Frage zum Massendefekt, Bindungsenergie und dem Energiegewinn daraus

[Hanke]

Da hier einige Naturwissenschaftler lesen, mal eine Frage, die mich seit einigen Tagen beschäftigt, und ich einfach nicht draufkomme.

Wenn man Atome verschmilzt/spaltet entsteht ja üblicherweise Energie, und es geht Masse verloren. Aber wie bekomme ich da die Energie raus? Ich haue Deuterium und Tritium zusammen, bekomme Helium, Masse fehlt, aber woher kommt die zusätzliche Energie? Oder ich spalte Uran, bekomme Yttrium und Iod, wieder fehlt Masse, aber ich verstehe nicht, wie da Energie rauskommt. Wegen e=mc², schon klar, aber ist die Energie nicht im Kern, wegen der höheren Bindungsenergie?

Evtl. ein Erklärungsansatz, ich habe während dem Schreiben noch mehr nachgelesen: Die Kerne von Deuterium und Tritium (oder welcher zu verschmelzende Kern auch immer) sind nicht so gut aneinander gebunden und flitzen noch lustig durch die Gegend, wenn man sie dann zusammendrückt, bewirkt die Bindungsenergie, dass sie abgebremst werden und nicht mehr so schnell herumdüsen können. Durch die Abbremsung wird Energie in Forum von Hitze frei?

Bei Spaltung ist es quasi dasselbe, nur dass z.B. in Uran die Bindungsenergie niedriger ist, als in den Spaltprodukten, also im Urankern geht es recht locker zu, nach der Spaltung sind die Kerne wesentlich stabiler und durch die Abbremsung wird Energie frei?

Falls das stimmt, wie läuft das dann ab, wenn ich unter Energieverlust Kerne spalte/fusioniere? Jeder, der bis hier gelesen hat, sollte diese Bindungsenergiekurve kennen, die im Bereich Eisen/Nickel abflacht und dann abfällt. Unter Energieaufwand drücke ich zwei Kerne (irgendwelche nach Nickel, also die Bindungsenergie pro Nukleon nimmt ab) zusammen, im Endprodukt ist die Bindungsenergie aber nicht so hoch, und ich habe dann quasi viel Energie zugeführt, es wird dann aber keine "Bremsenergie" frei?


Sind meine Überlegungen halbwegs auf dem richtigen Weg, oder ist das obige Blödsinn? Ich bin schon ziemlich verwirrt und kenne mich kaum noch aus.

 

[claus]

Ich bin nicht ganz fit in dem Bereich, aber im atomaren Bereich gibt es meines Wissens primär starke und schwache Wechselwirkung, durch die die Teilchen zusammengezogen werden und elektrische Kräfte zwischen den Protonen (Abstoßung).

Bei der Fusion kommt die Energie daher, dass die anziehenden Kräfte letzten Endes stärker sind als die abstoßenden (man muß die Teilchen aber erst nahe genug zusammenbekommen, weshalb Wasserstoff nicht einfach so fusioniert).
Bei den schwereren Atomen sind in der Regel zu viele Protonen beteiligt, man muss mehr Energie zuführen als am Ende frei wird. Bei sehr großen Atomen wird das ganze immer instabiler, so dass diese teilweise auch unter relativ normalen Bedingungen zerfallen/radioaktive Strahlung abgeben.



E=mc^2 bedeutet letzten Endes das Masse eigentlich auch nur Energie ist.

PS: Ein entladener Akku ist leichter als ein geladener, verschwindet nur in der Messgenauigkeit.

 

[swoptrok]

Durch die Abbremsung wird Energie in Form von Hitze frei?

Nein. Energie wird frei, weil sich die Masse in diese umwandelt.
Das mag außerhalb der gewöhnlichen Vorstellung liegen, da ist nichts mit abbremsen und Hitze, ist aber so.

Du hast es schon gesagt: E=mc²
Masse wird zu Energie. Zack. Das ist eine völlig neue Vorstellung die du da haben musst und nicht mit klassischer Mechanik zu vergleichen.

Edit: Merke grad meine Formulierung ist nicht so, aber da werden morgen sicher noch einige Klugscheißer wach werden und mich korrigieren/präzisieren

 

[quickblade]

Physik ist zwar schon ein paar Jahre her, aber soweit ich mich daran erinnere werden bei der Kernspaltung neben den Tochterkernen (In deinem beispiel Yttrium und Iod) noch weitere Kernteilchen frei. Die am einfachsten Messbaren sind in diesem Fall eben das Alpha Teilchen, Beta- und Gammastraheln, sowie Neutronen.
Die Freiwerdende Energie ist dann in der Bewegungsenergie der Teilchen gebunden. Bremst du diese Teilchen ab (bzw im Fall eines Gammaquants musst du das Quant mit einem anderen Atom absorbieren) wird die Energie in Wärme umgewandelt. Eine bildhafte Vorstellung ist Reibung.
Auf diese Art kann die Energie dann technisch nutzbar gemacht werden.

 

[claus]

Ja bei der typische Kernspaltung kriegt man immer 1-3 Neutronen (wobei man in den Kernreaktoren auch immer ein Neutron mit der richtigen Geschwindigkeit zum Starten braucht und deshalb in der Regel Wasser zum Abbremsen der Neutronen verwendet) und Gammastrahlung.

Alpha und Betastrahlung wird bei der typischen Kernspaltung meines Wissens nicht unbedingt abgegeben, da aber sowieso quasi alles bei der Kernspaltung auch radioaktiv strahlt, hat man die natürlich trotzdem.

Nutzen tut man natürlich die innere Energie des Wassers, mit der man bei den neueren Kraftwerken Wasser in einem zweiten Kreislauf, das dann eine Turbine antreibt, verdampft. Kommen tut die Energie aber wie schon gesagt wurde von der verlorengegangenen Masse.

Dann zur Bindungsenergie: Das ist die Energie die zum Trennen der Bindung aufgebracht werden muss, d.h. ein Atom ... mit hoher Bindungsenergie hat selbst quasi wenig Energie, man muss viel reinstecken um es zu zerlegen.

 

[nike7x]

Massendefekt:
Stell dir vor zu zerflückst ein Element, lässt die Elektronen munter entflüchen oder einfach auf dem Schneidebrett oder Zerflückungsapperat liegen und kümmerst dich jetzt nur noch um die Nukleonen. Jetzt fängst du, einem Krabbenpuler gleich, den Atormkern auseinander zu friemeln. Protonen und Neutronen werden dann einzeln in ein Schälchen gelegt. Dann holst du dir ne Waage und fängst alle Protonen und Neutronen einzeln zu wiegen. Am Ende zählst du alle Massen zusammen, du erhälst die Masse des Atomkerns. Soweit so logisch und aus dem Alltäglichen nachvollziehbar.

Bsp: Nimmst du nen Turm aus Legosteinen wiegst ihn, baust ihn dann auseinander und wiegst dann Stein für Stein, so ist die Summe der einzelnen Steine gleich der Masse des Turmes.

Gut, dann kann ich ja jetzt meine ganzen Neutronen wieder in einen Zusammenbastelautomaten, stecken und erhalte einen Atomkern der so schwer ist wie die Summer seiner Bestandteile. Denkste Puppe! Wiege ich den Atomkern jetzt im Ganzen so ist er leichter als die Summer seiner Einzelteile.
An dieser Stelle widerspricht es vollkommen der Alltagserfahrung und immer wenn etwas nicht in unser bekanntes Schema passt werden wir unsicher (Wie bei der Stochastik in der Mathematik).

Warum ist der ganze Kern nun leichter?
Das ist nur mich dem relativistischen Ansatz zu erklären. Wie du gesagt hast, scheint E = mc² zu gelten, was nichts anderes bedeutet, als dass Masse in Energie und Energie in Masse umgewandelt werden kann.

Würde man die ganzen Protonen und Neutronen einfach so wieder zusammenführen so bleibt das Gebilde nur solange stabil wie man es von Außen mit den Händen zusammendrückt. Nun haben wir leider nicht genug Menschen und Hände um alle Atormkerne in ihrer schönen Form zu halten und auch die Größenverhältnisse passen nicht so wirklich. Die Kraft die Einzelteile zusammenzuhalten muss also irgendwoher anders kommen. Das Wort Kraft passt zwar wenn die Hände etwas zusammendrücken, genauer gesagt benötig man jedoch eine Energie die das Ganze zusammen hält.

Aber da oben stand doch schon was von Energie, können wir die nicht nehmen?
Joar können wir, aber die kommt nicht aus dem Nichts. Die Energie die nötig ist um den Kern stabil zusammen zu halten, bekommen wir nur wenn wir dafür etwas Masse opfern. Also werden munter Spenden gesammelt und alle geben ein wenig Masse in nen großen Topf um daraus die benötigte Energie für den Zusammenhalt zu erlangen.
Nun ist zwar jeder leichter, aber es wohnt sich nun behaglich gut zusammen und alle sind zufrieden.

Der Masseeffekt entsteht also durch die Umwandlung von Masse in Energie, besser gesagt Bindungsenergie.

Summe der Massen der einzelnen Nukleonen = Masse des gesamten Atomkerns + Bindungsenergie

 

[Hanke]

Danke erstmal für eure Antworten. Scheinbar seid ihr euch alle nicht so ganz einig Dass bei Kernspaltungen und Fusionen zusätzlich noch etwas mehr als die neuen Kerne freigesetzt wird, war mir schon klar, ich habe die aber weggelassen, weil ich so schon verwirrt genug bin, und weil die in meinem Glauben nicht wirklich zum eigentlichen Thema beitragen, nämlich wie Energie rauskommt.

Energie soll also freiwerden, indem ich die Kerne zusammendrücke, und die Atome dann durch diese Energie zusammenbleiben (in einer Vorlesung wurde das mit Klebstoff verglichen - wenn man was zusammenklebt ist es sehr schwer das zu trennen und man müsste einen Haufen Energie dazu aufwenden), die Kerne bleiben dann zusammen (jaja, sie geben noch Masse ab), ohne weitere Einwirkung von außen? So wie Klebstoff halt? Nur ist es halt ungemütlich und eng, und so geben sie ein bisschen Energie=Masse ab, die dann nutzbar wird? Oder kann ich mir das eher so vorstellen, dass die Kerne mehr Bindung haben wollen, um stabiler zu sein. Quasi stabiler=besser, so wie die Edelgasform bei chemischen Bindungen? So geben sie halt gerne etwas Masse ab, um stabiler zu sein.

Ebenso beim Spalten, ich haue auf den Urankern drauf, und in den entstehenden Kernen können sie sich endlich toll und stabil binden, und geben Masse in Form von Energie ab? Wenn ich diese Kerne dann aber wieder zu Uran zusammenbauen möchte, ist dort die Lage etwas schwieriger, weil alles so eng ist, und die Kernbindungen sind nicht so toll, somit können die Einzelteile wieder schwerer sein, und nehmen dadurch Energie auf? Umgekehrt, wenn ich Helium in Tritium und Deuterium zerlegen möchte, haben die dort nicht so tolle Bindungsmöglichkeiten und nehmen Energie auf, weil sie an Masse zulegen?