Frage von Dini1107, 24

Thema Astronomie: Was ist eine Kernfusionsrate (für Physik-Matura)?

Expertenantwort
von uteausmuenchen, Community-Experte für Astronomie, 6

Hallo Dini1107,

die Kernfusionsrate ist die Geschwindigkeit, mit der eine bestimmte Kernfusionsreaktion abläuft.

Zum Beispiel auf der Sonne wird das Helium im Sonnenkern über verschiedene Prozesse aus Wasserstoff fusioniert. Bei recht leichten Sternen wie der Sonne spielt dabei die sogenannte Proton-Proton-Reaktion die wichtigste Rolle.

Dabei fusionieren zuerst zwei Wasserstoffkerne zu einem Deuteriumkern, ein Proton muss dazu in ein Neutron verwandelt werden. Der Deuteriumkern fängt ein weiteres Proton ein und bildet einen Helium-3-Kern. Aus den Helium-3-Kernen kann - stark temperaturabhängig - auf verschiedene Weise das "normale" Helium-4-Isotop gebildet werden. ( Hier knapp nachzulesen: https://de.wikipedia.org/wiki/Proton-Proton-Reaktion)

Die Geschwindigkeiten, mit denen die einzelnen Reaktionen ablaufen, werden von den Wirkungsquerschnitten, von der Temperatur und den Häufigkeiten der Ausgangsprodukte maßgeblich beeinflusst. Diese Geschwindigkeiten sind die "Kernfusionsrate", also die Anzahl ablaufender Fusionsprozesse pro Zeiteinheit.

Logischerweise wird die Fusionsrate des gesamten Heliumfusionsprozesses durch die langsamste Teilreaktion bestimmt, weil den nachfolgenden Prozessen die Ausgangsprodukte ausgehen. Außerdem bestimmt die Fusionsrate den Gesamtenergie-Output, denn jeder einzelne Fusionsprozess liefert ja über den Massendefekt eine bestimmte Energiemenge, so dass man über Massendefekt und Fusionsrate berechnen kann, wie viel Energie die Sonne z.B. pro Sekunde freisetzt.

In der Sonne gehen in jeder Sekunde viele Milliarden solcher Prozesse
vor sich. In einer Sekunde verschmelzen 567 Mio. Tonnen Wasserstoff zu
562,8 Mio. Tonnen Helium. Damit tritt bei der Sonne in jeder Sekunde ein
Massendefekt von 4,2 Mio. Tonnen auf. Das bedeutet: Die Sonne wird in
jeder Sekunde 4,2 Millionen Tonnen leichter.
(Quelle:
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/kernfusion)

Das sind auf den ersten Blick gewaltige Zahlen, doch sind die Raten eigentlich sehr klein. In den 4,5 Milliarden Jahren seit ihrer Entstehung hat die Sonne gerade 6% ihres Gesamtwasserstoffvorrates (bzw. rund 1/3 des im Kern verfügbaren Wasserstiffes) verbraucht. Die Reaktion läuft deshalb so langsam, weil bei der Umwandlung eines Protons zu einem Neutron quantenmechanische Tunnelbarrieren zu überwinden sind. (Hier schön nachzulesen: http://www.leifiphysik.de/astronomie/sonne/wahrscheinlichkeiten-von-fusionen)

Grüße

Antwort
von SturerEsel, 5

In einem Satz:

Je höher Druck und Temperatur (im Inneren eines Sterns), umso höher die Kernfusionsrate.

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