch terecht in de virtuele tabel van Mendeljev, opdracht is alle 118 elementen te plaatsen. Voorwaar een hele klus...

 

Mendeljev%20game.jpg

 

 

Van alchemie naar chemie/scheikunde

De mens is al sinds den beginne in de weer met alle mogelijke materialen, en de studie van de verschillende soorten materie waarmee gewerkt kan worden was voorbehouden aan specialisten die niet zozeer natuurfilosofen waren (de voorlopers van de natuurkundigen en scheikundigen van vandaag), maar veeleer alchimisten die hun natuurstudie vermengden met allerlei occulte praktijken. De meest beroemde alchemist uit de periode net voor en aan het begin van de wetenschappelijke revolutie was ongetwijfeld Isaac Newton (1642-1727), uitgerekend de man die de wetenschap van zijn sterkste fundamenten voorzag.

 

Isaac%20Newton.jpg
Isaac Newton, wegbereider van de moderne wetenschap

 

Feit is dat in de periode van de zeventiende en achttiende eeuw steeds meer scheikundige basiselementen werden ontdekt. En zo rezen de vragen: hoeveel elementen zijn er uiteindelijk? Zijn het er oneindig veel? Wat is het verband tussen die elementen? Kunnen we er een systeem in terugvinden?

 

Een geordend systeem

Vóór Mendeljev waren er al verschillende pogingen geweest om alles te ordenen, maar zonder succes. De tabel waar Mendeljev in 1869 mee voor de dag kwam slaagde er wel in om via horizontale rijen (de perioden) en verticale kolommen (de groepen) elementen met vergelijkbare chemische en fysische eigenschappen in te delen in een overzichtelijke tabel met een systematische organisatie. Alle toenmalig gekende elementen hadden er hun plaatsje in, en de tabel maakte het ook mogelijk om voorspellingen te doen over eigenschappen van elementen die nog moesten ontdekt worden.

Met andere woorden: Mendeljev stelde een periodiek systeem voor waarmee een diepere orde in de natuur werd blootgelegd met daarin de verschillende elementen in hun fundamentele relatie met elkaar.

Het opstellen van de tabel van Mendeljev was dus wel degelijk een grootse intellectuele prestatie, een mijlpaal in de geschiedenis van de wetenschap, die jammer genoeg nooit gehonoreerd werd met een Nobelprijs…

 

Periodiek%20systeem%20KU%20Leuven%202019.jpg
Copyright: KU Leuven, departement chemie

 

Het periodiek systeem vandaag en morgen

De tabel van Mendeljev is fantastisch in zijn opzet, maar niet perfect. In de anderhalve eeuw dat het model bestaat zijn er een boel nieuwe elementen ontdekt. Sinds de kwantummechanica in de eerste decennia van de twintigste eeuw zijn intrede heeft gedaan als een blik op de wereld van het kleine hebben wetenschappers een veel juistere kijk op de atomaire en subatomaire schaal en is ons begrip over hoe atomen precies in elkaar zitten zoveel accurater geworden.

Daarom zijn opvolgers voorgesteld voor de tabel van Mendeljev om beter deze of gene nieuwe benadering of verwantschap van elementen te kunnen voorstellen. Er bestaat een trapvormig systeem, een draaikolksysteem of ook een mozaïek waarin de elementen op een andere manier dan bij Mendeljev gerangschikt zijn, maar toch komt men elke keer opnieuw uit bij de klassieke tabel die voorlopig nog steeds de meest geschikte voorstellingswijze is van de systematische ordening der elementen.

Tot het eind van de achttiende eeuw waren er 34 elementen gekend (onder andere de voor de hand liggende elementen zoals zwavel, ijzer, koper, zink, lood, …).

De industriële revolutie die volgde op de wetenschappelijke revolutie en ook de verdere vooruitgang in de wetenschap zelf met onder andere de ontdekking van de spectroscopie had voor gevolg dat tegen het eind van de negentiende eeuw er 49 nieuwe elementen waren ontdekt. Dat maakte een totaal van 83 elementen.

Nadien is men nieuwe elementen blijven ontdekken en heeft men er ook kunstmatig aangemaakt in het laboratorium (de deeltjesversneller). Momenteel staat de teller op 118 elementen die dus alle een plaatsje bekleden in het periodiek systeem. Tot element 92 zijn het atomen die van nature voorkomen, de elementen met een hoger atoomnummer (= de maat voor het aantal protonen in de kern) zijn ofwel producten van natuurlijke radioactiviteit ofwel door mensen geproduceerde kunstmatige atomen.

Klik hier voor een overzicht van de evolutie van de ontdekking van de verschillende elementen.

Hoe zal het systeem verder evolueren? Volgens kernfysici ligt de grens op wat door de mens kan gemaakt worden op element 172 of 173. En dat is nog niet meteen voor morgen…  

Voor een interactieve voorstelling van het periodiek systeem: https://www.ptable.com/.

 

Het periodiek systeem en de wereld van de sterrenkunde

Waterstof 1, helium 2, lithium 3, beryllium 4, boor 5, koolstof 6 en zo kunnen we nog een eind doorgaan, maar wat is nu eigenlijk het belang van al die elementen voor de sterrenkunde?

Of misschien kunnen we de vraag beter omdraaien en ons afvragen wat sterrenkunde betekent voor de elementen van het periodiek systeem?

Als we ons afvragen waar alle elementen die we op Aarde tegenkomen vandaan komen, zullen we alleszins moeten teruggaan naar lang geleden, naar de periode van het ontstaan van het zonnestelsel en van onze planeet.

Zo’n 4,6 miljard jaar geleden begon een reusachtige interstellaire gas- en stofwolk onder zijn eigen gewicht samen te trekken tot een centrale ster, de Zon, met daarrond een afgeplatte materieschijf. Daarin zouden vervolgens de planeten en de kleinere objecten van het zonnestelsel ontstaan, waaronder de Aarde.

Maar eigenlijk moeten we nog verder terug in de tijd, want de elementen die we later zouden tegenkomen overal in het zonnestelsel waren al aanwezig in de originele gas- en stofwolk en moeten dus elders vandaan komen.

En dan komen we uiteindelijk terecht bij onderstaande tabel:

 

Origin%20elements.jpg
Copyright: Jennifer Johnson

 

Voor het ontstaan van de 92 ‘natuurlijke’ elementen, van waterstof 1 tot uranium 92, moeten we teruggaan tot de oerknal voor de elementen waterstof, helium en lithium, voor de elementen lithium, beryllium en boor is splijting ten gevolge van kosmische straling verantwoordelijk, en voor alle andere elementen zijn het processen in sterren die de aanmaak ervan mogelijk hebben gemaakt.   

De zogenaamde nucleosynthese (ontstaan van atoomkernen door fusie of splijting) is enkel mogelijk als de druk/temperatuur/energie zodanig extreem zijn dat de sterke afstotende kracht tussen protonen met een gelijke lading overwonnen kan worden.

Als we vervolgens kijken naar de samenstelling van het menselijk lichaam, blijkt het cliché dat wij sterrenstof zijn maar al te waar te zijn:

 

Samenstelling%20menselijk%20lichaam.jpg

 

Buiten de 10% waterstof is al waaruit ons lichaam is opgebouwd materie die enkel kan bestaan dankzij de nucleaire ovens die sterren zijn in hun inwendige en aan het eind van hun bestaan. Die zwaardere kernen zijn weggeblazen van bij de sterren en sterkernen en nadien terecht gekomen in reusachtige gas- en stofwolken.

 

Het periodiek systeem van de astronoom

Astronomen zijn zeer ijverige wetenschappers die onderzoek doen aan vaak enorm ver verwijderde objecten, en ver verwijderd geldt zowel in ruimte als in tijd. Het licht en de zwaartekrachtsgolven die vanuit alle richtingen op ons af komen is vaak heel moeilijk te vatten en soms nog moeilijker juist te interpreteren. En  bovendien blijkt 95% van de inhoud van het heelal te bestaan uit donkere materie en donkere energie, erg mysterieuze zaken allemaal. Geef toe, het werk van de astronoom is alles behalve simpel te noemen.

Wel een voordeel voor de astronoom is dat zijn periodiek systeem er een heel stuk simpeler uitziet dan dat van de scheikundige in het aardse laboratorium:

 

apt.jpg

 

Inderdaad, wat je hierboven ziet is het werkinstrument voor de astrofysicus. De grootte van het vierkantje per element toont aan hoeveel ervan voorkomt in het gekende heelal, de zogenaamde abundantie. Mochten we alle andere elementen van de klassieke tabel van Mendeljev die op de bovenstaande afbeelding ontbreken toch willen een plaatsje geven, zou het vierkantje slechts één klein puntje groot zijn, en dat dan voor alle andere elementen samen. Die bestaan dus wel degelijk in het heelal – anders zouden we ze niet kennen en zouden we niet eens bestaan, maar zijn relatief gesproken heel zeldzaam op de grote schaal van het heelal.

 

De cirkel is rond

Door de studie van het periodiek systeem en door de vooruitgang in de wetenschap met zicht op de structuur van atomen en een beter begrip van de ware natuur van het licht is het mogelijk geworden om via spectroscopie sterren heel gedetailleerd te bestuderen met onder andere de identificatie van de erin aanwezige elementen.

Dankzij de moderne astrofysica begrijpen we vrij gedetailleerd hoe sterren werken en hoe zij via stellaire nucleosynthese de elementen aanmaken die we overal in het heelal en tot in ons eigen lichaam aantreffen. En daarmee is de cirkel rond.

 

Spectroscopie op MIRA

Sterrenkijken is een fijne bezigheid, zeker met behulp van een telescoop valt er veel fraais aan de nachtelijke hemel te bewonderen.

Met behulp van een aantal optische hulpmiddelen is het bovendien mogelijk om uit het sterlicht veel extra informatie te halen, bv. dankzij een spectroscoop, een toestel dat het sterlicht uitsmeert tot een spectrum van rood tot violet licht.

 

Zonnespectrum.jpg
Shelyak spectroscoop en het zonnespectrum

 

Met onze nieuwe 50 cm kijker willen we graag studenten de mogelijkheid bieden om zelf een spectroscopisch project te realiseren op MIRA.

En we verwijzen in dit verband ook graag door naar de werkgroep aSPaLL, de astronomische SPectroscopie associatie der Lage Landen. Op hun website is een schat aan informatie te vinden i.v.m. spectroscopie.

9935_0.jpg

 

Een mooi voorbeeld, het spectrum van de ster Eta Tauri (Alcyone), zie je hieronder, met dank aan Hugo Van den Broeck.

 

Spectrum%20Eta%20Tauri.jpg

 

Tekst: Francis Meeus, 27 maart 2019

Bron: Science Alert 23-01-2017