Kernphysik mit KikkaDie wunderbare Welt von Isotopp

Donnerstag, 18. September 2008Kernphysik mit KikkaChannelkind Kikka fragte nach Hilfe bei den Physikhausaufgaben. Und da ich gerade

mit dem E90 alleine in Amsterdam bei einem Hamburger und einem Bier saß, dachte

ich, ich erklär ihm mal den Teil meiner Schulphysik, an den ich mich ein halbes

Leben und zwei Bier später noch erinnere. Das Ergebnis ist zwar nicht unbedingt

eine Antwort auf seine Frage, aber vielleicht trotzdem nützlich.

kikka> Moo, ich muss was über Kernspaltung und Fusion schreiben.

Isotopp> Mach doch einfach. Welches Fach?

kikka> Physik. Ich weiß nicht, ob ich das kann. Und ob ich mich da

ausdrücken kann.

Isotopp> Klar kannst Du. Geht es auch genauer? Was ist der Kontext?

Was habt ihr zu dem Thema behandelt? Was ist das Ziel? Weisst Du

was Alpha, Beta, Gamma Zerfall ist?

kikka> Eine sehr gute Frage. Das haben wir mal nebenbei

angeschnitten.

Isotopp> Was Fusion und e = mc^2 miteiander zu tun haben? Wer

Feynman ist?

kikka> Nope, nope

Isotopp> Feynman war cool. Atombombenerfinder, Safeknacker,

Trommler, Nobelpreisträger, Physiklehrer und Space Shuttle

Debugger.

kikka> Ne, das hatten wir nicht. Wir hatten was mit Bindungsenergie in

meV von geladenen Nukleonen oder so.

Isotopp> Wie lautet die Aufgabe denn genau? Ich meine, das ist ein

weites Feld.

kikka> Moment. Text: "Warum lässt sich durch Kernspaltung bzw

Kernfusion Energie freisetzen?"

Isotopp> Ah. Da kann man dann ja ein paar Stunden zu berichten.

Also, wenn Du ir mal die verschiedenen typischen Zerfälle anguckst,

wie sie in Reaktoren stattfinden, U235 zerfall etc. Dann siehst du ja,

dass die Summe der Reaktionsprodukte leichter ist als die der

Ausgangsmaterialien ist, und da e = mc^2, bumm. Ditto bei Fusion.

Jetzt muss man nur noch die typischen Fissions­ und

Fusionsreaktionen aufmalen.

kikka> Dazu sollen wir ein Diagramm beschreiben und mit Bezug

darauf Kernspaltung und Kernfusion unterscheiden.

Isotopp> Dein Diagramm enthält mit Sicherheit Spaltprodukte, so was

wie U235 plus Neutron werden zu irgendwas plus Gammaquant. Das

Gamma ist ein Photon, also Energie. Fission ist im Grunde simpel, du

haust wahlweise einen Heliumkern (alpha), ein Elektron (beta) oder ein

Photon (gamma) raus, und hast dann ein neues Element.

kikka> Wir hatten die Massezahl gegen die Energie in MeV

aufgetragen gehabt. Und seltsamerweise finde ich meine verdammten

Aufzeichnungen nicht. http://www.kernenergie­

wissen.de/images/pictures/Bindungsenergie.jpg ­ Exakt das.

Möh. Doofes E90 kann kein Cut und Paste im Putty. Sonst hätten wir hier auch

abkürzen können.

Isotopp> kannst du ja ausrechnen. Masse m, Lichtgeschwindigkeit c

und dann energie in MeV umrechnen. Du kriegst J, Du willst MeV.

kikka> Was hat denn die Lichtgeschwindigkeit und die Masse damit zu

tun?

Isotopp> e = mc^2?

kikka> Damit haben wir garnichts gemacht

Isotopp> Nein, aber das liegt zugrunde. Wenn du die Massezahlen

vorher und nachher aufsummierst stellst du fest, das dir eine winzigkeit

Masse pro Atom fehlt. Was doof ist, wir haben im Universum ja

Masseerhaltung, und energieerhlaltung, und Ladungs­ und

Spinerhaltung.

Isotopp> Guck mal en.wikipedia.org nach Decay_chain. U235 ­>

Thorium­231 plus ein Alphateilchen und die Summe von Th231 plus 2n

plus 2p ist kleiner als die Masse von U235.

kikka> Wir haben nichts mit Alpha, Betateilchen gemacht.

Isotopp> Sondern? Also U235 ist jedenfalls Actinium series decay

chain und dann Alphazerfall zu Th231.

kikka> Wir haben auch noch nichts mit Verfall gemacht. Wir waren mit

Bindungsenergie beschaeftigt und Kernenergie.

Isotopp> Du sagtest was von Diagramm?

kikka> http://www.kernenergie­

wissen.de/images/pictures/Bindungsenergie.jpg <­ Das.

Ich tippe die URL ab.

Isotopp> Hm, ja. Fe ist doof. Habt ihr schwache und starke Kernkraftgemacht? Die 4 Grundkraefte?

kikka> Nein.

Isotopp> Warum fliegt ein Alphateilchen/Heliumkern nichtauseinander? Da sind 2 Protonen drin, also zwei +­Ladungen. Diestossen sich doch ab?

kikka> Dachte ich auch. Oder ist das wieder so komisch, dass dieHuelle den Kern anzieht und die andere Huelle den anderen Kern?

Isotopp> Nein, es gibt andere Kraefte, die Teilchen aneinander klebenlassen und die sind viel staerker als elektromagnetuische Abstossung,aber die reichen weniger weit, sie nehmen also auf Entfernungschneller ab als Elektromagnetismus. Auf kleine Distanzen kleben alsoNukleonen aneinander, auf Abstand aber stoßen Protonen einanderab.

kikka> Ich glaube das ist viel zu weit für Sek I.

Isotopp> Der Punkt ist: die Dinger stossen einander ab, aber es gibtKurzdistanzkleber. Der Kurzdistanzkleber sind die starke undschwache Kernkraft, in englisch strong und weak force. Und mit derweak force spielt man genau bei Fission.Isotopp> Sorry, strong force sogar, glaub ich. Strong force ist komisch,das ist eine Kraft, die um so staerker wird, je groesser der Abstandwird. Das ist genau anders als bei den anderen Kraeften. Jedenfalls,wenn du weiter da rein bohren willst, jenseits von Bindungsenergienund Massezahlen, dann willst du Standardmodell, LHC, StarkeWechselwirkung, Schwache Wechselwirkung, und Decay Chain,Alphazerfall, Betazerfall (b+ und b­) und Gammazerfall alsSuchbegriffe. Wikipedia ist da gar nicht übel zum Nachlesen.

kikka> So, ich hab Unterlagen wieder. OK, effektiv sehe ich nur einDiagramm, ergo kann ich nur eines beschreiben. Ein Satz verwirrtmich: (Aus einem Referat)kikka> "Die pro Kernspaltung nutzbare Energie von 190 MeV ist soklein, dass rund 33 Mrd Urandkerne gespalten werden müssen, um 1 JWärme zu erzeugen"kikka> Ist 1J viel oder wenig? :)

Isotopp> Ja und? Was ist den die Definition von 1J? Und wieviel Jbrauchst du pro Tag zum Leben? Und sind 33 Mrd. Kerne viel? Wievielkerne sind ein mol? Was ist die Avogadrozahl genau?

kikka> Ah, uh, übersehen: 1J = 6,24210^18 eV. Und was ist dieavogadrozahl?

Isotopp> Was ist ein mol, kikka ?

kikka> Eine Stoffmenge.

Isotopp> 1J ist die Energie die du brauchst um 1g = 1ml Wasser um1C zu erwärmen.

Nein, das ist eine Kalorie. Eine Kalorie sind außerdem 4,1868 Joule. Die folgendeRechnung ist also um den Faktor 4.einbischen falsch. Danke, Ingo.

kikka> Ah, das.

kikka> Ich kann mir da immer nur das ^23 merken, den Rest nicht.

Isotopp> 6.023 mal 10 hoch dreiundzwanzig von was genau?

Ba|rog> Teilchen

Isotopp> Ba|rog: Bäh, ich will das kikka seine Arbeit selber macht.

Ba|rog> oh. 'zeihung.

kikka> Ja, gut, jetzt hat Ba|rog es verraten ;)

Isotopp> kikka: ein Mol U235 sind 6.023 * 10^23 Atome. Wieviel Mrdatome sind das?Isotopp> Also 6.023 * 10^23 / 10^9 = ?Isotopp> 10^23 / 10^9 = 10^(23­9) = 10^(14)Isotopp> Also 100 Billionen Mrd, also 10 Billionen * 10 Mrd, also etwa3 billionen * 30 Mrd, also etwa 3 Billionen Joule.Isotopp> ein Mol U235 setzt also 3 Billionen J frei, wenn man eskomplett spaltet.Isotopp> Wieviel g ist ein mol U235 schwer?

kikka> Wie komme ich denn jetzt auf g?

Isotopp> kikka: lies mal http://de.wikipedia.org/wiki/Mol. Es ist U235,also: genau 235g. Ein Mol von einem reinen stoff mit Atomgewicht xwiegt genau x Gramm und hat genau A teilchen drin, A ist dieAvogadro­zahl.Isotopp> U235 ­> 1 mol wiegt genau 235gIsotopp> U238 ­> 1 mol sind 238gIsotopp> C12 ­> 1 mol sind 12gIsotopp> Wenn es ein Gas wär, wüßtest du auch, es sind 22.4l.

kikka> Ah, OK.

Isotopp> Aber Uran ist ein festes Metall mit einer Dichte von 19.2. Washeißt Dichte 19.2?Isotopp> Wasser hat dichte 1, ein Liter wasser = 1 Kilo.Isotopp> ein Liter Uran = 19.2 KiloIsotopp> Wieviel Volumen haben 235g Uran?Isotopp> 235g/19.2g/ml = 12.2 mlIsotopp> ein Schnapsglas = 20ml = 2clIsotopp> ein halbes Schnapsglas U235 = 3 Bio Joule Bumm beivollständiger Kernspaltung.Isotopp> ein Joule = 1ml wasser wird ein Grad heißer als vorher.Isotopp> Wenn du also ein halbes Schnapsglas U235 hast, wiegt das235g, so viel wie ein Becher Milch. Und wenn du das spaltest, gibt eseinen fiesen Blitz, weil das 100g wasser um 30 mrd grad aufheizenwürde. Und am Ende hast du einen Haufen Alphateilchen und Thorium231. Vermutlich als Dampf. :) Eher als Plasma. Das ist Dampf, der so

heiß ist, daß den Atomen die Elektronen wegfliegen, weils zu warm ist.

kikka> Und warum würde sowas passieren?

Isotopp> Was?

kikka> Warum würde es sich spalten? Was braucht man für eine

Spaltung?

Isotopp> Oh, da schaust du mal Kettenreaktion

kikka>

http://de.wikipedia.org/wiki/Kettenreaktion#Nukleare_Kettenreaktionen

Da?

Isotopp> Genau. Der punkt da ist: um einen Zerfall auszulösen braucht

es etwas, etwa ein Neutron mit der richtigen Energie. Und der Zerfall,

der dann stattfindet setzt wieder Neutronen frei, ggf. mehr als eins. Die

treffen dann stabile Atome im Umkreis, die dann zerfallen und die

setzen wieder Neutronen frei, noch mehr. Manchmal passt es genau,

dann koennen die freigesetzten Neutronen direkt auf die umliegenden

Atome einwirken. Manchmal passt es nicht, dann sind die freigesetzten

Neutronen zu schnell, um bei den umliegenden Atomen den Zerfall zu

triggern. Dann fuegt man noch einen weiteren Stoff dazu, im umfeld,

eine Neutronenbremse. Das nennen wir einen Moderator. Das kann

Wasser sein, oder Kohlenstoff.

kikka> Ansonsten könnte sich das unguenstig ausbreiten, oder wie?

Isotopp> Der Moderator soll auch dazu dienen, generell Neutronen

aufzusaugen, weil wir ja nicht wollen, daß sich in Sekundenbruchteilen

3 Bio J freisetzen und bumm. Sondern weil wir wollen, dass unser

Reaktor mal so grad Wasser am kochen haelt, das dafuer aber fuer

viele jahrhunderte.

Isotopp> "unguenstig ausbreiten" exakt.

kikka> Okay. So, ich versuch dann mal mit meinen Wörtern den

Unterschied zwischen Spaltung und Fusion beschreiben.

Isotopp> Ich hoere.

kikka> Also, bei der Fusion kommt ja noch das Neutron dazu und bei

der Spaltung wird dazu ja nur hohe Rahmenbedingen vorrausgesetzt,

oder so.

Isotopp> Du meinst als Ausloeser?

kikka> Ja.

Isotopp> Ja, aber das ist nur ein technisches Detail. Schau noch mal

auf deine Zeichnung mit der "Bindungsenergie". In der Natur gibt es

etwas, das heisst "Entropie". Alle natuerlichen Prozesse haben eine

Richtung, alles in der Natur versucht immer den energieaermsten

Zustand einzunehmen. Dinge werden von Natur aus immer

unordentlicher und nie von selbst ordentlicher.

Isotopp> Du hast Kernreaktionen, also Umwandlungen von Elementen

in andere Elemente. Bei Fusion entsteht etwa aus Wasserstoff Helium,und bei Fission aus Uran Thorium. In beiden faellen wird"Bindungsenergie" frei, das heisst das Reaktionsprodukt hat wenigerMasse als die Summe der Ausgangsstoffe. Die fehlende Masse, dasist Energie, viel Energie.Isotopp> In Deiner Zeichnung kannst du am linken Rand von H2 aufHe4 über gehen. Das He ist aber etwas leichter als 2 Stück H.

kikka> Ja.

Isotopp> Das ist die Fusionsenergie, die frei wird.

kikka> Also 1 MeV?

Isotopp> mehr.

kikka> Ah, 6 MeV

Isotopp> Ja, von H2 nach He4 in http://www.kernenergie­wissen.de/images/pictures/Bindungsenergie.jpg. Jetzt begriffen?

kikka> Ja.

Isotopp> Okay.

kikka> Das haben wir auch schonmal gemacht.

Isotopp> Die Sonne. Wie generiert sie Energie?Isotopp> so:http://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusion#Kernfusion_in_GestirnenIsotopp> Also, in der Sonne entsteht Helium

kikka> Deuteriumkerne fusionieren zu Heliumkernen?

Isotopp> Ja

kikka> Hmm.

Isotopp> Also 2H + 3H ­> 4He + 1N + ein Haufen MeV

kikka> Sag mal, die Spaltung, gebraucht die schwerere Kerne als dieFusion. Die benutzt ja leichte.

Isotopp> Ja. Schau noch mal in die Zeichnung mit derBindungsenergie. Die Kurve hat ein Minimum. Wo liegt das?

kikka> Zwischen Fe und Sr?

Isotopp> Ziemlich genau bei Fe. Das ist Eisen. Ok, ich habe vorhin dasWort Entropie gebraucht und daß alles im universum immer denenergieärmsten zustand einnehmen will. He ist energieärmer als H.Durch Fuson entsteht aus 2H + 3H ­> 4He + 1n + MeV. Es wird alsoEnergie frei, das Resultat ist um 17 MeV energieärmer. Leichter, dennEnergie ist Masse, sagt Einstein.Isotopp> durch Fission kommen wir ebenfalls auf einenenergieärmeren Zustand. Aber nur, wenn wir mit dicken Kernen

anfangen. Und beim Eisen ist alles aus. Da ist deine Bindungsenergiezwischen den Nukleonen minimal. Soweit klar?

kikka> Da gehts nicht mehr runter, oder wie?

Isotopp> Nein. Siehst du ja am Diagramm. Du kannst von unten anEisen ran mit Fusion, oder von oben an Eisen ran durch Fission. Ok?

kikka> Ja.

Isotopp> Ok, Urknall. Das Universum entsteht. Grosser Blitz, allesPlasma, Dinge kühlen ab, wir haben Wasserstoff. Wie ist das Uranentstanden?Isotopp> Erst mal, wie ist das Helium entstanden? Das ist leicht.

kikka> Durch Fusion von dem Wasserstoff?

Isotopp> Exakt. Isotopp> Und Sauerstoff?Isotopp> http://de.wikipedia.org/wiki/Bethe­Weizs%C3%A4cker­ZyklusIsotopp> Auch durch Fusion, aber eine komplizierte. Diese Fusionwurde 1938 oder so zuerst beschrieben und zwar von Bethe und cfWeizäcker. Das ist der Bruder von Richard Weizäcker, und ein Kieler.

Isotopp> Kiel hat jede Menge tolle Atomphysiker. Der Max Planck zumBeispiel kommt auch aus Kiel.Isotopp> Planck ist ein Supergott der Physik.Isotopp> Planck fragte sich: Wenn so ein Elektrom um einen Atomkernkreist, wieso wird es dann nicht langsamer und fällt in den Kern?

kikka> Weil es abgestoßen wird, oder so?

Isotopp> Der Kern hat positive Ladung, das Elektron negative. Dieziehen sich an. Drum kreist das Elektrom ja. Das ist ja nicht wegenGravitation so, dafür sind die Teile viel zu leicht.Isotopp> Es gibt keine Erklärung dafür, wenn man nicht eine annahmemacht.Isotopp> Und das geht so:Isotopp> Die Umlaufbahn von einem Elektron um den Kern wirdbestimmt durch die energie. Je mehr "Schwung" Du da rein drückst,um so weiter draußen kreist das Elektron. Wenn es Energie verliert,kreist es näher am Kern, es wird dichter angezogen.

kikka> Kann man da Schwung reindruecken?

Isotopp> Ja, das Elektron kann zum Beispiel ein Photon (licht, energie)absorbieren. Dann gewinnt es Energie. Das Photon ist weg, und dasElektron schneller, kreist weiter draussen. Oder das Elektron gehtnäher an den Kern, dazu muß es Energie los werden, abstrahlen. DasElektron gibt ein Photon ab. Wenn das Photon die richtige MengeEnergie hat, ist es im Bereich des sichtbaren Lichtes, dann leuchtetdas material.Isotopp> Planck hat jetzt festgestellt: Atome brechen nicht zusammen.Das kann nicht sein. Er kann berechnen, dass ein Energie verlorengehen müßte, daß Elektronen langsamer werden müßten. Und danachwären wir alle tot, weil es keine kreisenden Elektronen mehr gibt. Das

ist aber nicht der Fall ­ offensichtlich.Isotopp> Daher mußte Planck annehmen, daß es Energie nicht instufenlosen Größen gibt, sondern nur in Energieeinheiten. Es gibtEnergieatome.Isotopp> Und jede Form von Photon, die du siehst, kann nur eineEnergie von x * Grundeinheit sein. Die Grundeinheit von Energie nenntman ein Wirkungsquantum h. Und das ist das nach Max Planckbenannte plancksche Wirkungsquantum. Das Elektron würde alsogerne Energie abgeben und näher an den Kern ran, aber es kannnicht. Es muss mindestens ein h abstrahlen.Isotopp> Das war um 1900, und die Geburtsstunde einer neuenPhysik, nicht stufenlos, sondern auf der Basis von Energieteilchen,Wirkungsquanten. Wir nennen das Quantenphysik.Isotopp> Dummerweise paßt die Mathematik der Quantenphysik nichtzur Mathematik von Einstein, der Relativitätstheorie.Isotopp> Da wird es dann kompliziert, unter anderem, weil wir heute,mehr als 100 jahre später immer noch keine Lösung haben. Unddarum, lieber kikka, haben wir letzte woche den LHC in betriebgenommen. Wegen Einstein und wegen Planck.

kikka> Und der wird dann etwas Neues hervorbringen?

Isotopp> Ja. Wir wissen seit Planck, dass Licht, Wärme und Radio vonTeilchen erzeugt werden. Die Kraft, die wir da haben ist dieelektromagnetische Kraft, Kraft 3 von 4. Und sie wird ausgeübt vonPhotonen.Isotopp> Auch für die weak und die strong force haben wir teilchen,von denen wir wissen, daß es sie gibt, und daß sie die Kraftübertragen.Isotopp> Nur für die Gravitation, Kraft Nummer 4, haben wir das nicht.

kikka> Ich nehme an, sowas kommt im LK Physik in der Oberstufe?

Isotopp> Wo auch immer das Standardmodell besprochen wird.Isotopp> http://de.wikipedia.org/wiki/StandardmodellIsotopp> In dem Artikel heisst es: "Das SM ist eine relativistischeQuantenfeldtheorie". Das kannst du nun verstehen.Isotopp> Relativistisch ist die Mathematik von Einstein.Isotopp> Quantentheorie ist die Mathematik von Planck.Isotopp> Beide passen nicht zusammen.Isotopp> eine relativistische Quantenfeldtheorie, wenn wir sie hätten,würde beides miteinander vereinen. Und ("feldtheorie") erklären, wiedie 4 Grundkräfte des universums miteinander zusammenhängen.Also was Gravitation, Elektromagnetismus, Weak und Strong forcemiteinander zu tun haben. Es wäre eine great unified theory (GUT).Die physik der letzten 100 Jahre, seit Planck, hat nichts anderes zu tungehabt als eine GUT zu finden. Aber uns fehlt dazu ein Teilchen.

kikka> Hm, da von haben die auch in The Big Bang Theory geredet.Isotopp> Wie haben Teilchen die elektromagnetische Kraft (licht,wärme, radio) übertragen, die Photonen. Wir haben Gluonen und so.Aber uns fehlt das teilchen, das Schwerkraft erzeugt, das Graviton.Isotopp> Im Standardmodell heisst das Graviton dashttp://de.wikipedia.org/wiki/Higgs­Boson und der LHC wurde gebaut,

um das Higgs zu finden. Wenn wir es finden und wissen wievielEnergie es besitzt, dann koennen wir die mathematischen Werkzeuge,die wir haben, kalibrieren, also die passenden naturkonstanteneinsetzen. Und dann haetten wir eine GUT. Und die physik haetteendlich fertig. Nach 100 jahren!

kikka> Und dann, würde das wieder neue Fragen aufwerfen?

Isotopp> Aber ja!

kikka> Hmm. Und dann währet ihr wohl sehr glücklich, oder so?

Isotopp> Jeder der mal Physik gemacht hat in den letzten 100 jahrenwär dann sehr sehr glücklich

kikka> Hm. Dann kann dieser LHC ja gutes bringen.

kikka> Was passiert, wenn es dieses Higgs­Boson aber nicht gibt, undder LHC das nicht findet?

Isotopp> Dann können wir eine ganz Menge mathe weg schmeissen.

kikka> Ich mache lieber Hausaufgaben zu Ende.

Isotopp> Zu deinen Hausaufgaben: Du siehst dass durch Fusion ausWasserstoff neue Elemente entstehen. Aber nur bis Eisen rauf.

Isotopp> http://www.kernenergie­wissen.de/images/pictures/Bindungsenergie.jpgIsotopp> Fusion ­> Eisen. Danach muss man Energie aufwenden. Daspassiert nicht, normalerweise, wegen Entropie.Isotopp> Wir haben Urknall, wir haben Wasserstoff, wir haben Fusion,also haben wir HeliumIsotopp> Wir haben bethe­weizäcker, also kriegen wir aus Helium auchC, N und O, und dann durch noch kompliziertere Prozesse auch allesandere bis Fe rauf.Isotopp> aber: Uran existiert. Wo kommt das Uran her?

kikka> Sorry, ich kann momentan nicht mehr denken.

Isotopp> Hatten wir auch noch nicht. Irgendwann einmal besteht derKern eines sterns aus eisen. Eisen brennt nicht mehr durch Fusion.Nix im Stern erzeugt noch Energie, der stern bricht zusammen, weilnichts mehr die Masse des Sterns auseinander drückt. Durch dasZusammenbrechen, das sehr sehr schnell passiert, heizt sich dasPlasma im kern noch mehr auf. Ein riesiger Blitz entsteht.Isotopp> http://de.wikipedia.org/wiki/Supernova#Kernkollaps­_oder_hydrodynamische_SupernovaeIsotopp> "Beim Eisen, dem 26. Element, stoppt die Fusionskette, daEisenatomkerne die höchste Bindungsenergie aller Atomkerne habenund weitere Fusionen Energie verbrauchen statt erzeugen würden. Beider Explosion selbst treten allerdings Bedingungen auf, die zurEntstehung schwerer Elemente wie Gold, Blei, Thorium und Uranführen."Isotopp> kikka: Alles in der Welt, das du siehst, das schwerer ist als

Eisen, ist im Universum in Supernovas entstanden. Du trägst indeinem Körper die Teile von explodierten Sternen.

kikka> Das ist ... weird.

Isotopp> Sterne durchlaufen beim Brennen verschiedene phasen, undmit diesen Phasen auch verschiedene Größen und Temperaturen (diesich als Farben erkennen lassen). Man kann das aufmalen:Isotopp> http://de.wikipedia.org/wiki/Hertzsprung­Russell­DiagrammIsotopp> unsere Sonne ist ein Hauptreihenstern der Spektralklasse G2Isotopp> Schau auf die X­Ache des HR­Diagramms.

kikka> Also in der Mitte?

Isotopp> ja

kikka> OK.

Isotopp> http://de.wikipedia.org/wiki/Spektralklasse#EinteilungIsotopp> Farbe gelb, Temperatur 5000­5900KIsotopp> mit Linien von Ca, FE und anderen Metallen

kikka> Das wird sich dann aber aendern, in einigen Jahren.

Isotopp> http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Bild:Morgan­Keenan_spectral_classification.png&filetimestamp=20060905153134Isotopp> Das brennt schon 5 mrd Jahre, Minimum.Isotopp> und wird mindestens noch mal so lange so bleiben.

kikka> Ach.kikka> Okay.

Isotopp> Der Punkt ist: Teile der Energie einer Nova gehen in denBlitz, andere in die Gewinnung schwerer Elemente. In den Bruchteileneiner Sekunde, die den eigentlichen Novablitz ausmachen, wird durchFusion von eisenkernen und Energie neue, schwerere Masse erzeugt.Alles im Universum, was schwerer als Eisen ist, ist so entstanden.Praktischerweise wird es durch die Explosion auch gleich imUniversum verteilt. So eine nova bläst ja jede menge dreck raus. Ichmeine, da fliegt ein ganzer Stern in die luft.Isotopp> Und diese Energie, die bei der Supernova durch dieseunnatuerliche, Energie kostende Fusion gebunden worden ist, kannspaeter wieder freigesetzt werden, durch Fission. DerEnergieerhaltungssatz ist also nicht verletzt worden, es entsteht nichtenergie aus dem Nichts.

kikka> Okay. Ich denke, das war genug Physik für eine ganze Woche.:) Danke dafür.

Isotopp> Und jetzt weisst du was Fusion mit Fission zu tun hat, undwas sterne mit Nukleonen zu tun haben, was die Physik so ueberhauptdie letzten 100 jahre gemacht hat, wer Feynman, Planck, Einstein undWeizäcker waren, wieso Kiel toll ist, und wieviel ein Mol ist, wasGramm mit Mol zu tun haben, was Gramm mit Milliliter zu tun habenüber Dichte, und wie Gross der Blitz ist, den ein Mol U235 macht. Du

weisst was Alpha, Beta und Gamma­Zerfall ist, was die vierGrundkräfte im Universum sind, und was die Worte GUT undrelativistische Quantenfeldtheorie bedeuten. Und wieso das mit demLHC letzte Woche wichtig war.

kikka> Ich denke, das ganze muss ich nochmal ins Gehirn einprägen.Auf jedenfall. Aber 100 Jahre, und nicht viel hat sich geändert. Ist dasnormal? Gab es das öfters?

Isotopp> Nein. Das ist ein super hartes Problem. Darum ja der ganzeAufstand mit dem LHC. Du musst dir mal vorstellen, die schweizerAlpen, 27 km Tunnel, vier Stockwerke hoch, 100 Meter unter der Erdeund das ist nur der Grosse Ring. Die staerksten Magnete der welt,elektromagnete, super hoch gepowered, so viel strom da drin wie ineiner ganzen Stadt. Damit das geht, alles runter gekuehlt auf 2K (­271Grad C), damit der Mist supraleitend wird. Dann einen Protonenstrahlbauen und da reinschleudern, auf mehrere GeV beschleunigen, einenlinks rum, einen rechts rum. Ein Protonenpaket hat dabei so vielMasse wie ein auf 27km breit gezogenes Sandkorn, aber so vielEnergie wie ein Jumbojet voll TNT. Und dann nimmt man zwei sogrosse pakete und läßt die aufeinander zu rasen, so genau fokussiert,daß die einander tatsächlich treffen, und zwar genau da wo man soeinen Detektor stehen hat und nicht irgendwo im Tunnel.Isotopp> Such mal bilder von einem CERN ATLAS Detektor.

kikka> Habe ich schon gesehen.

Kai reicht mir CMS Detector Assembly und Particle Hunters rein.

Isotopp> Während der Explosion entstehen trümmer, neue Teilchen.Das dauert Femtosekunden. Und in der zeit zeichnen die Dinger datenauf, digital, die werden gespeichert und ausgewertet. CERN generiertTerabytes an Daten pro Sekunde, alles irrelevanter Scheiß. Undirgendwo da drinn steckt das Event, das beweist, daß das Higgsexistiert und wieviel GeV es hat.

kikka> ... OK. Und die müssen es dann raussuchen?

Isotopp> Ja. Und das ueberhaupt zu bauen. Die Physik, die Technik,die IT. Das geht nur heute. Mit technik von 1997, 1987, 1907 geht dasnicht. Und wie aufwendig das ist! Was meinst du, wie unglaublichwichtig Physiker das finden, um sich so was an zu tun?

kikka> Krass, darum der große Aufwand.

Isotopp> Ganz nebenbei entsteht natuerlich noch jede mengepraktische Materialwissenschaft. Um 150 gev auf Protonengröße zufokussieren und das auszuwerten brauchst Du absolute Präzision,supraleitende Magnete, Steuertech und dann das Netz. Alleine derStorage. Die haben fuer CERN neue verteilte Filesysteme entwickelt,neue steuerungs­ und filertechnik, besseres Internet. HTTP und HTMLsind 1994 am CERN erfunden worden von Tim Berners­Lee, damitPhysiker auf Forschungsergebnisse zugreifen konnten.Isotopp> Das schafft also auch reale Werte.Isotopp> Aber eigentlich ist cern und jeder andere

Teilchenbeschleuniger nur gebaut worden weil wir eine relativistischeQuantenfeldtheorie, eine grand unified theory, haben wollen. Weil wirnicht wissen, wieviel GeV das Higgs hat.

kikka> Okay. :)kikka> giga elektronenvolt, nehme ich an.

Isotopp> Das war in etwa das, was man als Laie und ohne Mathe vomuniversum im Grossen und im Kleinen wissen kann.

kikka> wie fein :)

Isotopp> Und wenn man nicht noch mal einen Wikipedia­Dive machenwill.

kikka> Ja. :) .oO(Man, bin ich froh letztes Jahr gewechselt zu haben,jetzt ist das sehr viel härter.)

Isotopp> Mit Mathe wirds dann Unistoff.

kikka> brrr.

Isotopp> Du siehst, wieso ich meine, man hat da leicht Stoff für einReferat von ein paar Stunden, auch ohne Vorbereitung. Die Frage, dieDein Physiklehrer da gestellt hat, ist naemlich am Ende die Frage nachdem Leben, dem Universum und dem ganzen Rest.

kikka> Ich denke nicht, dass er das beabsichtigt hat.kikka> Naja, nochmal danke.kikka> Und gute Nacht!

Isotopp> Jetzt muss jemand dieses IRC Protokoll nur noch aufbereitenund bloggern.

Geschrieben von Kristian Köhntopp in Schulung um 20:58 | Kommentare (17) | Trackback (1)

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Nachhilfe in KernphysikDa soll noch einmal jemand sagen das Chatsystem IRC wäre ein alter Hut. Mit einwenig gutem Willem taugt es als Plattform für die Physiknachhilfe. Wobei es schonentscheidender ist, dass sich jemand die Zeit nimmt etwas zu erklären, der Kanal überden dasWeblog: Die_FarmbloggerAufgenommen: Sep 19, 06:17

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Beeindruckend. Sehr spannend und angenehm zu lesen, vielen vielen dank!Und noch beeindruckender: du hast den ganzen text auf einem E90 geschrieben?#1 Julian am 18.09.2008 22:25

Den größeren Teil davon. Gegen Ende bin ich irgendwann im Hotel gewesen undhabe auf den Laptop gewechselt.#1.1 Isotopp (Link) am 19.09.2008 05:27

Toller Text, verzeih, wenn ich noch ein wenig klugscheissere: Kernspaltung ist nichtder Alphazerfall (Siehe Reaktionsgleichungen hier:http://de.wikipedia.org/wiki/Kernspaltung). Das Higgsboson gibt den AustauschteilchenMasse, während das Graviton nochmal jemand anderes ist, der dann für einequantentheoretische Erklärung der Gravitation sorgt. Das erste ist für die Gültigkeitdes Standardmodells nötig, das letztere ein hypothetisches Teilchen für die TOE. Sostehts zumindest in der Wikipedia, bin auch keine Teilchenphysikerin.#2 Sophie am 19.09.2008 07:38

Vielen Dank fuer die interessante Lektion. Ich wuenschte, unsere Profs haetten dasdamals auch so einfach erklaert.. mir war bis eben naemlich auch noch nicht so ganzklar, was die da in CERN momentan wirklich erreichen wollen.Ich mein.. dass die da irgendwelche Teilchen aneinanderschmeissen, das tun die jaseit Jahren.. aber warum da jetzt auf einmal so ein Brimborium drum gemacht wird,versteh ich erst jetzt.#3 Woo (Link) am 19.09.2008 09:10

Hm, um es mal mit den Worten von Zefram Cochrane zu sagen: "Schulwissen?!?".Hab LK Physik gehabt und das Zeug sogar drei Semester lang studiert. Trotzdem sindnicht so viele Details hängen geblieben. Also gib zu: wieviel hast du selbstzwischendurch nachschauen müssen ;­)?#4 Cybso (Link) am 19.09.2008 12:44

Ich habe nebenbei immer mal in die Wikipedia geblinzt, um die richtigen Worte zufinden und zu schauen, ob die Erklärungen da auch für einen 14/15­Jährigenzugänglich wären. Aber die Zusammenhänge und wieso man LHC haben will etc.sind schon so grob im Kopf.

Natürlich Schulwissen. Wir haben ja nicht Texas hier, bei uns wird keinKreationisten­Aberglaube gelehrt. Noch. Und das bleibt besser auch so, sonsthaben wir 3050 hier wirklich ComStar.#4.1 Isotopp (Link) am 19.09.2008 12:55

Ich glaube das buchstabiert man "Saffron Cockring."#4.2 Azundris (Link) am 20.09.2008 10:45

Pfft. Wenn der Lehrer schon DIE Frage stellt, dann gib wenigstens auch die richtigeAntwort. :­)#5 Balu (Link) am 19.09.2008 17:10

Für Jugendliche gibt's die Rapversion: http://www.youtube.com/watch?v=j50ZssEojtM ;­)#6 Ryu am 20.09.2008 16:45

Hut ab, das war richtig gut, sozusagen "Gala" für Männer: "Champagner zum Lesen".Richtig gut war der Text nicht nur deswegen, weil er viele Gebiete streifte, sondernregelrecht einen Bogen darüber spannte.

Minimaler Mecker am Rande: J cal.

Ansonsten hätte ich es ­ auch schon als Schüler ­ sehr begrüßt, wenn wir auch nur 1/5

dieses Stoffes behandelt hätten. Aber im ganzen zwei nichtzusammenhängende

Halbjahre Physik in 14 Jahren auf einem neusprachlichen Gymnasium ließen dies

nicht zu. Wenn dann noch der Physikleerer nicht erklären kann, warum es sinnvoll ist,

Geschwindigkeit als Vektor zu definieren ...

Whatever, danke für einen schönen Abend mit spannendeer Lektüre.

#7 Hans Bonfigt am 20.09.2008 19:46

am besten gefällt mir diese stelle

­­snip­­

Isotopp> Wenn du also ein halbes Schnapsglas U235 hast, wiegt das 235g, so viel wie

ein Becher Milch. Und wenn du das spaltest, gibt es einen fiesen Blitz[..]

Das ist Dampf, der so heiß ist, daß den Atomen die Elektronen wegfliegen, weils zu

warm ist.

­­snapp­­

das tolle, das klappt auch mit alloholl.

aber warum muss man mehr als ein halbes schnapsglas davon kippen? liegt das an

der kritischen masse? ;­)

grüssle

#8 rm am 23.09.2008 12:21

> Hut ab, das war richtig gut, sozusagen "Gala" für Männer: "Champagner zum

Lesen".

> Richtig gut war der Text nicht nur deswegen, weil er viele Gebiete streifte,

sondern regelrecht einen Bogen darüber spannte.

full ack, danke fürs bloggen des ganzen!

#8.1 Finkregh (Link) am 24.09.2008 13:53

"Gala" für Männer: nein. Für Männer vielleicht (die überschätzen eindeutig den

Lesegenuss, der sich aus einer Gala ergibt), für Frauen nicht (für die, die wissen,

was in der Gala steht). "Champagner zum Lesen": ja, stimmt. Und sehr nah dran

an "Bis Einstein kam" ­ ein Buch, das den Spirit dieser Konversation enthält.

#8.1.1 Judith Andresen (Link) am 25.09.2008 07:58

Manchmal bin ich ganz froh, daß ich mit Physik nie wirklich viel am Hut hatte.

#9 Mark (Link) am 30.09.2008 09:07

http://www.sciencedaily.com/releases/1997/09/970918045841.htm

#10 Isotopp (Link) am 20.11.2008 12:18

Hi Kris,

sehr cool danke ­ so habe ich den CERNTV­channel auf YT gefunden...

cheers

GG

#11 Guy Gaz am 28.01.2011 12:59

Hatte wirklich gute Lehrer, aber das hier ist so was von großartig! :)

#12 vera (Link) am 13.12.2011 12:14

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