Entstehung und der Synthese der Elemente.

Fange ich gleich mal an mit der Fragestellung, denn das ist alles und nichts, da könnte man ganze Vorlesungen drüber halten.

Für heute Abend habe ich mir eine Fragestellung vorgenommen und die ist noch groß genug.

Wir fangen mal an, dass in irgendeiner frühen Phase der Weltentstehung Wasserstoff in rauen Mengen vorhanden ist.

Alle anderen Phasen überspringen wir. Wir haben also fürchterlich viel Wasserstoff in, wie gesagt, astronomischen Mengen und ein paar Millionen Jahre Zeit.

Und was wir vorfinden, wenn wir uns heute bücken und auf die Erde schauen, ist alle Elemente Sauerstoff, Lithium, Eisen, Zinn, Blei und alles dazwischen.

Wir sehen also, die Welt ist gefüllt mit einer Vielfalt von Elementen. Wie geht das zu?

Wir fangen bei Wasserstoff an, Fragezeichen, und haben zum Schluss alle Elemente, mit denen wir hier leben.

Zwei Punkte möchte ich heute Abend streifen. Der größere Teil wird darüber gehen, wie Sterne gewissermaßen als Reaktoren, als Kernreaktoren, uns diese Elemente brennen.

Dann will ich kurz noch über die aufregenden neuen Entwicklungen reden, wo wir im Labor, ziemlich großen Labors, wir kommen noch dazu, versuchen, die Elemente selber zu bauen.

Das ist also das Menü für heute Abend. Wenn ich von Elementen rede, denken wir normalerweise an die Elemente, die benahmt sind Eisen, Nickel, Zinn und so weiter.

Es geht aber um eine kernphysikalische Frage hier, und deswegen müssen wir das Spektrum der Elemente etwas stärker auffalten.

Die Kerne bestehen aus Kernen und Elektronen, und die Kerne bestehen aus Protonen und Neutronen.

Die Protonen hier, die bestimmen die Ladung, und die Ladung bestimmt die Chemie. Also wenn wir hier hochgehen, dann gehen wir die Elemente durch, Wasserstoff, Helium und so weiter, bis zum Blei und Uran.

Was den Kernphysiker noch interessiert ist, wie viele Neutronen hat dieser Kern eigentlich, und dann falten wir ein Element in eine Isotopenkette auf.

Das ist jetzt gewissermaßen das Szenario. Wir sind hier unten, Startpunkt, und wie füllen wir denn dieses ganze Gelände der stabilen, das sind diese schwarzen Punkte, der instabilen Isotope.

So eine Art Hallmarspiel, hier kommt das Glätzchen hin, wir würfeln und gucken mal, dass wir da oben landen.

Das ist die Strategie. Der erste Abschnitt, wie passiert das in Sternen?

Hier kommt ein Ausschnitt aus dieser Nuklidkarte, und zwar ein Ausschnitt da, wo es losgeht. Protonen, also Wasserstoff, Isotope, eins.

Und wir wollen jetzt da lang, wie machen wir aus einem Kern mit einem Proton, ein Kern Helium mit zwei Protonen, nun gut, die müssen verschmelzen.

Kernverschmelzung ist jetzt nötig, und wie können wir das machen?

Oder was ist dazu nötig? Das will ich mal im nächsten Bild charakterisieren. Wir kommen von außen. Der große Abstand ist also, wenn zwei Protonen oder zwei Wasserstoffatome weit weg sind.

Jetzt nähern die sich, und dann gibt es etwas, das kennen Sie aus der gewöhnlichen Welt, auch in der makroskopischen Welt.

Die sind geladen, jeder Wasserstoffkern hat Ladung eins, und Gleichnahmegeladungen stoßen sich ab.

Das heißt, man sieht, wenn man jetzt hier lang geht, ein Gebirge.

Da hinten, wenn die ganz nahe sind, dann ist die Verschmelzung geglückt. Dann ist also aus den zwei Wasserstoffen ein Helium geworden.

Aber bevor ich da in diesem Schlaraffenland ende, muss ich durch den bekannten Griesbreiberg hindurch.

Wenn ich jetzt zwei Atome habe, dann passiert erstmal nichts. Ich brauche Energie, damit die diesen Berg hier hochlaufen können.

Wir müssen also Anlauf nehmen. Da ist es jetzt wichtig, dass das in astronomischen, heißen Gebieten geschieht, nämlich den Sternen.

Das sind Temperaturen, die kann man sich eigentlich nicht vorstellen, von einer Million Grad, zehn Millionen Grad, 100 Millionen Grad.

Kurzum sehr heiß. Und wenn etwas heiß ist, dann bedeutet das, dass die Teilchen mit hohen Geschwindigkeiten wild hin und her fliegen.

Wenn wir jetzt zwei Teilchen herausgreifen, haben wir eine gute Chance, dass die mit einer hohen kinetischen Energie aufeinander zufliegen.

Das habe ich mal hier eingemalt. Die haben also schon einen gewissen Schwung. Und da, wo die Temperatur typischerweise in einem Stern wie der Sonne ist, da bin ich jetzt.

Und da lande ich an dem Ecke von dem Berg Schluss aus. Da würde also nie eine Fusion stattfinden.

Jetzt gibt es zwei Möglichkeiten, dass trotzdem etwas passiert. Die eine ist, wenn das so wild zappelt, gibt es immer ein paar Promille von Teilchen, die viel schneller sind.

Also man hat die gute Chance, dass mit ganz seltenen Ausnahmen doch mal ein schnelles Teilchen dabei ist. Und das hat dann die Chance, über die Barriere zu fliegen. Und da hätten wir eine Fusion.

Der andere Effekt ist aber fast noch wichtiger. Wir haben es hier mit mikroskopischen Teilchen zu tun.

Es ist also nicht so, dass wir eine Kegelkugel einen Berg hochschieben. Da würde wirklich nichts passieren.

Sondern wir haben mikroskopische Teilchen. Und die verhalten sich manchmal wie Wellen. Und die haben die Chance, durch den Berg durch zu laufen.

Wir sehen die Barriere für kurze Augenblicke nicht und können, wie man sagt, tunneln und landen auch da.

Die Wahrscheinlichkeit ist sehr gering, aber wir haben ja das ganze Weltall oder die ganze Sonne voll solcher Wasserstoffteilchen.

Und viel Zeit, Millionen Jahre, da reicht das. Da kann man schon kräftig tunneln oder mit seltenen Teilchen hier drüber.

Und dann hätten wir den ersten Schritt geschafft. Aber Vorsicht, da gibt es noch ein kleines Problem.

Wasserstoff 1 plus Wasserstoff 1 gibt ein System mit zwei Protonen und keinem Neutron. Das ist da, wo der Pfeil steht.

Da ist nichts. Den Kern gibt es nicht. Der Pfad ist verschlossen. Das heißt, das Spiel hört auf, bevor es überhaupt angefangen hat.

Jetzt muss noch etwas dazukommen. Das habe ich hier oben mal charakterisiert. Wir haben ein Proton, ein Wasserstoff 1 und noch ein Wasserstoff 1.

Der Weg zum Helium mit zwei Protonen, das gibt es nicht. Da muss ein Neutron dazu, der ist verschlossen.

Und jetzt passiert etwas ganz Seltenes, aber es gibt es. Man kann ein Proton in ein Neutron umwandeln.

Da müssen noch aus Erhaltungsgründen einige andere Teilchen weg. Ein Positron, damit die positive Ladung irgendwo abgeführt wird.

Und ein Neutron. Das Ganze ist durch die schwache Wechselwirkung bestimmt. Das heißt, eine wahnsinnig langsame Reaktion.