Er zijn momenteel 118 verschillende elementen bekend. Hiervan kunnen er maar 98 natuurlijk voorkomen. De rest van de elementen wordt alleen gevonden en gevormd op speciale plekken als nucleaire reactoren. Maar welk van de 118 natuurlijke elementen is het meest voorkomende element in het heelal?

Met 72% van al het zichtbare materie is waterstof het meest voorkomende element in het heelal. Op de tweede plaats staat helium met ongeveer 26%. Alle andere elementen behoren tot de overige 2%. Al deze andere elementen worden door astronomen ook wel metalen genoemd, wat scheikundig niet juist is.

Waarom bestaat het heelal bijna alleen maar uit waterstof en helium? Lees verder om daar achter te komen.

Waarom is waterstof niet het meest voorkomende element op de Aarde?

Het heelal kan dan wel voor 98% uit waterstof en helium bestaan, maar daar is op de Aarde maar weinig van te merken. Onze atmosfeer bestaat voornamelijk uit stikstof en zuurstof, maar niet uit waterstof en helium.

Dit heeft alles te maken met het feit dat waterstof en helium de twee lichtste elementen zijn. Een licht object is makkelijker in beweging te brengen dan een zwaar object. Neem als voorbeeld een pingpongbal en een stootkogel. Je kan een pingpongballetje heel makkelijk weggooien omdat deze zo licht is. Als je met dezelfde kracht een stootkogel gooit, komt deze veel minder ver. Dit komt doordat de stootkogel vele malen zwaarder is. In de natuurkunde heet dit principe het behoud van impuls.

Hetzelfde principe geldt ook voor elementen. Omdat waterstof en helium de lichtste elementen zijn, zijn deze makkelijk in beweging te krijgen dan de andere elementen. Om te verklaren waarom waterstof niet het meest voorkomende element op de Aarde is, hebben we nog een tweede begrip nodig: de ontsnappingssnelheid.

Wat is de ontsnappingssnelheid?

De ontsnappingssnelheid geeft aan hoe snel een willekeurig object moet gaan om aan een zwaar object, zoals een planeet, te ontsnappen. De Aarde heeft een ontsnappingssnelheid van ongeveer 11,2 km/s. Dit betekent dat als je vanaf het oppervlak van de Aarde met een snelheid van 11,2 km/s omhoog zou springen, je nooit meer terug zou keren. De zwaartekracht waarmee de Aarde aan je trekt is dan niet meer sterk genoeg om je terug te halen. De rest van je leven breng door in de oneindigheid die het heelal is.

Dit principe werkt ook voor elementen. Als een element een snelheid van 11,2 km/s bereikt, keert het nooit meer terug naar de Aarde. Hierbij moet je rekening houden dat het veel makkelijker is om een licht object heel snel te laten gaan dan een zwaar object. Dus een licht element is makkelijker op een snelheid van 11,2 km/s te brengen dan een zwaar element.

De ontsnappingssnelheid van de Aarde is best groot. De meeste deeltjes zullen nooit deze snelheid bereiken en zijn dus gevangen op de Aarde. Sommige deeltjes krijgen echter net genoeg energie, bijvoorbeeld van zonnestralen, om deze snelheid wel te halen. Dit zijn voornamelijk waterstof en helium deeltjes omdat deze het makkelijkst op hoge snelheid te brengen zijn. Op dit moment kunnen zij de Aarde verlaten en nooit meer terugkeren. Op deze manier verliest de Aarde jaarlijks ruim 95.000 ton waterstof.

De reden dat waterstof op de Aarde niet het meest voorkomende element is, is dus omdat deze stof enorm licht is en hierdoor makkelijk een reusachtige snelheid kan krijgen om de Aarde te verlaten.

Waarom zijn waterstof en helium de meest voorkomende elementen in het heelal?

Na de big bang bestond het heelal alleen maar uit protonen, neutronen en elektronen. Op zichzelf zijn dit nog geen elementen. Het eerste element waterstof bestaat uit 1 proton en 1 elektron. Een proton is positief geladen en een elektron is negatief geladen. Deze twee deeltjes trekken elkaar hierdoor aan. Door het ladingsverschil kan het snel gebeuren dat een elektron om een proton heen gaat draaien.

Op dit moment heb je een waterstof atoom. Waterstof werd in het begin van het universum op deze manier enorm veel gemaakt. Het was gewoonweg de simpelste reactie. Het enige wat nodig was om een waterstof atoom te vormen was een proton en een elektron die elkaar tegenkomen.

Helium is het volgende makkelijkst te maken element. Helium bestaat uit twee protonen, twee neutronen en een elektron. Via een proton-protoncyclus (pp-chain) kan makkelijk helium worden gevormd. Deze cyclus is gebaseerd op de aanwezigheid van waterstof. Dit was er in het begin van het universum in overvloed aanwezig. Helium was dus door waterstof heel makkelijk te maken.

Momenteel is het meeste waterstof en helium te vinden in gaswolken die in de ruimte hangen. Dit zijn enorme wolken gas van meerdere lichtjaren groot waar zich veel gas bevindt. Op deze plekken kunnen in de toekomst nieuwe sterren ontstaan.

Afbeelding van hoe de pp-chain in zijn werk gaat. Bron: Wikipedia

Waarom bestaat het heelal zo weinig uit metalen?

Omdat waterstof en helium 98% van al het zichtbare materie uitmaken, noemen astronomen alle andere elementen metalen. De metalen zijn veel minder aanwezig omdat deze alleen te maken zijn door middel van kernfusie. Dit gebeurt in sterren zoals de Zon. In sterren worden waterstof en helium omgezet in lithium. Dit wordt weer omgezet tot het volgende element. Dit gaat door tot het element ijzer.

IJzer is het laatste element dat gebruik makend van kernfusie kan ontstaan. Tot aan ijzer levert kernfusie energie op. Vanaf ijzer kost het juist energie om kernen te fuseren. Daarom stopt het kernfusie proces bij ijzer. Toch zien er ook genoeg elementen die zwaarder zijn dan ijzer.

Deze elementen zijn afkomstig van bijvoorbeeld supernova´s. Dit zijn evenementen waarbij een ster letterlijk ontploft. Hierbij komt een enorme hoeveelheid energie vrij. Deeltjes in de explosie worden hierdoor geforceerd te fuseren tot zwaardere elementen. Zo kunnen er toch nog elementen ontstaan die zwaarder zijn dan ijzer. Wij zijn dus letterlijk gemaakt van sterrenstof.

Is er nog meer materie?

Naast het zichtbare materie is er ook nog donkere materie. Het heelal bestaat zelfs maar uit ongeveer 5% uit zichtbare materie. Dus alles wat wij weten en zien is maar 5% van het hele universum. 72% van het heelal bestaat uit donkere energie. Deze donkere energie zorgt voor de uitzetting van het heelal. De overige 23% wordt uitgemaakt door donkere materie.

Wat donkere materie is, is niet bekend. Wel weten we zeker dat het bestaat. Wanneer astronomen naar de snelheid van sterren kijken waarmee die om het centrum van de Melkweg heen draaien zien ze iets geks. Op een bepaalde afstand draaien sterren met eenzelfde snelheid om het midden van de Melkweg. Ongeacht hun afstand. Normaal gesproken moeten sterren langzamer draaien naarmate ze verder weg staan van het centrum.

Dit is ook te zien in ons zonnestelsel. Zo draait de Aarde met een hogere snelheid om de Zon dan bijvoorbeeld Saturnus. Dit komt doordat Saturnus verder weg van de Zon staat. De Zon trekt minder hard aan Saturnus dan aan de Aarde.

Deze verwachtte uitkomst geldt dus niet voor de Melkweg. Om dit probleem op te lossen hebben astronomen donkere materie in het leven geroepen. Om de sterren toch zo snel om de Melkweg heen te laten draaien, is er extra materie nodig. Deze materie kunnen we echter niet zien. Dus donkere materie.

Omdat er veel meer donkere materie is, is het maar de vraag of waterstof inderdaad het meest voorkomende element in het heelal is.

Wil je meer weten over donkere materie? Bekijk dan wellicht het volgende artikel:

Wat is donkere materie en waaruit bestaat het?

Conclusie

Waterstof is met helium het meest voorkomende element in het heelal omdat deze na de big bang het makkelijkst gevormd kon worden. Tegenwoordig zorgen deze elementen voor kernfusie in de kern van sterren. Deze kernfusie stopt bij ijzer omdat fusie na ijzer juist energie kost in plaats van dat het oplevert. Het overgrote deel van waterstof en helium hangt nog ergens in de ruimte rond in zogenoemde gaswolken.