Atome und deren Spaltung/Verschmeltung?
Ich bin von Atombomben und Wasserstoffbomben Fasziniert, Ich bin zwar kein Experte aber könnte ungefähr erklären wie die Dinger funktionieren.
Aber wieso Setzt die Spaltung eines Atomkernes bzw die Verschmelzung so viel Energie Frei?
Weil in großen maßen kann man ja paar Kilometer ausradieren mit etwas Uran bzw ähnliches (Was die Kettenreaktion weiterführt)
3 Antworten
Für die Fusion in der Sonne kannst du es dir ganz einfach ausrechnen.
Aus einem Deuterium und aus einem Tritium wird ein Helium und ein Neutron.
In Massen:
Deuterium: 2,01410175 u
Tritium: 3,0160485 u
Helium: 4,002602 u
Neutron: 1,00866491595 u
2,01410175 u + 3,0160485 u = 5,030066 u
5,030066 u - 4,002602 u - 1,00866492 u = 0,01879908 u
Rechnet man die Massen von Deuterium und Tritium zusammen, und zieht davon die Masse vom entstehenden Helium und entstehenden Neutron ab, würde man zunächst erwarten, dass 0 rauskommen muss, das ist aber nicht der Fall. Dieses Phänomen nennt sich Massendefekt. Diese übrig bleibende Masse wird nach Einsteins E = m*c² frei. Energie ist gleich Masse mal die Lichtgeschwindigkeit².
Um in SI-Einheiten weiter rechnen zu können, rechne ich jetzt diese Massendifferenz in Kilogramm um.
3,1216604019 * 10^-29 kg
Jetzt können wir die Energie, der das entspricht, ausrechnen:
E = 3,1216604019 * 10^-29 kg * (2,99792458 * 10^8 m/s)² = 2,8056085 * 10^-15 kJ
Das ist die Energie, die frei wird, wenn ein Deuterium mit einem Tritium fusioniert. Sieht erstmal wenig aus.
Für 1 Mol Deuterium und 1 Mol Tritium sieht es dann schon anders aus. Wir multiplizieren einfach mit der Avogadro-Konstante:
2,8056085 * 10^-15 kJ * 6,022 * 10^23 1/mol = 1,689537438 * 10^9 kJ/mol
Das ist eine ziemlich große Zahl, vor allem wenn man überlegt, dass um diese Energie frei werden zu lassen ca. 2 Gramm Deuterium mit ca. 3 Gramm Tritium reagieren.
Mit der dabei freiwerdenden Energie kann ein durchschnittlicher 4-Personen-Haushalt mit einem Energieverbauch von 4500 kWh im Jahr etwa 100 Jahre lang mit Energie versorgt werden. Aus 2 Gramm Deuterium und 3 Gramm Tritium. Das ist unglaublich viel.
Jetzt stelle dir vor, dass in der Sonne dasselbe passiert, nur nicht mit ein paar Gramm, sondern mit 600 Millionen Tonnen Wasserstoff - pro Sekunde…
Das sind wirklich Unmengen an Energie, die dort frei werden. Diese werden frei, dadurch dass Bindungsenergie frei wird, wenn die Kerne miteinander fusionieren.
Masse ist gebundene Energie. Und diese Energie freizusetzen ist gar nicht so einfach. Es gibt dafür zwei natürliche Prozesse: In der Sonne wird durch Kernfusion aus Wasserstoff Helium. Helium ist leichter als die vier Wasserstoff-Atomkerne aus denen es fusioniert wurde. Die überschüssige Masse wird als Energie freigesetzt.
Kernfusion setzt Energie frei bei allen Elementen die leichter als Eisen sind.
Der andere Prozess ist die Kernspaltung. Die kommt auch in der Natur vor, aber nicht besonders heftig. Uran zerfällt halt irgendwann und setzt dabei wieder Energie frei weil die Zerfallsprodukte weniger wiegen als das Uran selber.
Eine Wasserstoffbombe hat eine Atombombe in sich, um die nötige Temperatur für die Kernfusion zu erzeugen.
Die Freisetzung der Energie geschieht deshalb, weil die gespaltenen bzw. fusionierten Teile der Atome in Summe etwas weniger Masse haben als vorher.
Die fehlende Masse wurde gemäß der Formel E=m*c² in Energie umgewandelt.
Uran238 etwa wurde durch die Umwandlung riesiger Energien in der Stern-Entstehungs- oder Umwandlungsphase gebildet. Dazu war es eben nötig, einen Teil dieser Energien in Masse umzuwandeln, weil U238 eben schwerer ist als seine Bausteine. U238 möchte nichts lieber als wieder zerfallen, wobei eben die Rückverwandlung der Masse in Energie passiert.
Aber wieso Setzt die Spaltung/Verschmelzung so viel Energie frei? (Brauche Antwort wie z.b: Wenn Wasser zu heiß wird, wird es zu Dampf [...] nur bisschen genauer)