Tại sao nguyên tố phổ biến nhất vũ trụ quá hiếm trên Trái Đất

[june04]

Hai nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ là hydro và heli chiếm tỷ lệ chưa đến 1% trên Trái Đất do nhiều nguyên nhân khác nhau.

Ở quy mô vũ trụ, hydro rất dồi dào chủ yếu do quá nhiều nguyên tố này được tạo ra trong vụ nổ Big Bang, theo IFL Science. Trong khoảnh khắc đầu tiên sau khi ra đời, vũ trụ là một đám hạt quark và gluon. Sau khi mọi thứ ổn định, phần lớn vật chất có thể quan sát bao gồm electron, proton, và neutron, cùng với một số hạt hạ nguyên tử xa lạ hơn. Electron và proton thường kết hợp với nhau hình thành hydro. Một lượng nhỏ heli và lượng lithium ít hơn cũng được tạo ra. Hầu hết lithium nguyên thủy bị phá hủy trong các ngôi sao, nhưng cũng chính những ngôi sao đó hợp nhất hydro để tạo ra heli và nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn vào cuối vòng đời.

Tuy nhiên, trên Trái Đất, tỷ lệ hydro và oxy trong đại dương là 2:1 (với natri, clo và nguyên tố tạo muối đến từ nguồn khác). Một phần bám vào đá hoặc phân tử carbon như methane trong khí quyển. Tuy nhiên, xét theo tỷ lệ nguyên tử trên hành tinh, không có nhiều hydro. Heli còn ít hơn nhiều, đến mức không ai chú ý tới nó cho tới khi phát hiện vạch quang phổ của nó trong một lần nhật thực.

Giống như mọi hành tinh, Trái Đất hình thành từ đĩa tiền hành tinh, cấu tạo từ hydro và heli từ vụ nổ Big Bang, cùng với một ít nguyên tố nặng hơn hợp nhất trong các ngôi sao đời đầu và trải khắp thiên hà trong vụ nổ siêu tân tinh và kilonova. Mặt Trời và những hành tinh khí khổng lồ trong hệ có thành phần cấu tạo phản ánh điều này, dù phần lớn hydro ban đầu của Mặt Trời ngày nay đã chuyển thành heli. Trái Đất cùng những hành tinh ở vành trong của hệ hoàn toàn khác biệt.

Ngoài dồi dào trong vũ trụ, hydro và heli giống nhau ở chỗ cả hai đều là khí rất nhẹ, có nghĩa chúng dễ dàng thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất. Hành tinh lớn hơn như sao Mộc giữ lại nhiều hydro và heli hơn do lực hấp dẫn quá lớn, ngược lại lực hấp dẫn của Trái Đất không đủ lớn. Hơn nữa, Trái Đất ở gần Mặt Trời hơn nhiều hành tinh khí khổng lồ. Các khí trở nên ấm hơn, có nhiều năng lượng hơn và tăng khả năng thất thoát.

Heli đặc biệt hiếm do đây là khí trơ. Nó hầu như không bao giờ kết hợp với bất kỳ nguyên tử nào khác có thể giữ chặt nó đủ để ngăn chặn thất thoát. Phần lớn nhà khoa học hành tinh cho rằng heli ban đầu từ đĩa hành tinh không còn tồn tại trên Trái Đất. Heli chúng ta có chủ yếu là kết quả từ sự phân rã phóng xạ của nguyên tố nặng hơn. Một dạng phổ biến của phân rã bao gồm sản sinh hạt alpha, gồm hai proton và hai neutron liên kết với nhau thành một hạt giống hệt hạt nhân nguyên tử heli-4. Sau khi giải phóng, hạt alpha có thể thu hút electron từ môi trường để tạo thành heli.

Nếu giải phóng gần mặt đất, nguyên tử heli nhiều khả năng bay lên khí quyển, sau đó là bay vào không gian. Tuy nhiên, heli sản sinh từ hoạt động phóng xạ sâu trong lòng đất có thể bị mắc kẹt bên trong hang hốc.

Dù thường gắn liền với bóng bay, heli có nhiều ứng dụng quan trọng hơn như làm mát thiết bị khoa học và máy cộng hưởng từ tới nhiệt độ quá lạnh để dùng các chất thay thế như nitrogen lỏng. Nguồn dự trữ phụ thuộc vào khoan những khu vực mà heli tích tụ trong hàng triệu năm. Hầu hết trữ lượng heli được thu thập như phụ phẩm khi khoan methane.

Hydro trên Trái Đất dồi dào hơn so với heli do nó sẵn sàng liên kết với nguyên tố như oxy. Một phân tử hơi nước nặng gấp 9 lần phân tử H2, khiến hydro ít có khả năng thất thoát hơn. Tuy nhiên, đa số hydro trong vi thể hành tinh kết hợp để tạo nên Trái Đất đã biến mất từ rất lâu trước đây, đặc biệt khi những vụ va chạm biến bề mặt hành tinh thành biển magma.