Wie funktioniert der Massendefekt bei Kernfusion und Kernspaltung?
Hallo, nach der Kernfusion von zwei Atomkernen haben der entstehende Atomkern und das freie Neutron welches entsteht ja eine geringere Masse als die beiden Kerne zusammen. Das liegt ja am Massendefekt und die fehlende Masse wird in Energie umgewandelt. Der enstehende Atomkern hat aber doch jetzt anstatt der fehlenden Masse auch eine höhere Bindungsenergie. Wie kann es sein, dass sowohl Energie (Bindungsenergie) freigesetzt wird als auch das der neue Atomkern eine höhere Bindungsenergie hat.
Das gleiche ist ja auch bei der Kernspaltung so. Die Spaltprodukte haben eine geringere Masse aber dafür eine höhere Bindungsenergie. Klingt ja auch erstmal logisch aber warum wird dann noch Energie (Bindungsenergie) freigesetzt wenn sich die Bindungsenergie einfach nur bei den Spaltprodukten erhöht?
6 Antworten
die Bindungsenergie ist nicht Energie, die die Kerne über haben, sondern die ihnen fehlt um sich weiter zu spalten. Sie entsteht also nicht bei der ursprünglichen Spaltung.
Das ist, als wenn man einen Stein aus einem 1m tiefen Loch hebt (seine ursprüngliche Bindungsenergie) und er dann in ein 2m tiefes Loch fällt (seine neue Bindungsenergie).
Klasse Darstellung mit dem Stein. Hatte Schwierigkeiten es leicht verständlich darzustellen für den FS
sorry, habe übersehen, dass du diese Stein-Analogie schon gebracht hast.
Die Spaltprodukte haben eine geringere Masse aber dafür eine höhere Bindungsenergie.
Wie kommst du darauf?
Haben sie nämlich nicht. 99% der masse eines atomes IST infakt bindungsenergie zwischen den bestandteilen der Atome. Nimmste nur die massen der elementarteilchen (Quarks und elektronen.) Kommste bei weitem nicht auf die masse des Atomes.
Als beispiel:
ein proton wiegt ca: 1,007u
Rechnen wir das in MeV um kommen wir auf:
931.4936148385 MeV
Ein Up Quark wiegt 2,2 Mev und ein Down Quark: 4,7MeV
Macht zusammen 9,1MeV (2 up ein down)
Das Proton ist also ca. 102 mal schwerer als die Bestandteile.
Der masseanteil der reinen bindungsenergie der quarks in einem proton ist also: 922MeV
bei Protonen die sich zusammen mit neutronen zu den Atomen zusammnesetzen gilt das gleiche verhältniss.
Nur das der anteil der reinen bindungsenergie bis zum Eisen abnimmt. Und ab eisen zu nimmt. Deswegen kriegt man durch fusion energie bis eisen raus. Und durch spaltung energie aus den schwereren teilchen raus.
Als beispiel:
Ein proton hat wie gesagt ne masse von 1,008u (proton plus elektron)
Ein Helium atom ne masse von:
4,002602
Besteht aus: 2 Proton + 2 elektron (1,008u *2) und 2Neutronen (1,008 * 2)
Also 1,008u * 4 also 4,32u
Was bedeutet die masse eines Helium atomes ist geringer als die von 4 Wasserstoff atomen. (Die elektronen können wir aussen vor lassen die wiegen blos 0,0005u)
Abesien dreht sich dann das ganze um. Und die massen werden mehr im vergleich zu den bestandteilen.
Die Bindungsenergie entspricht der 'Stärke' der Bindung, also der Energie, die man aufbringen muss, um sie wieder zu lösen!
Weder Masse noch Energie geht verloren. Das ist ja gerade der Vorteil der Kernfusion Energie!
Hier mal ein Video dazu:
Hallo leo93247,
die Erkenntnis, die sich in EINSTEINs berühmter Formel "E=mc²" ausdrückt, ist die, dass Energie – und zwar jede Energie – "was wiegt", nämlich etwas mehr als 11 fg⁄J (fg steht für Femtogramm, 1 fg = 10⁻¹⁵ g).oder etwas über 6,6×10⁹ u⁄J (u steht für die aus der Chemie bekannte atomare Masseneinheit).
Ein ⁴He- Atomkern hat weniger Masse als 4 Protonen, obwohl er zwei Neutronen enthält und Neutronen etwas mehr Masse als Protonen haben (nämlich genügend, um in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino, wobei sich letzter mit hoher Geschwindigkeit vom Proton entfernen).
Die Differenz ist die Bindungsenergie, und die ist negativ, da die Starke Kernkraft (nicht zu verwechseln mit der Starken Wechselwirkung, von der die Starke Kernkraft nur ein VAN DER WAALS- artiger Ausläufer ist) anziehend wirkt; um den ⁴He- Kern zu zerlegen, bräuchte man Energie.
Übrigens habe ich mich immer gefragt, wie die Bindungsenergie innerhalb des Nukleons positiv sein kann, denn die Quarks werden durch die Starke Wechselwirkung ja zusammengehalten.
Des Rätsels Lösung besteht heißt Confinement (engl. für Beschränkung, Eingesperrtsein): Diese anziehende Kraft nimmt mit wachsendem Abstand zuerst zu und bleibt dann gleich. Daher entfernen sich Quarks meist nicht weiter voneinander als 10⁻¹⁵ m.¹)
Nun werden aber Teilchen durch eine Wellenfunktion beschrieben, und ihre Wellenlänge ist antiproportional zum Impuls des Teilchens; sperrt man ein Teilchen gewissermaßen ein, indem man es z.B. an andere bindet, hat es zwangsläufig einen hohen Impuls in alle Richtungen und damit jede Menge kinetischer Energie.
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¹) Tatsächlich kann man sie nicht voneinander trennen. Stell Dir vor, Du wärest im Wunderland, wo es riesige Neutronen gibt, und Du würdest versuchen, das u-Quark aus einem zu ziehen. Dann hättest Du irgendwann so viel Energie hereingesteckt, das diese für die Bildung eines u-Quark-ū-Antiquark- Paares reichen. Ersteres bleibt im Neutron, letzteres bindet sich mit dem u-Quark, an dem Du gezogen hast, und Du hast ein Meson in der Hand.
In relativ kleinen Atomkernen sind die Nukleonen (Sammelbegriff für Protonen und Neutronen) tendentiell fester gebunden als bei sehr großen. Deshalb ist – wie die Fusion von kleinen Atomkernen –die Spaltung sehr großer Kerne exotherm. Die Nukleonen der "Bruchstücke" werden enger aneinander gebunden, und das bedeutet Energiefreisetzung.
Das bedeutet, dass wenn man z.B. ein Uran-235 Kern spaltet Bindungsenergie frei wird, weil die Bindungsenergie ja negativ ist und sie so bei der Freisetztung von Energie weiter sinken würde und die Spaltprodukte dann eine höhere Bindungsenergie (im Minus Bereich) haben würden. Wäre das so richtig?