Από πού στο Σύμπαν προέρχεται το… σκάνδιο;

Το σκάνδιο δεν είναι ένα στοιχείο για το οποίο ακούει κανείς συχνά. Ονομασμένο από τη Σκανδιναβία όπου ανακαλύφθηκε, είναι μία από τις λεγόμενες “σπάνιες γαίες”, και έχει εφαρμογές κυρίως σε αεροναυπηγικά κράματα αλουμινίου. Κατά παρόμοιο τρόπο με το φθόριο, παρά τη σχετικά πρώιμή του θέση στον περιοδικό πίνακα (Εικόνα 1) έχει χαμηλή αφθονία ατόμων στο Ηλιακό μας Σύστημα συγκριτικά με παραπλήσια στοιχεία (Εικόνα 2). Και ο τρόπος δημιουργίας του είναι πολύ διαφορετικός από εκείνα.

Για προηγούμενα στοιχεία έχουμε αναφερθεί στην πρόσληψη ενός νετρονίου, που οδηγεί σε αλλαγή ατομικού αριθμού μέσω της μετέπειτα διάσπασής του σε πρωτόνιο. Εκεί αυτό γινόταν με την ‘αργή’ διαδικασία της νουκλεοσύνθεσης¹, με χρονική κλίμακα δεκάδων έως χιλιάδων ετών. Αυτό όμως δεν μπορεί να γίνει για τη νουκλεοσύνθεση του σκανδίου. Το κατάλληλο ισότοπο ασβεστίου (το αμέσως προηγούμενο στοιχείο σε ατομικό αριθμό) δεν είναι σταθερό και δεν είναι εύκολα διαθέσιμο σαν στόχος. Πρέπει να συντεθεί με πρόσληψη ενός νετρονίου από ένα πιο σταθερό ισότοπο, που όμως είναι σχετικά σπάνιο και πρέπει και εκείνο να έχει συντεθεί με άλλη πρόσληψη νετρονίου, κ.ο.κ. Όλα αυτά απαιτούν χρόνο που δεν είναι εύκολα διαθέσιμος στις απαραίτητες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Η Εικόνα 3 δείχνει αυτό το πρόβλημα, με πολλά σταθερά ισότοπα, ή ισότοπα μεγάλων χρόνων ημιζωής, στο δρόμο από το γενικά άφθονο πυρίτιο μέχρι το σκάνδιο.  

Τη λύση δίνει η ‘γρήγορη’ διαδικασία νουκλεοσύνθεσης. Κατά αυτήν, όταν συντρέχουν οι κατάλληλες συνθήκες αφθονίας νετρονίων, ένας πυρήνας πυριτίου βομβαρδίζεται με νετρόνια πολύ γρήγορα, και προσλαμβάνει 17 από αυτά προτού να έχει χρόνο να μετατραπεί σε άλλο στοιχείο. Έπειτα, επτά από αυτά τα νετρόνια πολύ γρήγορα διασπώνται σε πρωτόνια (εκπέμποντας ηλεκτρόνια) και αυτός μετατρέπεται σε πυρήνα σκανδίου. Στην Εικόνα 3 η πορεία των πυρήνων είναι όλο δεξιά από το πυρίτιο στο κάτω αριστερό άκρο και μετά όλο πάνω μέχρι το σκάνδιο-45 (δηλαδή με μαζικό αριθμό 45).

Για το σκάνδιο αυτό γίνεται σε υπερκαινοφανείς τύπου Ιa. Η ‘γρήγορη’ διαδικασία επικρατεί κυρίως στη δημιουργία πυρήνων μεγαλύτερου ατομικού αριθμού (από 31 και πάνω), αλλά ελλείψει κάποιας απλούστερης μεθόδου για παραγωγή σκανδίου, και δεδομένης της εφαρμοσιμότητάς της στο πυρίτιο, μας δίνει αυτό το, σπάνιο για τον ατομικό αριθμό του, στοιχείο.

Εναλλακτικά, το σκάνδιο-45 μπορεί να προκύπτει και έμμεσα από τη διαδικασία άλφα, σε υπερκαινοφανείς τύπου II: ένας πυρήνας ασβεστίου-40 προσλαμβάνει έναν πυρήνα ηλίου και μετατρέπεται σε τιτάνιο-44. Αυτό κανονικά διασπάται σε σκάνδιο-44, που είναι ραδιενεργό, αλλά αν το τιτάνιο προλάβει να προσλάβει ένα επιπλέον πρωτόνιο θα διασπαστεί σε σκάνδιο-45, που είναι σταθερό. Το ποιός από τους δύο μηχανισμούς επικρατεί  είναι, μέχρι στιγμής, ανεξακρίβωτο. Σε μικρότερες ποσότητες, κάποιο σκάνδιο παράγεται και κατά τον θρυμματισμό πυρήνων σιδήρου, που περιφέρονται στο διάστημα, κατά τις συγκρούσεις τους με πρωτόνια. Αυτοί τότε διασπώνται σε πυρήνες σκανδίου και ασβεστίου. Σε κάθε περίπτωση, η πολυπλοκότητα των μηχανισμών σχηματισμού του δικαιολογεί τη χαμηλή του αφθονία – χαμηλότερη και από το φθόριο.  

1. Νουκλεοσύνθεση ονομάζεται η διαδικασία σύνθεσης νέων ατομικών πυρήνων από υπάρχοντες (από τα συνθετικά nucleus, δηλαδή πυρήνας στα Λατινικά, και σύνθεση). ↩︎