Warum wird beim Zusammenbringen Energie frei?
Hallo,
wir behandeln gerade den Massendefekt und Bindungsenergie und mir kommen da ein paar Fragen auf.
- Warum verliert das Atom Energie, wenn die Neutronen und Protonen zusammengebracht werden. Das erscheint mir nicht logisch? Diese verlorene Energie wird dann in Form von Masse verloren, oder wie?
- Und warum rentiert sich dann Kernspaltung energetisch, wenn immer Energie frei wird, sollte man Protonen und Neutronen zusammenbringen? Wenn ich die dann wieder spalte krieg ich ja dann anscheinend auch Energie, aber wieso?
Danke im Voraus!
4 Antworten
Die Energie geht nicht "verloren", wir gewinnen sie aus der Masse, die ein wenig kleiner wird (Massendefekt).
Bei leichten Atomen liefert die Kernverschmelzung Energie (vergleiche Fusion von Wasserstoff zu Helium in der Sonne), weil die Masse des fusionierten Kerns geringer ist, als die Ausgangskerne zusammen.
Bei schweren Kernen wie Uran ist die Masse der Bruchstücke geringer als der Ausgangskern, sodass die Kernspaltung Energie liefert. Die Grenze für die Kernspaltung ist das stabile Eisen.
In Sonnen liefert die Kernverschmelzung darum nur bis zum Eisen Energie, unsere bekannten schwereren Elemente müssen darum einst in einer Supernova entstanden sein.
Was man wissen muss: der Kern des Eisenatoms ist sozusagen der energieärmste Kern von allen Elementen. Man muss daher unterscheiden, ob man von Elementen unterhalb oder Oberhalb des Eisens spricht.
Bei Elementen unterhalb des Eisens wie z.B. H oder He wird Energie bei der Fusion frei, weil sich der neue Kern dem Eisenkern angenähert hat. Um Elemente unterhalb des Eisens zu spalten, muss Energie aufgewendet werden.
Oberhalb des Eisens bei den schweren Elementen ist es genau umgekehrt. Da wird Energie frei, wenn man die Kerne spaltet, weil die entstehenden neuen Kerne von ihrer Protonenzahl her näher beim Eisenkern liegen. Da benötigt es viel Energie, um eine Fusion durchzuführen, die vom Eisen wegführt. Diese Energie wird eigentlich nur bei einer Nova, also einer Sternexposion freigesetzt, sodass nur dabei schwerere Elemente als Eisen entstehen können.
Anders betrachtet kann man auch sagen: letzlich wird alle Materie im Universum als Eisen enden. Weil sich letztlich alles zum Eisen hin entwickelt ist das auch eines der häufigsten Elemente im All. So ist auch Eisen mit einem Anteil von 35 % das häufigste Element, aus dem die Erde besteht. Der gesamte Erdkern besteht aus Eisen und auch in der Erdkruste kommt es häufig vor.
Ich denke, das WARUM ist nicht geklärt. Es ist einfach so.
Den Rest haben die andern erklärt.
Wie auch in der physikalischen Chemie gilt, dass Energie nicht erzeugt oder vernichtet werden kann, in verschiedenen Formen auftritt sowie über die Zeit dissipiert, also entwertet wird als Wärme und Entropie.
Zu 1.): Wenn du Einstein känntest, wüsstest du, weshalb. E = mc².
Zu 2.): Weil es ein Maximum des Massendefekts bei Eisen und Nickel gibt. Kernfusion kann nur bis Eisen stattfinden, Kernspaltung nicht tiefer gehen als Eisen.
Damit du das besser visualisieren kannst, ein Exkurs in das Tröpfchenmodell: man behandelt Atomkerne näherungsweise wie Tropfen aus Flüssigkeiten - bloß dass zusätzlich noch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit mit der Couloumb-Kraft (Abstoßung) konkurriert.
Das bedeutet: zu kleine Tropfen verbinden sich gerne zu größeren (Fusion). Zu große Tropfen kollabieren (Spaltung). Die optimale, energetisch tiefste Tropfengröße wäre Eisen-Nickel.
Jede Bewegung nach oben in der untersten Karte setzt Energie frei.
Du kannst es dir auch so vorstellen: je näher es richtung Eisen geht, desto tiefer fällt das Nukleon in einen Trog hinein, verliert also Energie und ist stärker gebunden. Es kommt keine Energie hinzu, auch wenn es das suggeriert!
