Frage von Oskar9213, 89

Massendefekt: Ursprung der Energie?

Hallo Community,

ich habe eine etwas speziellere Physik Frage zum Massendefekt:

Nehmen wir mal als Beispiel 2 Protonen und 2 Neutronen; wenn man diese zu einem Heliumkern zusammen schmeißt, dann wiegt dieser ja bekanntlich weniger, warum : Massendefekt. Diese verlorenen Masse verschwindet als Energie (wird ja bei Kernspaltung/fusion genutzt). Jetzt meine Frage: Woher kommt diese Energie. Es heißt ja, Masse wird in Energie umgewandelt (E=mc2), nach Einstein ja in Ordnung. Aber warum, bzw. welche Masse geht hier denn verloren. Also woher kommt die Masse die verschwindet und warum tut die das. Sind es die Austauschteilchen, also die, die die Kernkraft vermitteln, oder was?

Noch eine Frage (speziell zur Kernfusion):

Wenn man wie in der Sonne mittels Wasserstoffkernen Heliumkerne bildet (also über Zwischenschritte [D und He3]), ist mir nicht klar warum Energie frei wird. Wasserstoffkerne haben keinerlei wirkende Kernkräfte (diese werden ja nicht benötigt), warum wird dann Energie frei, wenn ein Heliumkern gebildet wird, bei welchem Energie gebraucht wird um ihn zusammenzuhalten.

Ich hoffe ihr könnt mir helfen, fänd ich super.

P.S.: Und bitte nur antworten wenn ihr Ahnung habt, mir das also wirklich verständlich erläutern könnt.

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von lks72, 70

Ich glaube, du verwechselst ein physikalisches System, nämlich Protonen, Neutronen, Kerne usw. mit einer physikalischen Größe. Mit der Masse kann man bestimmte Eigenschaften von Kernen beschreiben, nämlich Trägheit und Schwere. Die MAsse ist nicht real, sie ist ein mathematisches Objekt. Einstein hat herausgefunden, dass wenigestens prinzipiell Energie und eben diese Masse die gleichen physikalischen Größen sind, nur in anderen Einheiten. Wenn also ein Körper Energie E verliert, verliert er automatisch Masse m = E/c^2

Kommentar von Oskar9213 ,

Aha, ok. Vielen Dank

Und wieso wird jetzt überhaupt Energie abgegeben. Ist der Kern dann energetisch günstiger gebaut?

Kommentar von lks72 ,

Ja, im Prinzip ist es nicht viel anders als bei einer chemischen Reaktion, allerdings ist der Reaktionswiderstand hier extrem hoch, daher braucht man extreme Bedingungen, und selbst dann sind Kernfusionen (in der Sonne) sehr unwahrscheinlich,hier macht es einfach die Masse der Sonne. Um dies auf der Erde durchzuführen mit einer vernünftigen Energieausbeute, braucht man wesentlich höhere Temperaturen als im Inneren der Sonne.

Expertenantwort
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 37

Einstein hat 1905, als er E = m * c^2 veröffentlichte, diese Formel so interpretiert:
"Die Masse ist ein Maß für den Energieinhalt eines Körpers."

Und du stellst nun die Frage, wo kommt diese Energie her? Die kommt aus dem Urknall. Ilya Prigogine hat das gezeigt und berechnet:

Kurze Zeit nach dem Urknall verwandelte sich ein großer Teil der vorhandenen Energie in einem einmaligen Ereignis in Masse. Dabei wurde jede Menge Entropie erzeugt, die in Form der Hintergrundstrahlung abgegeben wurde.

Der energieärmste aller Atomkerne ist Eisen. Daher setzt jede Entwicklung Richtung Eisen (von unten her Fusion, von eben her Spaltung) wieder einen Teil der Energie frei, die beim Urknall in Masse umgewandelt wurde, natürlich verbunden mit einem entsprechenden Masseverlust.  

Was da genau auf atomarer bzw. der Quantenebene passiert, kann man heute nich nicht beantworten, solange man nicht beantworten kann, was "Masse" eigentlich bedeutet, bzw. wie sie entsteht.

Expertenantwort
von PWolff, Community-Experte für Physik, 53

Die Energie ist letztlich die Feldenergie der sogenannten starken Wechselwirkung, die die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält.

Auch im chemischen Bereich bei der Ionisation und Rekombination wird Energie und damit Masse umgesetzt. Ein einfach positiv geladenes Ion plus ein Elektron haben mehr Energie und damit mehr Masse als das zugehörige neutrale Atom. Allerdings ist hier die Energie- bzw. Massendifferenz viel zu klein, um messbar zu sein.

Die starke Wechselwirkung heißt so, weil sie stark genug ist, um den Atomkern gegen die sehr starke elektrostatische Abstoßung der Protonen zusammenzuhalten. (Glücklicherweise hat sie nur eine Reichweite in der Größenordnung eines Atomkerns, sonst würde die Erde schon längst zu einem Neutronenstern zusammengefallen sein und wir würden nicht existieren.)

Und entsprechend mehr Energie kann die starke Wechselwirkung auch umsetzen.

Antwort
von grtgrt, 26

Für jedes Teilchen, das Atom oder Atomkern ist, gilt: 

Es wird zusammengehalten durch die elektromagnetische Kraft bzw. die starke Wechselwirkung. Die Energie, die man aufwenden muss, um solche Bindungen zu lösen, nennt man Bindungsenergie
 
Die Masse eines Atoms (oder Atomkerns) ergibt sich stets als Summe der Massen seiner Konstituenten abzüglich der Bindungsenergie. 

Kommentar von Oskar9213 ,

Warum abzüglich? Wieso zieht man die Bindungsenergie ab?

Kommentar von grtgrt ,

Wie die Physiker festgestellt haben, kommt man nur so zum richtigen Ergebnis: Die Natur selbst hat es so geregelt.

Das Interessante dabei ist, dass diese Rechenregel nur für Atome und Atomkerne gilt, aber z.B. nicht für ein System aus zwei, sich in entgegengesetzte Richtung bewegende Photonen: So ein System hat sogar Masse, obgleich die Photonen selbst keine haben.

Details dazu in http://greiterweb.de/zfo/Erkenntnisse.htm#msgnr0-179 .

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