Kernfusion und Kernspaltung

Die Szenerie des Bildes wird von der Sonne beleuchtet. Doch warum sendet die Sonne eigentlich Licht aus?

Die Sonne ist ein riesiger Gasball, der vor allem aus Wasserstoff und Helium besteht. Die Sonne hat einen Durchmesser von etwa 1,4 Millionen Kilometern, das ist der 109-fache Erddurchmesser. Sie wiegt ca. 2*1030 Kilogramm, sie ist damit 333.000mal schwerer als die Erde. Die Sonne beinhaltet ca. 99,9% der Gesamtmasse unseres Sonnensystems. Der Rest ist de facto der Jupiter.

Durch die enormen Gravitationskräfte, die von einer so großen Massenansammlung ausgehen herrscht im Inneren der Sonne ein so hoher Druck, dass sich die Wasserstoffkerne, das sind Protonen, trotz der Ladungsabstoßung so nahe kommen, dass sie zu Heliumkernen verschmelzen. Dieser Prozess heißt Kernfusion, in diesem speziellen Fall „Wasserstoffbrennen“ genannt. Dabei werden gigantische Energiemengen frei, da ein Heliumkern etwas leichter ist als die Summe der Massen seiner einzelnen Bestandteile (zwei Protonen und zwei Neutronen). Und Masse und Energie sind äquivalent, die Massendifferenz wird daher als Energie ausgestrahlt.

Albert Einstein hat nämlich als Teil seiner Relativitätstheorie eine der wichtigsten und bekanntesten Gleichungen der modernen Physik geschaffen:

E=m.c²

wobei m die relativistische Masse, c die Lichtgeschwindigkeit und E die Energie ist. Diese Gleichung bedeutet, dass alles, von einem einzelnen Atom bis zu den größten Galaxienhaufen, eigentlich aus Energie besteht, die sich durch die Ordnungsprinzipien des Universums oft bündelt und eine Eigenschaft erhält, die wir Masse nennen. Dabei ist c² (c≈300.000.000.000 m/s) ein sehr großer Umwandlungsfaktor. Das erklärt auch, warum bei den Reaktionen, bei denen messbar Masse verloren geht (Kernspaltung und -Fusion und die Annihilationsreaktion von Materie und Antimaterie) so große Energiemengen frei werden.

Alle Elemente weisen eine Massen- und damit auch eine Energiedifferenz im Vergleich zur Summe ihrer Bestandteile aus. Diese wird Bindungsenergie genannt. Die mittlere Bindungsenergie pro Kernteilchen zeigt den Verlauf wie am Bild anbei.

Daraus ergibt sich, dass Eisen (Fe) das stabilste Element ist. Leichtere Elemente mit einer geringeren Massenzahl können zu Eisen verschmolzen werden. Schwerere Elemente können gespalten werden wodurch Energie frei wird. Dabei wird die Differenz der Bindungsenergien als Strahlung frei. Der Verlauf der Kurve zeigt, dass aus der Kernfusion theoretisch wesentlich mehr Energie gewonnen werden kann als aus der Kernspaltung. In der EU wird derzeit der weltgrößte Fusionsversuchsreaktor gebaut.

Im Studium der Technischen Physik kann alles über Kernspaltung, Kernfusion und die entsprechenden Technologien gelernt werden. Auch Praktika am Atomreaktor im Prater sind möglich. (Jaja, Österreich hat einen Atomreaktor, allerdings nur einen sehr kleinen, nicht zur Energieerzeugung geeigneten Versuchsreaktor. Bis vor wenigen Jahren hatten wir noch drei Reaktoren, der größte stand in Seibersdorf und der andere im Johanneum Graz.)

Bildquelle: gemeinfrei

Links: Atominstitut URL: www.ati.ac.at