Rätsel Atom(kern)

[Stephen]

http://www.br.de/mediathek/video/sendun ... _x100.html

[Hardy]

Das "Rätsel Atomkern" hat seinen historischen Ursprung in der Entdeckung der natürlichen Radioaktivität durch Henri Becuqerel im Jahre 1896.
Die anschliessende Forschung zur Aufklärung der Ursachen der Radioaktivität führte 1911 zur Entdeckung des Atomkerns durch Ernest Rutherford und 1938 schliesslich zur Entdeckung der Spaltung des Urankerns durch Otto Hahn und Mitarbeiter.

Wenn es die User hier interessiert, dann würde ich eine kurze Geschichte dieser Entwicklung präsentieren.

Gruss Hardy

[Stephen]

... also mich würde es brennend interessieren...

ooops, ich hatte ja meinen Text zu obigen Link vergessen.
Also nochmal neu: wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, dann wäre der Atomkern (bestehend aus positiven Protonen und neutralen Neutronen) so groß wie ein Reiskorn im Mittelkreis.
In diesem Reiskorn befindet sich fast die komplette Masse des Atoms.
Ein Stück Würfelzucker mit dieser Materie (Atomkern) würde soviel wiegen wie alle Menschen auf der Erde zusammen.
Warum sich die positiven Teilchen im Atomkern nicht abstoßen, beginne ich nach dem 3. Mal Anschauen des obigen Videos so langsam zu begreifen...

Gruß
Steffen

[tomS]

Warum sich die positiven Teilchen im Atomkern nicht abstoßen, beginne ich nach dem 3. Mal Anschauen des obigen Videos so langsam zu begreifen...

Sie stoßen sich elektrisch ab; allerdings überwiegt (für bestimmte Spinkombinationen) die Anziehung aufgrund der starken Wechselwirkung. Die elektromagnetische WW liefert da nur eine kleine Korrektur. Ein interessanter Vergleich ist z.B. der zwischen H3 = Tritium mit mit Nukleonen (pnn) sowie He3 mit (ppn):

http://de.wikipedia.org/wiki/Triton_(Physik)
http://de.wikipedia.org/wiki/Helion_(Physik)

Der Massenunterschied (gemessen in Protonenmassen) aufgrund der el.-mag. WW beträgt lediglich 5.6 * 10[up]-4[/up] m[down]p[/down]/c[up]2[/up]

[Stephen]

Besten Dank für die Links @Tom. Sie funktionierten zwar nicht, konnte aber trotzdem etwas damit anfangen... Oder es liegt an meinem Laptop, der hat seit 2 Tagen extreme Aussetzer - von A wie Adobe Flash Player bis V wie Virusscanner klappt da nichts mehr.
Nun kommen aber noch die merkwürdigen Gluonen ins Spiel, die auf keinem Bild eines Atomkerns abgebildet werden, aber indirekt (was immer das auch heißen mag) für die Anziehung von Protonen und Neutronen "verantwortlich" sein sollen. Also das begreife wer will

[seeker]

Nun kommen aber noch die merkwürdigen Gluonen ins Spiel, die auf keinem Bild eines Atomkerns abgebildet werden, aber indirekt (was immer das auch heißen mag) für die Anziehung von Protonen und Neutronen "verantwortlich" sein sollen.

Es ist so:
Für jede der 4 Wechselwirkungen existiert laut Theorie (Standardmodell) ein Kraftüberträgerteilchen bzw. Wechselwirkungsteilchen.
Das kann man sich so vorstellen, dass zwei Teilchen, die sich z.B. anziehen (z.B. ein Proton und ein Elektron), dieses Teilchen ständig miteinander austauschen und so erst die Kraft zwischen ihnen zustande kommt.
Bei der elekromagnetischen Kraft ist das das Photon, bei der Gravitation ist das das (noch hypothetische) Graviton, bei der schwachen Kernkraft sind das die W- und Z-Bosonen und bei der starken Kernkraft ist das das Gluon (wie englisch "glue" = kleben).

Sieh auch hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/Elementart ... chteilchen

Eigentlich ganz einfach...

Grüße
seeker

[Stephen]

Eigentlich ganz einfach...

Neutron, Proton, Elektron, Kraftübertragungsteilchen, Wechselwirkungsteilchen, Photon, Graviton, Bosonen, Glutonen - nein, da werfe ich das Handtuch..
Als Nicht-Physiker steht man solchen Problematiken - selbst als relativ gebildeter Mensch - irgendwie hilflos gegenüber.
Meine Mutter war Ärztin; bis zu ihrem Tod 2014 hat sie nicht verstanden, was ein Lichtjahr ist...

[tomS]

Ich denke, die Foren-SW hat Probleme mit den Klammern in der URL; sowas habe ich schon mal mit # erlebt; die Wikipediaseiten sind da nicht ganz unproblematisch.

Nachdem es um Atomkerne und den Effekt der el.-mag. WW ging, habe ich die QCD, die wiederum für die Bindung der Quarks und Gluonen zu Nukleonen zuständig ist, sowie die schwache WW außen vor gelassen. Man kann im Rahmen phänomenologischer Modelle auf Basis von Protonen, Neutronen und (komplizierten) Potentialen ganz gut Kernphysik betreiben.

[Skeltek]

Weiss nicht ob es sinnvoll ist, eine Eigenschaft, welche im Raum übertragen wird als eigenständiges Teilchen A zu deklarieren... hinterher verlangt noch jemand ein weiteres Teilchen B, welches die Annäherung des Teilchens A prüft und es zur Absorbtion "einseilt" oder ähnliches...

[Siggi]

@Skeltek,
in Deinem letzten Beitrag machst Du es Dir vlt. zu leicht. Es hierbei nicht um das sog. Atommodell, sondern wie Tom es beschrieben hat um elementare Dinge, die ich zugegebermassen manchmal auch nicht verstehe. Der Zusammenhalt des Protons und des Neutrons ergibt sich doch aus der Wechselwirkung der uns bekannten Beziehung zwischen grosser und schwacher Wechselwirkung, wobei man beide wieder in Quarks zerlegen könnte, wobei das Proton 2 up-Spinns hat und das Neutron 2 down-Spns hat, das 3. Quark lassen wir mal weg, daraus ergibt sich schon eine Kraft, lass sie uns mal Magnetismus nennen,welche beide zusammenhalten. Darum fliegen mal dumm ausgedrückt dann eben die Elektronen, dass ist unser Atom. (Gravi, wir können nicht durch die Wand dieser geballten Kraft und Energie ohne Kopfschmerzen .

Ich weiss nicht, ob ich richtig liege, aber in jedem Atom steckt eine Ladung von zerstörischer Energie. Wir machen diese Dinge nur aus dem willkürlich erzeugtem Ergebnis des Zerfalles von Uran oder Plutoniom aus, was wir messen und sehen können, weil diese eben halt eine "Ladung zuviel haben sprich der Kern protonen oder Neutronen freisetzt und damit Energie erzeugt wird die im Kern eine Instabilität erzeugen und es dadurch zum Zerfall kommt und ggf. im giftigen Blei endet, wenn alles zerfällt.
Ich weiss, wir kommen in die Physik und Chemie wo vlt. nennen wir es mal Element ein Proton oder Neutron zuviel hat, dann dürfte es vlt. radioaktiv sein, weil immer ein ausgeglichenes Verhältnis der Kräfte vorhanden sein muss. Wenn dieses nicht der Fall ist, dann zerfällt das Element zu niederen Stoffen, gut, wenn man mal Cäsium und dessen Halbwertzeit in Betracht zieht.............. Nichts desto Trotz: Wie sieht es bei einem Kohlenstoffatom aus? Kann man es spalten um energie zu erzeugen?
Tom, wenn Du mir das mit einfachen Worten erklären kannst, dann bist Du und ich stelle keine dummen Fragen.

lg

Siggi

[Stephen]

Weiss nicht ob es sinnvoll ist, eine Eigenschaft, welche im Raum übertragen wird als eigenständiges Teilchen A zu deklarieren... hinterher verlangt noch jemand ein weiteres Teilchen B, welches die Annäherung des Teilchens A prüft und es zur Absorbtion "einseilt" oder ähnliches...

Über diesen Beitrag musste ich herzhaft lachen - im positiven Sinne! Solche Gedankengänge habe ich nämlich auch...

Ich weiss nicht, ob ich richtig liege, aber in jedem Atom steckt eine Ladung von zerstörischer Energie.

Da liegst du völlig richtig, sonst gäbe es keine Atombombe...

[Siggi]

@Steffen,

war das Zitat nicht von Oppenheimer? oder doch von Einstein? Oppenheimer hat sich nach dem esten Test auch so in ähnlicher Form geäussert.

lg

Siggi

[Stephen]

@Siggi
Wenn du das Zitat in meiner Signatur meinst: im PC-Spiel Civilization 5 wurde Albert Einstein als "Erfinder" dieses Satzes angegeben. Ich habe es aber nicht überprüft.

[Hardy]

@Steffen,

war das Zitat nicht von Oppenheimer? oder doch von Einstein? Oppenheimer hat sich nach dem esten Test auch so in ähnlicher Form geäussert.

lg

Siggi

Das Zitat
"Die entfesselte Gewalt des Atoms hat alles verändert, nur unsere Denkweise nicht, und so gleiten wir auf eine Katastrophe zu, die die Welt noch nicht gesehen hat."

stammt von A. Einstein.

Es klingt so, als wäre Einstein ein grundsätzlicher Gegner der Kernenergie gewesen.
Dem ist aber nicht so. Das wird sofort klar, wenn man aus Einsteins Statement den unmittelbar folgenden Satz hinzufügt:

"Wir Wissenschaftler, die wir diese ungeheure Kraft entfesselt haben, tragen eine ausserordentlich grosse Verantwortung in diesem weltweiten Kampf um Leben und Tod - einem Kampf, der darauf abzielt, das Atom zum Segen und nicht zum Ruin der Menschheit zu nutzen."

Gruss Hardy

[Siggi]

Danke hardy,

letztendlich wird immer die militärische Einsetzbarkeit einer Möglichkeit gegeben zu sein ohne an dessen Folgen und ggf. auch im zivilen Bereich nützliche Dinge daraus zu entwickeln.

lg

Siggi

[Hardy]

@Siggi:
"Wie sieht es bei einem Kohlenstoffatom aus? Kann man es spalten um energie zu erzeugen?"

Dazu fällt mir keine Kernreaktion ein.
Eingefallen ist mir aber die historisch erste Kernzertrümmerung:

Im Frühjahr 1932 gelang es J. D. Cockcroft und E. T. S. Walton erstmals, eine Kernreaktion mittels künstlich beschleunigter Protonen zu erzielen: die Zertrümmerung von Kernen des Lithium-Isotops Li-7 durch Beschuss mit Protonen (p) der kinetischen Energie 0.3 MeV. Dabei entstanden aus je einem Li-7-Kern zwei Heliumkerne (He-4), und es wurde eine Energiemenge Q frei:

Li-7 + p -> He-4 + He-4 + Q
Q = 17.454 MeV

Diese Kernreaktion war die erste, bei der Masse und Energie aller beteiligten Reaktionspartner mit hinreichender Genauigkeit bekannt waren bzw. gemessen werden konnten, um die experimentell ermittelte Energiebilanz mit der Theorie vergleichen zu können. Auf dieser Grundlage konnte nun erstmals die Gültigkeit der Einsteinschen Formel E = m*c^2 experimentell bewiesen werden.

Damit erfüllte sich die von A. Einstein schon 1905 ausgesprochene Erwartung, dass die mit den radioaktiven Prozessen verbundenen grossen Energieumsetzungen eine experimentelle Verifikation dieser grundlegenden Formel seiner Relativitätstheorie erbringen könnten.

Durch Beschuss mit hochenergetischen Teilchen (z.B. mit Protonen von einigen 100 MeV) kann man grosse Kerne in viele Bruchstücke zertrümmern. Man spricht dann von Spallationen. Anwendungen sind z.B. die Erzeugung von Neutronen (Spallations-Neutronenquelle) oder die Umwandlung langlebiger radioaktiver Stoffe in kurzlebigere (Transmutation radioaktiven Abfalls). Dabei wird auch Energie freigesetzt.

Gruss Hardy

[Stephen]

Hallo zusammen,

es gibt zwei Möglichkeiten: entweder spaltet man (schwere) Atomkerne oder man fusioniert (leichte) Atomkerne, also zum Beispiel Wasserstoff zu Helium.
Mit dieser extrem unterschiedlichen Energieabgabe habe ich noch so meine Probleme, aber ich bekomme das in den nächsten Stunden noch gebacken

[Hardy]

Hallo zusammen,

es gibt zwei Möglichkeiten: entweder spaltet man (schwere) Atomkerne oder man fusioniert (leichte) Atomkerne, also zum Beispiel Wasserstoff zu Helium.

Das ist grundsätzlich richtig und folgt aus dem globalen Verlauf der Kurve "Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon als Funktion der Massenzahl":

http://www.leifiphysik.de/themenbereich ... i%20Kernen

Die Bindungsenergie pro Nukleon schwankt jedoch bei kleinen Massenzahlen stark. Sie weist bei He-4 ein ausgeprägtes relatives Maximum auf.
Deshalb wird bei der Spaltung des leichten Kerns Li-7 in zwei He-4-Kerne mittels Protonenbeschuss (siehe mein Bsp. vom 30.1.2015) Energie frei.

Gruss Hardy

[seeker]

Was man m.E. noch etwas mehr herausstellen sollte:

Wie man an der Grafik erkennen kann, die man findet, wenn man Hardys Link folgt, ist das Maximum der Bindungsenergie (welches zu einem Minimum des Energieniveaus des betreffenden Kerns führt) etwa bei Eisen (Fe) erreicht.

D.h.: In erster Näherung kann man grob sagen, dass bei allen Elementen, die leichter als das Eisen sind, durch Kernfusion Energie gewonnen werden kann und bei allen Elementen, die schwerer als das Eisen sind, durch Kernspaltung Energie gewonnen werden kann.
Umgekehrt erhält man keine Energie, wenn man schwere Elemete (ab dem Eisen) zu noch schwereren Elemeten fusionieren möchte - man muss dann umgekehrt noch Energie in diese Reaktion hineinstecken, ebenso bei der Kernspaltung von leichten Elementen wie dem Kohlenstoff.

Es gibt natürlich Ausnahmen und es kann genauer auch von den speziellen beteiligten Isotopen und weiteren Randbedingungen abhängen, ob die Energiebilanz einer Kernreaktion positiv oder negativ ist, aber als grobe Richtschnur ist die "Eisen-Regel" m.E. ganz brauchbar.

Weiterhin erkennt man an der genannten Grafik, dass der "Energieprung" vom Wasserstoff zum Helium (bzw. zum Eisen) viel größer ist als die Energiedifferenz zwischen Uran und Eisen.
Dadurch erklärt sich auch schon ganz grob, warum bei der Kernfusion prinzipiell* deutlich mehr Energie gewonnen werden kann als bei der Kernspaltung.
(*: Bei der Kernspaltung von U entsteht kein Eisen, sondern Ba und Kr, wodurch die Energiedifferenz und damit die freigesetzte Energie aber noch kleiner wird.)


Grüße
seeker

[Stephen]

Weiterhin erkennt man an der genannten Grafik, dass der "Energieprung" vom Wasserstoff zum Helium (bzw. zum Eisen) viel größer ist als die Energiedifferenz zwischen Uran und Eisen.

Genau an diesem Punkt habe ich noch gerätselt - ich hielt die andere Art (Kernspaltung) für viel effizienter...
Kommt eventuell auch für den Zweck an, für was das Ganze eingesetzt werden soll...

[Hardy]

@seeker:
"... warum bei der Kernfusion prinzipiell* deutlich mehr Energie gewonnen werden kann als bei der Kernspaltung."

Zu präzisieren wäre, dass sich diese Aussage auf den Energiegewinn pro Nukleon bezieht.
Denn:
Bei der Spaltung eines U-235-Kerns durch ein Neutron werden ca. 200 MeV frei, wobei 236 Nukleonen beteiligt sind:
200/ 236 = 0.85 MeV/Nukleon
Bei der Fusion eines Deuterium-Kerns (H-2) und eines Tritium-Kerns (H-3) werden 17.6 MeV frei, wobei 5 Nukleonen beteiligt sind:
17.6/ 5 = 3.5 MeV/Nukleon.

Gruss Hardy

[Stephen]

Zu präzisieren wäre, dass sich diese Aussage auf den Energiegewinn pro Nukleon bezieht.

Also ist Kernspaltung energiebezogen doch effizienter als Kernfusion...

[seeker]

@Hardy: Stimmt! daran hatte ich noch nicht gedacht.

Also ist Kernspaltung energiebezogen doch effizienter als Kernfusion...

Würde ich so nicht sagen.
Wichtig ist doch die Masse, also die Materialmenge, die du einsetzen musst, um eine bestimmte Energiemenge zu erhalten?
Und da stehen dann eben 0,85 MeV pro Masseneinheit beim Uran 3,5 MeV pro Masseneinheit beim Wasserstoff gegenüber.
Bedeutet: Aus 10g schwerem/überschwerem Wasserstoff kannst du prinzipiell deutlich mehr Energie gewinnen als aus 10g Uran-235 oder Plutonium.

Natürlich steckt der Teufel im Detail.
Kernspaltung ist vergleichsweise simpel: Du musst im Prinzip nichts weiter tun als genügend U-235 zusammenzustapeln und ein paar Moderatorstäbe und Steuerstäbe zum Regeln hineinzustecken (sieht dann z.B. so aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Chicago_Pi ... eactor.jpg). So getan, wird dein Uranhaufen ohne weiteres Zutun heiß und du kannst damit Wasser kochen und dann Strom erzeugen.
(Es gibt sogar natürliche "Kernkraftwerke": Uranvorkommen in der Erde, die von alleine heiß werden.)
Aufwändig ist da m.E. eigentlich zunächst "nur" die Sicherheitstechnik und die Technik zur Gewinnung genügend konzentrierten spaltbaren Materials*.
(*Problem hier: U-235 und U-238 sind Isotope desselben Elements und liegen im Erz als Gemisch vor, wobei das spaltbare U-235 im Erz eine viel zu geringe Konzentration im Verhältnis zu dem nicht-spaltbaren U-238 hat, um direkt effizient verwendet werden zu können. Die Isotope des Urans verhalten sich als dasselbe Element chemisch gesehen praktisch identisch, womit rein chemische Trennverfahren zur Anreicherung von U-235 nicht möglich sind. Daher brauchst du auch physikalische Verfahren um die beiden zu trennnen: große Zentrifugen, langwierige Prozesse. Alles sehr aufwändig.)

Bei der Kernfusion ist der prinzipielle Aufwand viel größer. Er kann schnell so groß werden, dass das ganze Drumherum deutlich mehr Energie verschlingt als du aus der Fusion selbst gewinnen kannst. Deshalb macht man ja schon seit Ewigkeiten damit rum, ohne fertig zu werden.
Im Prinzip könnte man Kernfusion ja z.B. auch mit nem Teilchenbeschleuniger bewerkstelligen. Problem dort: Du musst mehr Energie in eine solche Anlage hineinstecken als du durch die Fusion erhälst (s.o.). Bei der Laserfusion siehts nicht viel besser aus: Die ist m. E. eher für die Forschung und Waffentechnik interessant. Und da wir keine gravitationsgezündete Kernfusion realisieren können bleibt wohl im Moment nur der Tokamak als Hoffnung übrig, mit all seinen Problemen und Herausforderungen...

Grüße
seeker

[Hardy]

Also ist Kernspaltung energiebezogen doch effizienter als Kernfusion...

Würde ich so nicht sagen.
Wichtig ist doch die Masse, also die Materialmenge, die du einsetzen musst, um eine bestimmte Energiemenge zu erhalten?
Und da stehen dann eben 0,85 MeV pro Masseneinheit beim Uran 3,5 MeV pro Masseneinheit beim Wasserstoff gegenüber.
Bedeutet: Aus 10g schwerem/überschwerem Wasserstoff kannst du prinzipiell deutlich mehr Energie gewinnen als aus 10g Uran-235 oder Plutonium.

So ist es, seeker.
Bezogen auf die gleiche Masse, z.B. 1g, erhält man folgende Energiemengen:
- Durch Fusion von 1g Deuterium-Tritium-Gemisch (enthält 0.4g Deuterium und 0.6g Tritium): 94.4 MWh (rund 4 MWd).
- Durch Spaltung von 1g Uran-235: 22.8 MWh (rund 1 MWd).

Aus 1g Deuterium-Tritium-Gemisch gewinnt man also rund viermal so viel Energie wie aus 1g Uran-235.

Gruss Hardy

[Stephen]

Ihr habt recht
Hier eine weitere Bestätigung: http://www.spektrum.de/news/kernfusion- ... le/1125607