Frage von Crissi2001, 119

Kann man die in der Masse eines Körpers gebundene Energie vollständig freisetzen?

Ist es möglich, in der Masse von Materie gebundene Energie vollständig freizusetzen?

Antwort
von lks72, 68

Die Frage ist verwirrend. Masse und Energie sind zwei physikalische Größen, man man aber eine Größe nicht in eine andere umwandeln. Seit 1905 ist aber klar, E = m•c^2, dass Masse und Energie prinzipiell die gleichen Größen sind. In der Teilchenphysik hat es sich nun etabliert, als Masse nur noch die invariante Ruhemasse zu nehmen und als Energie halt die Energie. Mit dieser Definition ist aber auch klar, dass die Trägheit eines Körpers also von seiner Energie abhängt.
So, nun zu deiner Umwandlung. Ein Elektron und ein Positron prallen zusammen, beide verschwinden. Diese Paarvernichtung ist das klassische Beispiel für die angebliche Umwandlung von Masse in Energie. Dies ist aber Unsinn, wie schon oben gesagt. Zwar sind die Teilchen verschwunden, aber die Masse und damit die Energie nicht, es muss also ein Teilchen entstehen mit der gleichen Energiemenge, in diesem Fall zwei Photonen, welche dann Gammastrahlung heißen, diese Teilchen tragen die Energie dann fort.

Kommentar von Crissi2001 ,

Ensteht bei einem schwarzen loch gamma dtrahlung ?

Kommentar von Tuplo ,

Meines Wissens strahlt ein Schwarzes Loch auf dem gesamten Frequenzband, d. h. neben Radio- und Röntgenstrahlung wird auch Alpha-, Beta- und Gammastrahlung abgesondert.

Kommentar von Wechselfreund ,

Die Frage ist verwirrend. Masse und Energie sind zwei physikalische Größen, man man aber eine Größe nicht in eine andere umwandeln. Seit 1905 ist aber klar, E = m•c^2, dass Masse und Energie prinzipiell die gleichen Größen sind.

???

Kommentar von lks72 ,

Seit 1905 ist klar, dass Energie die Eigenschaften von Masse hat und umgekehrt auch Energie für Trägheit und Schwere verantwortlich ist.

http://www.leifiphysik.de/sites/default/files/medien/text/einstein\_original2.pd...


(Anmerkungen von Einstein 1905)


Die extrem unterschiedlich großen Einheiten lassen im Alltag diese Gemeinsamkeiten nicht erkennen. Prinzipiell wäre aber eine Größe überflüssig. In gewisser Weise macht man das in der Teilchenphysik ja auch so, in der mit der die Masse nicht mehr ein Maß für die Trägheit eines Körpers ist, sondern einfach die Größe Ruheenergie / c^2, also eine Lorentzinvariante. Dies ist aber einfach eine Definitionssache.



@Wechselfreund: Im Übrigen lag meine Betonung nicht auf "zwei", sondern "Größen".


Antwort
von Kaenguruh, 36

Nehmen wir an, ein Elektron und sein Antiteilchen, ein Positron, vernichten sich gegenseitig und zerstrahlen in Photonen; dann hat die Systemmasse vor und nach der Reaktion den selben Wert. Aber die beiden Photonen für sich genommen haben keine Masse (beide zusammen betrachtet aber schon). Es hat sich also die Zusammensetzung der Systemasse geändert. Zur Erklärung der Systemmasse: Stelle Dir einen schwarzen Kasten vor aus dem nichts hinein geht und aus dem nichts heraus kommt. In dem Kasten mögen sich beliebige Teilchen befinden, die beliebig miteinander reagieren. Der Kasten selber sei massenlos. Jetzt wiegst Du den Kasten (oder besser bestimmst dessen Masse). Es können sich in dem Kasten Reaktionen abspielen, wie sie wollen (Teilchenvernichtungen oder Kernspaltungen), an der Masse des Kastens mit seinem Inhalt (der Systemmasse) wird sich nichts ändern. Aber die Massen und Energien wurden auf die Teilchen des Kasteninhaltes anders verteilt.

Antwort
von Kaenguruh, 29

Nehmen wir an, ein Elektron und sein Antiteilchen, ein Positron, vernichten sich gegenseitig und zerstrahlen in Photonen; dann hat die Systemmasse vor und nach der Reaktion den selben Wert. Aber die beiden Photonen für sich genommen haben keine Masse (beide zusammen betrachtet aber schon). Es hat sich also die Zusammensetzung der Systemasse geändert. Zur Erklärung der Systemmasse: Stelle Dir einen schwarzen Kasten vor aus dem nichts hinein geht und aus dem nichts heraus kommt. In dem Kasten mögen sich beliebige Teilchen befinden, die beliebig miteinander reagieren. Der Kasten selber sei massenlos. Jetzt wiegst Du den Kasten (oder besser bestimmst dessen Masse). Es können sich in dem Kasten Reaktionen abspielen, wie sie wollen (Teilchenvernichtungen oder Kernspaltungen), an der Masse des Kastens (der Systemmasse) wird sich nichts ändern. Aber die Massen und Energien wurden auf die Teilchen des Kasteninhaltes anders verteilt.

Antwort
von JTKirk2000, 32

Theoretisch ist es möglich. Ob es wirtschaftlich ist, ist jedoch eine ganz andere Frage.

Chemische Reaktionen sind in dieser Hinsicht nutzlos, denn bei diesen findet keine Umwandlung von Materie zu Energie statt. Es wird lediglich Bindungsenergie nutzbar gemacht.

Nukleare Reaktionen können aber durchaus Materie in andere Materie umwandeln und dabei Energie freisetzen, die über reine Bindungsenergie hinaus geht.

Spätestens, und dabei stellt sich dann insbesondere die Frage nach der Wirtschaftlichkeit, bei der Verwendung von Materie und Antimaterie werden beide entsprechend vernichtet und in reine Energie umgewandelt, vermutlich in Form von Gammastrahlung, was aber von ihrem Energiegehalt abhängig ist.

Grundsätzlich ist die Antwort auf die Frage also ein ja, aber mit alltäglichen (bzw. herkömmlichen) Methoden (eher) ein nein.

Antwort
von ThomasJNewton, 26

Materie und Masse sind nicht dasselbe.

Unter Materie werden allgemein die Baustein Quarks und Leptonen verstanden, nicht die Austauschteilchen.

Und für diese gelten Erhaltungssätze. Du kannst mit allen Tricks und aller Energie der Erde ein einzelnes Elektron weder vernichten noch erzeugen.

In der Sonne reagiert Proton + Elektron -> Neutron + Neutrino. Da Elektonen und Neutrinos beides Leptonen sind, beleibt die Leptonenzahl erhalten.
Oder du erzeugst aus Energie ein Paar, Elektron + Positron. Da das Postitron als Antiteilchen die Leptonenzahl -1 hat, sind sie vor wie nachher 0.

Also kannst du aus Materie nur so viel Energie gewinnen, wie vorher in Form der Erzeuguzng von Teilchen/Antiteilchenpaaren investiert hast.
Materie ist also höchstens ein Energiespeicher, aber keine Quelle.

Im Übrigen ist - wie gesagt - Masse und Energie daselbe, und was bei chemischen oder Kernreaktionen frei oder verbraucht wird, ist Bindungsenergie.

Kommentar von Kaenguruh ,

Masse und Energie sind nicht das selbe. Energie und Impuls sind Komponenten des Impenergievektors, die Masse dessen Betrag. Die Masse ist eine Invariante (sie ist vom Bezugsystems unabhängig), die Energie ist keine Invariante.

Antwort
von Ranzino, 44

Nun ja, die Umwandlung Masse -> Energie kann man täglich in Aktion sehen: sei es Benzin im Auto zu Bewegungsenergie oder halt unsere Sonne, die tonnenweise Wasserstoff zu Helium fusioniert und dabei offensichtlich jede Menge Energie abgibt.

Totale Umwandlung wäre eine Reaktion aus Materie und Antimaterie.  Hier wird alles in Energie umgesetzt.

Kommentar von Wechselfreund ,

Nun ja, die Umwandlung Masse -> Energie kann man täglich in Aktion sehen: sei es Benzin

Wo wird da Masse in Energie umgewandelt???

Kommentar von Ranzino ,

Ähm, hast du schon mal einen vollen Benzinkanister getragen ? :D

Klar ist das flüssige Etwas eine Masse, was denn sonst ? Und der  Ottomotor verwandelt nicht rein zufällig die Energie des Benzins in mechanische Bewegung ? 

Kommentar von lks72 ,

@Ranzino: Hier geht es aber um etwas anderes: Benzin UND Sauerstoff verbinden sich zu (idealerweise) CO2 und H2O. Nun ist aber Benzin + Sauerstoff so schwer wie das entstehende CO2 und H2O. Die Beziehung E = m * c^2 ist hier nicht zu sehen. Zwar ist rein theoretisch die rechte Summe um den Betrag Enerigemenge / c^2 leichter als die rechte, allerdings ist dieser Betrag gegenüber den Ruhemassen um so viele Größenordnungen kleiner, dass er nicht messbar ist. Auf atomarer Ebene sieht das anders aus.

Kommentar von Ranzino ,

Solare Kernfusion ist allerdings auch kein Effizienzwunder.  :)  Der Massendefekt von Wasserstoff zu Helium liegt bei 0,76 % der Ausgangsmasse, wenn ich Wikipedia richtig lese.

Kommentar von SlowPhil ,

Beim Benzin wird aber nur ein verschwindend kleiner Bruchteil der Gesamtmasse - nämlich das, was in den chemischen Bindungsenergien vorhanden ist - freigesetzt. Der Rest der Masse des Benzins ist zwar nach der Verbrennung "aus dem Auge, aus dem Sinn", aber in Form des CO2 und H2O in den Abgasen sehr wohl noch da.

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 12

Ich habe vorgeschlagen, die Formulierung dahingehend zu ändern, dass sie nunmehr heißt, ob man die in der (im Sinne von "als") Masse eines Körpers gleichsam kondensierte Energie vollständig freisetzen könnte. Die Masse eines Körpers ist nämlich bereits Energie, nämlich die sogenannte Ruheenergie.

--

Um die Frage zu beantworten: Nein. Die Hürde, die das (nach heutigem Wissen) verhindert, sind gewisse Quantenzahlen, die man für Erhaltungsgrößen hält, etwa die Baryonenzahl oder auch die Leptonenzahl. Um durch Paarvernichtung tatsächlich die gesamte Energie freizusetzen, braucht man so viele Antibaryonen und Antileptonen, wie man in dem "Treibstoff" Baryonen und Leptonen hat.

Eine teilweise Freisetzung ist möglich: Bei der Kernfusion entstehen u.a. Positronen, die sich mit Elektronen zusammen paarvernichten und zwei Gammaquanten von mindestens je 511 Kiloelektronenvolt bilden. Die Leptonenzahl bleibt dadurch erhalten, dass zusammen mit jedem Positron ein Neutrino entsteht, das ebenfalls ein Lepton ist, aber viel weniger Masse als das Elektron hat. Der Rest steckt nun in den Gammaquanten und ist also freigesetzt.

Ziemlich effektiv in der Freisetzung von Energie aus Materie sind in der Natur die Schwarzen Löcher. Materie, die dort hereinstürzt, verdichtet und erhitzt sich dabei oft enorm; die Energie stammt von der frei gewordenen potentiellen Energie in dem enormen Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs. Ich habe mal gelesen, es soll so bis zu 40% der Ruheenergie der hineinfallenden Materie freigesetzt werden können, die nicht ins Schwarze Loch fällt ("Schwarze Löcher sabbern beim Essen").

Antwort
von kinglion6200, 17

Das kommt auch darauf an was man glaubt , nach der Energie Wirbel Theorie ist Materie Energie die sich um ein unmaterieles Zentrum dreht , also gibt es keine Materie

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