બ્રહ્માંડમાં (રાસાયણિક) તત્વો

બ્રહ્માંડમાં (રાસાયણિક) તત્વો –  ઉદગમ (origin અને વિપુલતા (abundance) : બ્રહ્માંડના વિવિધ પિંડો(bodies)માં વિવિધ રાસાયણિક તત્વોનું અસ્તિત્વ અને તેમની વિપુલતા. આને વૈશ્વિક રસાયણ(cosmochemistry)ના એક ભાગ તરીકે ઓળખાવી શકાય. વિશ્વરસાયણમાં રાસાયણિક તત્વો, તેમનાં સંયોજનો અને ખનિજોની વિપુલતા, વૈશ્ર્વિક પિંડોની રચનામાં કારણભૂત રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ, વિકિરણધર્મી રૂપાંતરો અને નાભિકીય પ્રક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે.

વિશ્વની ઉત્પત્તિ અંગેનો હાલ સૌથી વધુ સુગ્રાહ્ય સિદ્ધાંત એવો છે કે વિશ્વમાંનું સઘળું દ્રવ્ય એક સમયે અત્યંત ઊંચી ઘનતા (~ 10⁹⁶ ગ્રા. ઘસેમી^–3) અને ઘણું ઊંચું તાપમાન (~10³² K) ધરાવતા આદ્ય નાભિકમાં સમાયેલું હતું. કોઈક કારણસર આદ્ય અગ્નિગોળા જેવું આ નાભિક આશરે 1–2 x 10¹⁰ વર્ષ પહેલાં વિસ્ફોટ પામ્યું અને તેમાંથી વિકિરણ અને દ્રવ્ય અવકાશમાં એકસરખી રીતે ચોમેર ફેલાયાં. આ મહાવિસ્ફોટ(big bang)ના પ્લાંક સમય t_p (= 1.33 x 10⁴³ સેકન્ડ) તરીકે ઓળખાતા શરૂઆતના અત્યંત ટૂંકા સમયગાળા દરમિયાન શી પરિસ્થિતિ પ્રવર્તતી હશે તે અંગે વૈજ્ઞાનિક રીતે કશું કહેવું શક્ય નથી. આ સમયે ચાર મુખ્ય બળો – ગુરુત્વ અને વીજચુંબકત્વ તથા નબળાં અને પ્રબળ નાભિકીય બળો – અવિભેદિત (undifferentiated) હતાં. મહાવિસ્ફોટની 10⁴³ સેકન્ડ પછી (તાપમાન = 10³¹ K) ગુરુત્વ એક સ્પષ્ટ બળ તરીકે અલગ પડ્યું. 10^–35 સેકન્ડ બાદ (T = 10²⁸ K) પ્રબળ નાભિકીય બળ અલગ પડ્યું. મહાવિસ્ફોટની 10^–10 સેકન્ડ બાદ તાપમાન 10¹⁵ K સુધી નીચું આવ્યું અને તેને કારણે વીજચુંબકીય બળ અને નિર્બળ નાભિકીય બળ અલગ પડ્યાં. આમ વિસ્તરણને લીધે બ્રહ્માંડ ઠંડું પડ્યું અને તેને કારણે ચાર મુખ્ય પ્રકારનાં બળો ક્રમશ: વિભેદિત થતાં અને વિભિન્ન પ્રકારના કણોની રચના શક્ય બની. 6 x 10^–6 સેકન્ડ વીત્યે (T = 1.4 x 10¹² K) ક્વાર્કમાંથી પ્રૉટોન અને ન્યૂટ્રૉન ઉદભવ્યાં અને ઇલેક્ટ્રૉન સ્થાયી થયા. મહાવિસ્ફોટની એક સેકન્ડ પછી વીજચુંબકીય ફોટૉનની રચના કરતાં કણ-પ્રતિકણ વિલયન(annihilation)ના સમયગાળા બાદ બ્રહ્માંડ પ્રોટૉન, ન્યૂટ્રૉન અને ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવતું થયું.

આ પછીના થોડાક સમય પછી પ્રબળ નાભિકીય બળોની અસરને કારણે પ્રૉટોન અને ન્યૂટ્રૉન કણો જોડાઇને મોટી સંખ્યામાં ડ્યૂટેરિયન નાભિકો (p + n), અને પછી હીલિયમ નાભિકો (2p + 2n) રચાયાં. વૈશ્વિક ઇતિહાસના આ ટૂંકા ગાળા(મહાવિસ્ફોટ પછીની 10–500 સેકન્ડો)માં સમગ્ર બ્રહ્માંડ હાઇડ્રોજનને હીલિયમમાં ફેરવતી એક વિરાટ (colossal) સંગલન (fusion) ભઠ્ઠી(reactor)ની માફક વર્ત્યું હોવાનું માનવામાં આવે છે. તે પછી બ્રહ્માંડનું વિસ્તરણ એટલું થઈ ચૂક્યું હતું કે સંગલન પ્રકારની પ્રક્રિયાઓ શક્ય ન હતી. આમ લગભગ આઠ મિનિટ બાદ બ્રહ્માંડ હાઇડ્રોજન (દળથી 75 %) અને હીલિયમ ધરાવતું થયું હતું. તે જ સમયગાળામાં અલ્પ (minute) પ્રમાણમાં (10^–3 %) ડ્યૂટેરૉન અને લગભગ 10^–6 % લિથિયમ નાભિકો ઉદભવ્યાં હતાં. લાખો વર્ષો પછી ક્રમિક સંઘનનને કારણે તે તારાવિશ્વો(galaxies)માં, તારકવૃંદો(star clusters)માં અને તે પછી તારાઓમાં સંઘનન પામ્યું. પ્રથમ પેઢીના તારાઓમાં હાઇડ્રોજન દહન પામી ભારે નાભિકો બનવા સાથે ઊર્જા મુક્ત કરે છે. આવો તારો અધિનવ તારા(supernova)માં વિસ્ફોટ પામે છે ત્યારે પણ મળતો ભારેમાં ભારે સમસ્થાનિક લોખંડ(56Fe)નો હોય છે. પ્રથમ પેઢીના તારાના વિસ્ફોટથી નીપજતા વાયુઓ ઘણાં હલકાં તત્વો ધરાવતા હોય છે. જ્યારે આ વાયુઓ સંઘનન પામી દ્વિતીય પેઢીના તારા બનાવે ત્યારે ઘણી નાભિકીય પ્રક્રિયાઓ સંભવી શકે છે. આમાંની કેટલીક પ્રક્રિયાઓ ન્યૂટ્રૉન ઉત્સર્જિત કરે છે જેમનું અન્ય નાભિકો દ્વારા પ્રગ્રહણ થતાં ભારે નાભિકો બને છે. આ નાભિકો β-ઉત્સર્જન દ્વારા ક્ષય પામે ત્યારે વધુ ઊંચા પરમાણુક્રમાંકવાળાં, દા.ત., , તત્વો બને છે. પરિણામે બ્રહ્માંડ 56Feથી વધુ ભારે તત્વો પણ થોડા પ્રમાણમાં ધરાવે છે; દા.ત., સૂર્યના વર્ણપટમાં 68 તત્વોની રેખાઓ પારખી શકાઈ છે.

આમ તારાઓના વિવિધ પ્રકાર અને તત્વોની વિપુલતા માટે જે નાભિકીય પ્રક્રિયાઓ સૂચવવામાં આવી છે તેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે.

(i) તારાઓના અંતર્ભાગમાં થતી હાઇડ્રોજનદહન, હીલિયમદહન, કાર્બનદહન, a-પ્રક્રમ, અને સમતોલન (equilibrium) પ્રક્રમ અથવા e-પ્રક્રમ જેવી ઉષ્માક્ષેપક પ્રક્રિયાઓ.

(ii) ધીમા (slow) ન્યૂટ્રૉનનું પ્રગ્રહણ (capture) (s–પ્રક્રમ) અને ઝડપી ન્યૂટ્રૉનનું પ્રગ્રહણ (r-પ્રક્રમ)

(iii) તારાઓમાં થતી પ્રોટૉન-પ્રગ્રહણ (p-પ્રક્રમ) અને સમુત્ખંડન (spallation)ની વિધિઓ અને x-પ્રક્રમો [આંતરતારાકીય (interstellar) વિભાગોમાં મંદાકિનીય (galactic) કૉસ્મિક કિરણો દ્વારા સમુત્ખંડન].

વિશ્વની ર્દશ્યમાન સંરચના તારાવિશ્વોની બનેલી છે, જેમાં આપણા તારાવિશ્વ તેમજ પરાગાંગેય (extragalactic) પ્રણાલીઓનો પણ સમાવેશ થાય છે. આ તારાવિશ્વો દ્વારા સમર્પિત દ્રવ્યની સરેરાશ ઘનતા 10^–31થી 10^–30 ગ્રા./ઘ. સેમી છે, જે અનુક્રમે 17 અને 1.7 ઘન મીટરદીઠ એક હાઇડ્રોજન પરમાણુને સમતુલ્ય છે. આપણા તારાવિશ્વનાં અવલોકનોને આધારે આ દ્રવ્યનું રાસાયણિક સંઘટન લગભગ 75 % હાઇડ્રોજન, 24 % હીલિયમ અને 1 % અન્ય તત્વો જેટલું માલૂમ પડ્યું છે.

વિવિધ પિંડોમાં તત્વોના પરમાણુઓની સાપેક્ષ સંખ્યાને તત્વોની વિપુલતા (abundance) તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે. આ વિપુલતા એક સંદર્ભતત્વના પરમાણુઓની સાપેક્ષતામાં જે તે તત્વના કેટલા પરમાણુઓ છે તે સંખ્યા છે. પૃથ્વી અને ઉલ્કાપિંડો(ખરતા તારાઓના અવશેષો)ના સંઘટન માટે સિલિકન(Si)ને સંદર્ભતત્વ તરીકે ગણવામાં આવે છે અને તત્વની વિપુલતાને સિલિકનના 10⁶ પરમાણુદીઠ તત્વના

કેટલા પરમાણુ હાજર છે તે આંકડા વડે દર્શાવાય છે (વિશ્વરાસાયણિક સામાન્યીકરણ – (cosmochemical normalization). સૂર્ય અને તારાઓના સંઘટન માટેનાં ખગોલીય માપનોમાં આવાં પરિણામો હાઇડ્રોજનના 10¹⁰ પરમાણુદીઠ તત્વના પરમાણુની સંખ્યા વડે દર્શાવાય છે (ખગોલીય સામાન્યીકરણ – astronomical normalization).

બ્રહ્માંડમાંના બધા પદાર્થોનું રાસાયણિક સંઘટન એકસરખું નથી, પરંતુ અનેક પદાર્થોનાં સંઘટન એકસરખાં માલૂમ પડતાં હોવાથી તત્વોની વિપુલતાનું કોષ્ટક બનાવી શકાય છે. 1889માં યુ.એસ. જિયૉલૉજિકલ સર્વેના રસાયણવિદો ફ્રેન્ક ક્લાર્ક અને એચ. એસ. વૉશિંગ્ટને સૌપ્રથમ તત્વોના ભૂરાસાયણિક (geochemical) વિતરણ અંગેનો અહેવાલ રજૂ કર્યો. વર્ણપટના વિશ્લેષણ દ્વારા તારાઓ અને સૂર્યમાં તત્વોની વિપુલતા અંગેના સૌપ્રથમ આંકડા 1925માં પાયને-ગેપોશ્કિન દ્વારા અને 1928માં એચ. એન. રસેલ દ્વારા મેળવવામાં આવેલા. આમાં પ્રમાણમાં ઓછા તારાઓનું અવલોકન કરવામાં આવેલું અને આંકડા પણ સંપૂર્ણ ન હતા. ત્યારબાદ નૉર્વેજિયન ભૂરસાયણવિદ વિક્ટર મૉરિઝ ગોલ્ડશ્મિડ્ટે 1930ના દાયકામાં ભૌમિક પદાર્થોમાં અને બ્રહ્માંડમાં તત્વોની વિપુલતા અંગેના આંકડા તૈયાર કર્યા, જે મુખ્યત્વે તારાઓ અને સૂર્યમાલા(solar system)ને સમાવતા તારાવિશ્વ કે જેનો કેટલોક ભાગ આકાશગંગા (milky way) તરીકે નરી આંખે જોઈ શકાય છે તેના, વાયુ-વાદળોના, પૃથ્વીના, ચંદ્રના અને ઉલ્કાપિંડોના રાસાયણિક સંઘટનનાં તથા કૉસ્મિક કિરણોનાં અવલોકનો પરથી મેળવવામાં આવ્યા છે. તત્વોની વિપુલતા અંગેનું અમેરિકન વૈજ્ઞાનિકો હાન્સ સ્યુઝ અને હૅરોલ્ડ યુરેનું (1956) કોષ્ટક જાણીતું છે. તેમના આંકડા આકૃતિ 1માં દર્શાવ્યા છે.

સારણી 1માં દર 10 લાખ પરમાણુએ વિવિધ તત્વોનું પ્રમાણ કેટલું છે તે દર્શાવેલ છે.

સારણી 1 : સામાન્ય તત્વોની વિપુલતા (પરમાણુ–પ્રતિ દસ લાખ પરમાણુ દીઠ)

તત્ત્વ	વિશ્વ	સૌર વાયુમંડલ	પૃથ્વીનો અંતર્ભાગ	ભૂકવચ	જલાવરણ	જીવમંડળ	શુષ્ક વાતાવરણ
1	2	3	4	5	6	7	8
H	927,00	864,000	29,000	603,000	573,000	4	H
He	72,000	135,000	–	–	–	–	3
Li	0.0002	–	–	59	–	–	–
Be	0.0005	–	–	6	–	–	–
B	0.0006	–	–	19	33	–	–
C	81	385	–	350	190	62,600	150
N	153	81	–	30	3	39,000	784,000
O	500	783	–	605,500	307,000	322,000	210,000
F	0.04	–	–	700	4	—
Ne	200	–	–	–	–	–	9
Na	1	2	–	25,500	38,000	–	–
Mg	21	21	–	18,000	4,310	220	–
Al	2	1	–	62,600	–	6	–
Si	23	27	–	205,000	8	22	–
P	0.2	–	–	700	0.2	1,500	–
S	9	17	–	170	2,200	200	–
Cl	0.2	–	–	77	44,300	130	–
Ar	3	–	–	–	0.5	–	4,700
K	0.07	0.04		13,800	800	260	–
Ca	1	1		18,900	830	900	–
Sc	0.0006	–	–	10	–	–	–
Ti	0.06	0.04	–	1,900	–	–	–
V	–	–	–	55	–	–	–
Cr	0.18	0.1	–	40	–	–	–
Mn	0.16	0.1	–	360	–	–	–
Fe	14	3	908,000	18,630	0.02	3	–
Co	0.04	0.04	5,000	9	–	–	–
Ni	0.62	0.7	87,000	27	–	–	–
Cu	0.005	0.09	–	18	0.004	–	–
Zn	0.01	0.02	–	22	0.02	–	–
As	0.0001	–	–	0.5	0.003	–	–
Se	0.002	–	–	0.01		–	–
Br	0.0003	–	–	0.6	67	–	–
Kr	0.0003	–	–	–	–	–	0.5
Mo		–	–	0.3	0.009	–	–
Ag	–	–	–	0.01	0.00003	–	–
I	–	–	–	0.08	0.04	–	–
Xe	–	–	–	–	–	–	0.04
Ba	–	–	–	64	0.02	–	–
Pt	–	–	–	0.001	–	–	–
Au	–	–	–	0.0004	–	–	–
Hg	–	–	–	0.008	0.00001	–	–
Pb	–	–	–	1.3	–	–	–
Th	–	–	–	0.6	–	–	–
U	–	–	–	0.16	0.001	–	–

સારણી-2માં સૂર્યમાં વિવિધ તત્વોની વિપુલતા સિલિકનની સાપેક્ષતામાં (N(Si) = 10⁶) દર્શાવી છે.

સારણી 2 : સૂર્યમાં તત્વોની વિપુલતા

પરમાણુક્રમાંક	તત્વ	વિપુલતા
1	2	3
1	H	2.5 x 1010
2	He	2.0 x 109
3	Li	0.25
4	Be	0.35
5	B	5.0
6	C	7.9 x 106
7	N	2.1 x 106
8	O	1.7 x 107
9	F	1 x 103
10	Ne	2.5 x 106
11	Na	5.2 x 104
12	Mg	9.3 x 105
13	Al	6.3 x 104
14	Si	1.0 x 105
15	P	6.8 x 103
16	S	3.9 x 105
17	Cl	8 x 103
18	Ar	1 x 105
19	K	3.2  103
20	Ca	5.7  104
21	Sc	28
22	Ti	1.6 x 103
23	V	2.6 x 102
24	Cr	1.4 x 104
25	Mn	6.3 x 103
26	Fe	8.3 x 105
27	Co	2.3 x 103
28	Ni	4.7 x 104
29	Cu	3.6 x 102
30	Zn	6.6 x 102
31	Ga	16
32	Ge	65
33	As
34	Se
35	Br
36	Kr
37	Rb	11
38	Sr	17
39	Y	2.5
40	Zr	1.4
41	Nb	2.5
42	Mo	4
43	Tc
44	Ru	2
45	Rh	0.8
46	Pd	0.8
47	Ag	0.18
48	Cd	1.78
49	In	1.12
50	Sn	2.51
51	Sb	0.4
52	Te
53	I
54	Xe
55	Cs
56	Ba	3.2
57	La	0.34
58	Ce	0.90
59	Pr	0.24
60	Nd	0.45
61	Pm
62	Sm	0.14
63	Eu	0.13
64	Gd	0.32
65	Tb
66	Dy	0.39
67	Ho
68	Er	0.16
69	Tm	0.035
70	Yb	0.16
71	Lu	0.16
72	Hf	0.20
73	Ta
74	W	0.16
75	Re
76	Os	0.16
77	Ir	4.0
78	Pt	1.6
79	Au	0.14
80	Hg
81	Tl	0.2
82	Pb	2.0
83	Bi
90	Th	0.040
92	U

આકૃતિ – 1 ઉપરથી એ સ્પષ્ટ થાય છે કે અન્ય તત્વોની સરખામણીમાં હાઇડ્રોજન અને હીલિયમ સૌથી વધુ વિપુલ પ્રમાણમાં છે. જેમ જેમ પરમાણુક્રમાંક વધતો જાય છે તેમ તેમ આલેખ નીચો જતો માલૂમ પડે છે. તેમાંનાં કેટલાંક ગૌણ શૃંગો 50,82 અથવા 126 ન્યુટ્રૉન ધરાવતા નાભિકો સાથે સંકળાયેલાં છે. નાભિકીય સંરચનાનો સિદ્ધાંત આવાં નાભિકો, ‘જાદુઈ અંકો’ (magic numbers) ધરાવતાં નાભિકો, સ્થાયી હોવાનું સૂચવે છે.

સામાન્ય રીતે સરેરાશ તારાનું વજનથી સંઘટન 70 % હાઇડ્રોજન, 28 % હીલિયમ, 1.5 % કાર્બન, નાઇટ્રોજન, ઑક્સિજન અને નિયૉન, અને 0.5% આયર્ન અને અન્ય ભારે ધાતુઓ – એ પ્રમાણે હોય છે.

આશરે 4.7 x 10⁹ વર્ષો પહેલાં આકાશગંગાના સર્પિલ-બાહુ(spiral arm)માં એક વાયુધૂર્જટિ(gas dust)નું વાદળનો ગુરુત્વાકર્ષણીય રીતે નિપાત (collapse) થતાં સૌર નિહારિકા (solar nebula) ઉદભવી. આ નિહારિકાના મધ્યમાં પ્રવેગિત સંકોચનને લીધે વધુ પ્રકાશિત સૂર્ય ઉત્પન્ન થયો, જ્યારે બહારના ભાગો એક ચકતીમાં ફેરવાયા. સૂર્ય બન્યો એટલે સૂર્યપ્રણાલીના આમાપ(size)ના ચકતી-આકારના પરિભ્રમિત દ્રવ્ય દ્વારા ઘણા પ્રક્ષોભ (turbulences) ઉત્પન્ન થયા. આને કારણે ક્વચિત્ ભારે તત્વોનાં નાનાં દળ અભિવૃદ્ધિ (accretion)પામ્યાં અને છેવટે હાઇડ્રોજન અને હીલિયમના વાતાવરણ વડે ઘેરાયેલા આદિગ્રહો(protoplanets)માં પરિણમ્યાં. આમાંનો મધ્યવર્તી સૂર્ય જ્યારે તેમાંની નાભિકીય પ્રક્રિયાઓને કારણે ઊર્જા વિકિરિત કરતો થયો ત્યારે અંદરના ગ્રહોમાંથી હાઇડ્રોજન અને હીલિયમ દૂર ફેંકાઈ ગયા.

ધીરે ધીરે પૃથ્વી આયર્નનિકલ અંતર્ભાગ (crore), સિલિકેટ પ્રાવરણ (mantle), અને સિલિકેટ ભૂપૃષ્ઠ (crust) રૂપે વિકસી. પાછળથી વાતાવરણ અને જલાવરણ પણ વિકસ્યાં. આ દરેક વિસ્તારમાં તત્વોની વિપુલતા ભિન્ન ભિન્ન હોય છે; દા. ત., વાતાવરણમાં અને જલાવરણમાં તથા પૃથ્વીની સપાટી પર તત્વોની સાપેક્ષ વિપુલતા – એ ભૂસ્તરશાસ્ત્રીય અને જૈવિક પ્રવિધિઓના સંયોગ(combination)નું પરિણામ છે. સજીવ પદાર્થોમાં તત્વોની વિપુલતા એ પૃથ્વીના પોપડામાંની તેમની વિપુલતા અને જૈવિક વિધિઓમાં તેમની ઉપયોગિતાને પ્રતિબિંબિત કરે છે.

જ. દા. તલાટી