Bild: Lawrence Livermore National Laboratory, CC-BY-SA 3.0

Ich hätte gern, das mir jemand erklärt wie Kernfusion funktioniert. Also jetzt nicht die Sache mit den Kraftwerken. Sondern die Grundlage: Wenn man die Kerne leichter Atome, wie zum Beispiel des Wasserstoff nahe genug aneinander bringt, verbinden sie sich zu Kernen schwerere Atome, wie etwa Helium. Dabei wird Energie frei. Warum ist das so?

Ich hab das natürlich während meines Studiums gelernt; ich kenne die entsprechenden physikalischen und mathematischen Gleichungen und das Thema eigentlich verstanden. Aber ich bin mir nicht sicher, ob ich es wirklich auf einer so fundamentalen Ebene so absolut verstanden habe, dass ich auch in der Lage bin, es Leuten ohne entsprechende Vorbildung anschaulich zu vermitteln. Und genau das ist der Punkt um den es mir geht!

Ein Beispiel: Im Lehrbuch “Einführung in Astronomie und Astrophysik” von Arnold Hanslmeier steht zu dem Thema:

“Vor einem Kernfusionsprozess sei die Masse der betroffenen Kernen i Σ Mi, nach der Fusion Mp. Die Masse der fusionierten Kerne ist leichter als die Masse der Ursprungskerne und der fehlender Betrag, Massendefekt, ΔM, beträgt ΔM=Σ Mi-Mp und dieser wird nach Einstein in Energie umgewandelt: E=ΔMc²

Gut, so weit, so klar und das ist ja eine der Standarderklärungen die man zu dem Thema findet. Die Masse des fusionierten Kerns ist geringer als die Gesamtmasse der Kerne die vor der Fusion vorhanden waren. Und diese überschüssige Masse ist genau die Energie, die bei der Fusion frei wird. Was hier aber nicht erklärt wird: WIESO ist die Masse des fusionierten Kerns geringer?

Hier muss man jetzt über die Bindungsenergie sprechen. Das ist die Energie durch die die Bausteine des Atomkerns aneinander gebunden sind. Es braucht Energie, wenn man so einen Atomkern in seine Bestandteile zerlegen will und diese Energie ist die Bindungsenergie. Die Wikipedia sagt zum dem Thema zum Beispiel:

“In der Kernphysik ist die Bindungsenergie die Energiemenge, die aufgewandt werden muss, um den Atomkern in seine Nukleonen zu zerlegen. Umgekehrt wird eine ebenso große Energie frei, wenn sich Nukleonen zu einem Kern vereinigen. Die Bindung kommt durch die anziehende Kraft der starken Wechselwirkung zwischen benachbarten Nukleonen zustande. Diese überwiegt die gegenseitige Coulomb-Abstoßung der elektrisch positiv geladenen Protonen im Kern. Die maximale Bindungsenergie pro Nukleon wird bei Nickel-62”

Dazu gibt es dann meistens Bilder wie das hier zu sehen:

Leichte Kerne haben also eine geringe Bindungsenergie; schwerere Kerne eine größere (und hinter Nickel dreht sich das ganze wieder um) Bindungsenergie. Aber auch hier kriege ich Probleme, wenn ich mir das anschaulich vorstellen will. Ich habe zwei leichte Kerne mit geringer Bindungsenergie. Daraus mache ich einen Kern mit größere Bindungsenergie. Wo in diesem Prozess aber kommt nun die Energie her, die frei wird? Wenn ich zum Beispiel zwei Kerne mit einer Bindungsenergie von je 2 Energieeinheiten zu einem Kern fusionieren, der eine Bindungsenergie von 6 Energieeinheiten habe, dann fehlen mir ja eigentlich 2 Energieeinheiten. Wieso wird dann Energie frei?

Weil die Bindungsenergie eine negative Größe ist und damit am Ende eben was übrig bleibt; das ist das was mir die entsprechende Mathematik sagt. Aber wie kann man das veranschaulichen? Es geht mir explizit nicht darum, das Phänomen der Kernfusion an sich zu erklären; für sowas gibt es Lehrbücher, ein Studium, und so weiter. Ich suche nach einem Weg wie man diese absolut nicht intuitiven Vorgänge anschaulich machen kann. Was soll es bedeuten, dass die Bindungsenergie eines Atomkerns negativ ist? Wie kann man sich das vorstellen; ohne komplizierte Diagramme und mathematische Formeln?

Ich habe diese Frage kürzlich auf Twitter gestellt und daraus hat sich eine heftige Diskussion entwickelt. Da war alles dabei: Erklärungsansätzer die noch tiefer in komplexe Themen abgetaucht sind wie Tröpfchenmodell des Atomkerns oder Quantenfelder. Versuche das ganze durch den Vergleich mit Schulden, Gravitationspotentiale oder Seifenblasen anschaulich zu erklären. Und so weiter. Aber so richtig und absolut zufriedenstellend war das alles nicht. Am Ende blieb immer ein kleiner, nerviger Gedanke im Gehirn der darauf beharrt, dass da irgendwas nicht stimmen kann.

Die Kernfusion ist physikalisch verstanden; sehr gut sogar – in der Hinsicht gibt es keine Probleme. Aber ich bin immer noch auf der Suche nach einer anschaulichen Erklärung. Und ich lasse auch “Man kann halt nicht alles anschaulich erklären!” nicht gelten. Ja, es gibt Sachen die man nicht anschaulich erklären kann, weil sie nicht anschaulich sind; alles was mit irgendwelchen höherdimensionalen Räumen usw zu tun hat. Aber ich bin mir absolut sicher, dass man für die Sache mit der Kernfusion ein Bild finden kann, das auch Menschen ohne Physikstudium klar macht, wieso man Energie gewinnen kann wenn man zwei leichte Atome zu einem schweren Atom zusammenpappt!

Was passiert dort, wo der “Bang” im Bild ist?! (Bild: gemeinfrei)

Ich habe jede Menge Ansätze durchprobiert; ich hab versucht die Bindungsenergie mit Schulden zu vergleichen; mit einer zu zahlenden Miete bzw einer Mietkaution, die nach einem Auszug wieder ausgezahlt wird; ich hab über Kugeln aus geschmolzenen Gummibären nachgedacht die aneinanderkleben und bei der Trennung Teile von sich selbst verlieren, und so weiter. Am Ende bin ich zu einer Erklärung und einem Bild gekommen, mit dem ich mehr oder weniger (aber auch nicht zu 100 Prozent) zufrieden bin. Das könnt ihr am Freitag in der kommenden Folge 363 meines Sternengeschichten-Podcasts hören (bzw. in der Transkription hier im Blog dann auch lesen). Aber ich dachte, ich stell die Frage einfach mal auch dem Rest der Welt!

Ich weiß, dass in der Leserschaft meines Blogs jede Menge schlaue Menschen zu finden sind. Und rufe euch daher auf: Erklärt die Kernfusion! Wie funktioniert dieser Prozess bei der man aus leichten Atomen schwere Atome macht und dabei Energie gewinnen kann? Und mit welchen Bildern, Vergleichen (oder vielleicht sogar Experimenten?) kann man das anschaulich darstellen? Ihr könnt eure Erklärung hier in die Kommentare schreiben; ihr könnt auch einen Text schreiben und ihn mir per Email schicken (am besten bis 17. November) – den veröffentliche ich dann gerne hier als Gastbeitrag. Ihr könnt auch ein Video aufnehmen; ein Bild zeichnen oder was euch sonst noch so einfällt um diese Sache mit der Fusion anschaulich zu erklären!

Als Anreiz gibt es auch was zu gewinnen! Die Erklärungen die mir am besten gefallen werden mit Preisen belohnt. Es gibt Bücher (mein neues Buch zum Beispiel, aber auch andere). Ich hab auch noch ein paar Freikarten für Shows der Science Busters und andere nette Sachen die ich als Preise vergeben kann. Ich würde mich freuen, wenn ihr mitmacht. Am meisten würde ich mich aber freuen, wenn ich danach diese Sache mit der Kernfusion endlich vernünftig verstanden habe 😉

Kommentare (85)

  1. #1 Robert
    Minga
    4. November 2019

    “Wenn ich zum Beispiel zwei Kerne mit einer Bindungsenergie von je 2 Energieeinheiten zu einem Kern fusionieren, der eine Bindungsenergie von 6 Energieeinheiten habe, dann fehlen mir ja eigentlich 2 Energieeinheiten. Wieso wird dann Energie frei?”

    Deine Rechnung stimmt nicht, weil das Diagramm die Bindungsenergie _pro Nukleon_ zeigt. Die Zahl der Nukleonen im Prozess ist konstant.
    Aber ich schreibe Dir auch gerne einen Text zum Tröpfchenmodell.

  2. #2 alex
    4. November 2019

    Was soll es bedeuten, dass die Bindungsenergie eines Atomkerns negativ ist?

    Vermutlich habe ich das Problem nicht verstanden. Aber für stabile Systeme ist die Bindungsenergie doch immer negativ. Denn das bedeutet doch einfach nur, dass das gebundene System weniger Energie hat als das in seine Einzelteile zerlegte System. Oder anders ausgedrückt: Man muss Energie aufwenden, um das System zu zerlegen. Wäre die Bindungsenergie positiv, so würde man Energie herausbekommen, wenn man das System zerlegt. Dann könnte es aber nicht stabil sein und es würde spontan zerfallen (es sei denn, es gibt eine sehr hohe Barriere dazwischen).

    Die interessantere Frage scheint mir zu sein, warum ausgerechnet Eisen die betragsmäßig größte Bindungsenergie pro Nukleon hat, und warum diese Größe sowohl für kleinere als auch für größere Kerne kleiner ist.

  3. #3 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @Robert: “Deine Rechnung stimmt nicht, weil das Diagramm die Bindungsenergie _pro Nukleon_ zeigt. Die Zahl der Nukleonen im Prozess ist konstant.”

    Ja, im Diagramm. Aber ich hab das jetzt zu ganzen Kernen zusammengefasst. Hätte auch schreiben können: 2 Atomkerne mit je 2 Nukleoen zu je 1 EE, macht insgesamt 4. Geht ja auch nicht um die konkreten Zahlenwerte sondern das Prinzip an sich.

  4. #4 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @alex: “Die interessantere Frage scheint mir zu sein, warum ausgerechnet Eisen die betragsmäßig größte Bindungsenergie pro Nukleon hat, und warum diese Größe sowohl für kleinere als auch für größere Kerne kleiner ist.”

    Das kann man gut durch die Anzahl von Protonen und Neutronen und das Wechselsspiel zwischen Coulomb-Kraft und starker Kernkraft erklären. Aber das mit der negativen Energie mag für Leute anschaulich sein, die Vorwissen haben. Aber eine negative Energie ist NICHT intuitiv verständlich; genau darum gehts mir.

  5. #5 Robert
    Minga
    4. November 2019
  6. #6 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @Robert: Oh, der gefällt mir gut! Vor allem, weil er die Bindungsenergie ganz vermeidet (und die verwirrende Sache mit dem negativen Vorzeichen). Bei der Grenzflächensache ist es viel logischer. Je kleiner die Grenzfläche, desto weniger Energie braucht es dafür. Wenn ich dich Grenzfläche verkleinere, wird also Energie frei. Sehr schön!

  7. #7 Alfred Bär
    Wien
    4. November 2019

    S.g. Hr. Freistätter!
    Ihre o.a. Betrachtungen der Kernfusion erfolgen auf Basis der “klassischen Physik” – nur müßten Sie dieses Problem im Licht der “speziellen Relativitätstheorie” (SRT) betrachten, deren Ausführungen dazu den Rahmen hier sprengen würde. Nur als Gedankenanstoß soviel: In der SRT ist da eben 2 + 2 nicht gleich 4 sondern 4,…..
    MfG.
    A. Bär

  8. #8 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @Alfräd Ber: Vielen Dank. Ist aber leider jetzt nicht sehr hilfreich was meine Frage angeht. Wenn in der SRT 2+2 ungleich 4 ist, dann kann man das doch sicher auch ein wenig ausführlicher und verständlicher erklären. Ich weiß zumindest, dass man die SRT selbst durchaus laientauglich vermitteln kann…

  9. #9 orinoco
    4. November 2019

    Um die Herausforderung der Anschaulichkeit noch etwas größer zu machen: Warum fusionieren überhaupt Atomkerne, wenn doch die EM-Abstoßung eigentlich viel zu hoch ist (die Temperaturen im Sonnenkern sind ja eigentlich und hier auf der Erde nicht ausreichend für Fusionen)? Und warum ist mit der Energiegewinnung beim Eisen Schluß bzw. warum ergibt einmal die Kernspaltung und einmal die Fusion Energie?

    Was ich immer besonders einleuchtend fand, war die Erklärung eines Kommilitonen im Studium, der mir sinngemäß sagte: “Kernreaktionen sind im wesentlichen das Gleiche wie chemische Reaktionen: es wird immer Masse in Energie umgewandelt. Nur sind die Elektronen eben sehr, sehr viel leichter als die Nukleonen, weshalb bei Kernreaktionen verhältnismäßig sehr, sehr viel mehr Masse in Energie umgesetzt wird, als bei chemischen Reaktionen.” Also das Gleiche in grün, nur sehr viel krasser.
    Und bei chemischen Reaktionen finden wir es ja auch “normal” dass Energie frei oder aufgenommen wird, obwohl es genau genommen ja auch Prozesse sind, die ohne Quantenphysik nicht erklärbar sind und für die man sich beliebig komplizierter Modelle bedient.

  10. #10 MartinB
    4. November 2019

    Ich bin immer noch nicht so ganz sicher, was du eigentlich erklärt haben möchtest:
    1. Den Bindungsmechanismus der Kernenergie (in anschaulich) oder
    2. Die Tatsache, dass Bindungsenergien generell negativ sind.
    Oder beides?

  11. #11 Captain E.
    4. November 2019

    @orinoco:

    Es gibt (soweit ich weiß) auf jeden Fall die Parallele, dass man entweder ein wenig Energie hineinstecken muss, damit der Ausgangsstoff sich auf einem niedrigeren Energielevel in anderer Anordnung stabilisiert und Energie frei wird, oder man muss viel Energie zuführen, um ein höheres Energielevel erreichen, auf dem dann auch eine Quasistabilität erreicht wird.

    Gut, so richtig anschaulich ist das natürlich auch nicht. 🙂

    Ein ähnliches Phänomen scheint es bei Himmelskörpern zu geben. Die krümmen (laut Einstein) den Raum um sich herum. Diese Krümmung entspricht einer bestimmten Energie, die als Masse wahrgenommen wird. Verschmelzen zwei Schwarze Löcher, arrangiert sich die Raumkrümmung um das größere Schwarze Loch neu, und zwar auf einem niedrigerem Energieniveau. Der Rest wird dann per Gravitationswellen abgestrahlt – und tritt auch als eine Art “Massendefekt” auf. Es “fehlen” jedenfalls schon mal nach der Verschmelzung ein paar Sonnenmassen.

  12. #12 Alderamin
    4. November 2019

    @Florian

    Eigentlich ist es doch ganz einfach: Wenn ich einen Stein hochhebe und fallen lasse, wird Energie frei, weil die Gravitation der Erde ihn anzieht. Ich muss Arbeit aufwenden, um ihn hochzuheben und die wird wieder frei, wenn ich ihn loslasse. Die freiwerdende Energie ist Strahlung, normalerweise ein bisschen Wärme. Das kann eine Menge Wärme sein, wenn es kein gewöhnlicher Stein ist, sondern ein Asteroid, der aus großer Entfernung mit Fluchtgeschwindigkeit einschlägt, dann ist es die Energie von Atombomben.

    Die starke Kernkraft wirkt gleichfalls anziehend. Wenn die Kernteilchen sich nahe genug kommen, zieht die starke Kernkraft sie aufeinander zu und Energie wird frei (als Strahlung), wie beim Fallenlassen eines Steins. Um sie wieder zu trennen, muss ich Arbeit gegen die Kernkraft aufwenden (wie beim Aufheben eines Steins).

    Wenn man die Teilchen im Unendlichen mit Energieniveau 0 ansetzt, dann müssen die verbundenen Teilchen negative Energie haben, denn ich komme ja nur dann durch Hinzufügen von Energie (der Arbeit für’s Trennen) auf 0, wenn ich bei einem negativen Wert starte. Der Nullpunkt ist dabei völlig willkürlich festgelegt, wie bei der Celsiusskala. Null im Unendlichen ist praktisch, da eindeutig (bei mathematischem Abstand 0 geht’s ja gegen unendlich).

    Erschwerend hinzu kommt die elektrische Abstoßung der Protonen, die genau umgekehrt wirkt und die man zuerst überwinden muss. Wenn die nicht wäre, würden alle Kerne sofort miteiander verschmelzen. Und die sorgt auch dafür, dass schwere Kerne instabiler sind und Neutronen als zusätzlichen Kitt brauchen.

    Wirkte die elektrische Abstoßung alleine, dann müsste man Energie aufwenden, um Kernteilchen zusammen zu bringen (Energieniveau 0 im Unendlichen, positiv bei kleinerem Abstand). Und das muss man ja tatsächlich, bis zu dem Punkt, wo die Kernkraft greift. Deswegen braucht es hohen Druck und Temperatur, d.h. die Teilchen müssen so viel Bewegungsenergie haben, dass diese die Arbeit gegen die elektrische Abstoßung leisten kann, die nötig ist, um die Teilchen auf Reichweite der starken Kernkraft zusammen zu bringen.

    So würde ich es erklären.

  13. #13 Captain E.
    4. November 2019

    @MartinB:

    Ich bin immer noch nicht so ganz sicher, was du eigentlich erklärt haben möchtest:
    1. Den Bindungsmechanismus der Kernenergie (in anschaulich) oder
    2. Die Tatsache, dass Bindungsenergien generell negativ sind.
    Oder beides?

    Ich könnte mir vorstellen, dass es der scheinbar paradoxe Umstand ist, dass etwa bei der Kernfusion nach der erfolgten Fusion mehr Nukleonen aneinander gebunden sind als zuvor, die freiwerdende Energie aber als “Bindungsenergie” bezeichnet wird. Ganz krasser Fall, der ständig im Universum geschieht: Vier Protonen fusionieren zu einem Atomkern, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen (durch entsprechende Umwandlung) besteht, und es wird ziemlich viel Energie freigesetzt. Wo steckt aber in einem einzelnen Proton Bindungsenergie, die man freisetzen können soll?

  14. #14 alex
    4. November 2019

    @Florian:

    Das mit der negativen Bindungsenergie ist ja auch keine Erklärung, sondern nur eine Beschreibung. Wenn das tatsächlich unanschaulich ist (ich kann das leider nicht beurteilen), dann lässt man das eben weg.

    Wenn man einen Helium-4-Kern in seine Bestandteile zelegen will, muss man dafür Arbeit leisten, denn die Nukleonen ziehen sich gegenseitig an. Wegen Energieerhaltung bekommt man dann Energie heraus, wenn man zwei Protonen und zwei Neutronen zu einem Helium-4-Kern zusammensetzt.

    Da fehlen natürlich extrem viele Details, aber wenn man die wirklich erklären will, kommt man vermutlich nicht um das Tröpfchenmodell oder ähnliches herum.

    Aber an dem Grundprinzip (der Ausgangszustand der Reaktion ist energiereicher als der Endzustand) ist nichts spezifisch kernphysikalisches oder quantenmechanisches. Deshalb verstehe ich auch nicht wirklich, worauf du hinaus willst.

  15. #15 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @MartinB: “Ich bin immer noch nicht so ganz sicher, was du eigentlich erklärt haben möchtest:”

    Kernfusion; also den Prozess, bei dem aus der Fusion leichter zu schwerer Kerne Energie frei wird und das anschaulich. Wenn man dazu Bindungsenergie braucht, dann auch die. Wenn nicht, dann nicht.

  16. #16 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @Alderamin: “Wenn ich einen Stein hochhebe und fallen lasse, wird Energie frei, weil die Gravitation der Erde ihn anzieht. Ich muss Arbeit aufwenden, um ihn hochzuheben und die wird wieder frei, wenn ich ihn loslasse. Die freiwerdende Energie ist Strahlung, normalerweise ein bisschen Wärme. “

    Ja, das ist mir schon klar. Aber ich find es trotzdem nicht anschaulich. Wenn ich einen Stein hochhebe, dann ist es logisch, dass da Energie drin steckt, weil ich ihn ja hochgehoben haben zuvor. Aber wer hat die Nukleonen hochgehoben und wohin?

  17. #17 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @alex: “Deshalb verstehe ich auch nicht wirklich, worauf du hinaus willst.”

    Vielleicht liegt es wirklich daran, dass das ein Punkt ist, den nur ich nicht verstehe. Oder alle anderen sind so gewohnt in den physikalischen Termen zu denken, dass mein Punkt nicht einleuchtend ist. Ich will wissen: Wo kommt die Energie her, die frei wird?

    1) Es existieren 2 leichte Atome
    2) Aus 2 leichten wird ein schweres Atom
    3) Energie wird frei.

    Das ist die Lage. Und mich interessiert: WELCHE Energie ist, die frei wird? Wo war diese Energie bei Schritt 1)? Wo war sie bei Schritt 2)? Und warum ist bei Schritt 2 auf einmal weniger Energie nötig, so dass in Schritt 3) Energie frei werden kann? Und ja, ich weiß: Bindungsenergie, usw. Das ist mir alles schon klar! (Immerhin HAB ich ja studiert!). Aber ich hätte eben sehr gerne eine anschauliche Erklärung für das alles. Wie kann man das, was energetisch bei der Fusion abläuft zum Beispiel im Bild des “Stein hochhebens” erklären und zwar nicht in dem man einfach sagt “Die negative Energie ist das, was im Stein steckt den ich hochgehoben habe”. Sondern so, dass man die ganze Geschichte mit den Schritten 1,2 und 3 in diesem (oder halt einem anderen) Bild durchgeht.

    Ich hätte vielleicht deutlicher dazu sagen sollen, dass die Aufgabe um die es mir geht keine wissenschaftliche ist, sondern eine wissenschaftkommunikatorische! Ihr sollt nicht probieren die Kernfusion zu erklären (das steht ja überall in Lehrbüchern et al). Sondern einen Weg finden, das verständlich zu erklären! Das ist ne ganz andere Challenge.

  18. #18 alex
    4. November 2019

    @Florian:

    Wo kommt die Energie her, die frei wird?

    Naja, das hängt davon ab, woher das Ausgangsmaterial kommt. Wenn man Wasserstoffkerne fusioniert, die seit dem Urknall Wasserstoffkerne waren, dann kommt die Energie vom Urknall. Der Stein war quasi schon immer oben.

    Ich hätte vielleicht deutlicher dazu sagen sollen, dass die Aufgabe um die es mir geht keine wissenschaftliche ist, sondern eine wissenschaftkommunikatorische! Ihr sollt nicht probieren die Kernfusion zu erklären (das steht ja überall in Lehrbüchern et al). Sondern einen Weg finden, das verständlich zu erklären! Das ist ne ganz andere Challenge.

    So habe ich das auch verstanden. Aber was ich nicht verstehe ist was genau du erklärt haben willst.

  19. #19 MartinB
    4. November 2019

    @Florian
    “Wo kommt die Energie her, die frei wird? ”
    Gegenfrage: Wo kommt die Energie her, die frei wird, wenn ein Asteroid auf die Erde stürzt? Wie würdest du diese Frage beantworten?

    Ich frage das nicht als “gotcha”-Moment, sondern weil ich wirklich nicht genau weiß, was für eine Antwort du für die Kernteilchen akzeptieren würdest/für anschaulich klar hältst.

  20. #20 René
    Halle
    4. November 2019

    @Captain E.
    “Wo steckt aber in einem einzelnen Proton Bindungsenergie, die man freisetzen können soll?”
    Das ist die kinetische Energie, die die Protonen haben müssen, bevor die starke Kernkraft wirkt.
    Letztlich muss man sich nur klarmachen, dass die starke Kernkraft nicht bis unendliche wirkt (entgegengesetzt dazu die EM-Kraft und Gravitation).

    Anschaulich stelle ich mir das immer wie ein hohes Glas mit einer Rampe bis zum Rand vor. Man schiebt die Kugeln nach oben und muss daher Energie aufbringen. Ist das Glas leer, dann passen noch viele Kugeln in das Glas und sie fallen auch tiefer, was gleichbedeutend mit der Energie die frei wird ist. Der Boden des Glases wirkt auf die Kugeln zusätzlich anziehend an.
    Wenn ich jetzt immer mehr Kugeln nach oben schiebe dann wird das Glas immer voller. Immer weniger Energie wird bei dem Vorgang frei, solange bis ich mehr Energie aufbringen muss sie ins Glas zu befördern, als frei wird. Wenn es dann voll ist, dann kann zwar immer noch Kugeln nach oben geschoben werden und auch noch auf das Glaus drauf stapeln, aber es ist instabil. Kurze Zeit später wird mein Kugelberg zusammenstürzen.

  21. #21 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @MartinB: “Gegenfrage: Wo kommt die Energie her, die frei wird, wenn ein Asteroid auf die Erde stürzt? Wie würdest du diese Frage beantworten?”

    In dem Fall ist das halt die Bewegungsenergie. Dass in Bewegung Energie steckt kann man ja gut am Beispiel des Autounfalls veranschaulichen. Und der Asteroid hat die Energie per Gravitation von der Bewegung anderer Himmelskörper bekommen; das kann man bis zur protoplanetaren Scheibe zurückverfolgen bzw. von mir aus noch weiter bis zum Urknall 😉 Zu veranschaulichen was ein auf die Erde fallender Asteroid tut ist jetzt didaktisch nicht so wahnsinnig schwer; das ist ein vertrautes Bild bei dem keine zusätzlichen Fragen im Kopf des Publikums auftauchen. Aber bei der Kernfusion eben schon; zumindest meiner Meinung nach.

  22. #22 MartinB
    4. November 2019

    @Florian
    Aber wenn Erde und Asteroid am Anfang in Ruhe und weit entfernt sind (den Fall meinte ich, das ist für nen Astronomen vielleicht nicht so plausibel…), wo kommt dann die Bewegungsenergie her?

  23. #23 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @alex: “Aber was ich nicht verstehe ist was genau du erklärt haben willst.”

    Eigentlich hab ich mir nicht so sehr eine Diskussion vorgestellt. Sondern so etwas wie das, was Robert geschrieben hat: https://atdotde.blogspot.com/2019/11/on-nuclear-fusion-in-german.html – Eine Erklärung der Kernfusion mit einem anschaulichen Bild. Weil ich halt wissen wollte, was bei dem Thema erklärtechnisch alles möglich ist. Weil ich nicht überzeugt war, dass die Erklärung die ich gefunden habe die bestmöglichste oder einfachste ist. Ich hatte mir vorgestellt, dass diejenigen die sich beteiligen wollen genau solche Texte schreiben wie der von Robert und ich dann eine Sammlung von “Kernfusion ist…”-Texten habe, die einen Überblick über das geben, was man da alles erklären kann und wie man es am besten tut.

  24. #24 MartinB
    4. November 2019

    @Florian
    Nun bin ich noch verwirrter.
    Oben im Text beschwerst du dich über Antworten, die tief in komplexe Themen eingetaucht sind, nennst als Beispiel das Tröpfchenmodell, und jetzt verweist du auf einen Text, der genau dieses Modell verwendet?

  25. #25 Alderamin
    4. November 2019

    @Florian

    Wenn ich einen Stein hochhebe, dann ist es logisch, dass da Energie drin steckt, weil ich ihn ja hochgehoben haben zuvor. Aber wer hat die Nukleonen hochgehoben und wohin?

    Den Asteroiden hast Du nicht hochgehoben, der zehrt seine Energie aus dem Abstand im Schwerefeld, den ihm der Urknall und die Raumexpansion verpasst haben. Und die Nukleonen genau so. Die haben halt anfänglich einen Abstand, und der entspricht einer potenziellen Energie im Feld der starken Kernkraft. Weil das Potenzial im Abstand größer ist (weniger negativ) als in der Nähe.

    Ist wie zwei Magneten auf einem Tisch. Schiebst Du sie mit entgegengesetzten Polen aufeinander zu, dann ziehen sie sich bei irgendeiner Entfernung so stark an, dass sie die Reibung durch den Tisch überwinden, und wenn sie zusammenklatschen, wird Energie frei (Schall und Wärme). Woher kommt die Energie? Aus dem Abstand, aus dem sie losgelassen wurden, und der Kraft, die das magnetische Feld auf sie ausübte. Arbeit = Kraft * Weg.

  26. #26 Alderamin
    4. November 2019

    … und nimmst Du statt dem Tisch eine schiefe Ebene (ein Magnet sei oben befestigt), dann hast Du die Coulomb-Kraft der Protonen als Schwerkraft modelliert, die die Magnete auseinander zieht, wenn sie sich nicht nahe genug sind.

    Damit hast Du ein Bild: die Kernteilchen sind wie Magnete auf einer schiefen Ebene, die sich nur in unmittelbarer Nähe anziehen. Wenn das passiert, werden sie durch die Anziehungskraft aufeinander zu beschleunigt und dabei gewinnen sie Energie, die beim Zusammenstoß freigesetzt wird. Auf größere Entfernung rutschen sie voneinander weg, weil ihre elektrische Abstoßung überwiegt, wie die Schwerkraft bei der schiefen Ebene.

  27. #27 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @MartinB: “Aber wenn Erde und Asteroid am Anfang in Ruhe und weit entfernt sind (den Fall meinte ich, das ist für nen Astronomen vielleicht nicht so plausibel…), wo kommt dann die Bewegungsenergie her?”

    Erde und Asteroid in Ruhe ist halt ein falsches bzw. schlechtes Bild. Das ist für die Vermittlung nicht geeignet; insofern muss man dann eben was anderes finden. Klar, könnte ich da jetzt mit irgendwelchen Potentialen uä anfangen. Aber es geht ja um ein *verständliches* Bild und wenn das einen Planeten voraussetzt, der sich nicht bewegt, dann ist es nicht verständlich.

  28. #28 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @MartinB: “Oben im Text beschwerst du dich über Antworten, die tief in komplexe Themen eingetaucht sind, nennst als Beispiel das Tröpfchenmodell, und jetzt verweist du auf einen Text, der genau dieses Modell verwendet?”

    Also beschwert hab ich mich nicht. Eher angemerkt, dass es nicht das war, was ich gesucht habe. Und ich habe vor allem einmal deswegen auch den Text von Robert verwiesen, weil er das ist, was ich mir als Resultat meines Aufrufs vorgestellt habe: Ein Text, der für sich selbst steht; keine Erklärungsfragmente etc. Hab ich vielleicht nicht deutlich gemacht; das war dann mein Fehler. Und ja, das Tröpfchenmodell ist in seiner physikalischen Gesamtheit komplex. Roberts Erklärung dazu ist es aber nicht; die kann auch so gut verstehen wenn man noch nie vorher was vom Tröpfchenmodell gehört hat (die Formel würd ich persönlich weglassen wenn ich das so irgendwo verwenden würde).

  29. #29 alex
    4. November 2019

    @Florian:
    Das ist eine schöne Erklärung des Tröpfchenmodells. Aber der Text erklärt nicht, warum das Tröpfchenmodell auf Atomkerne anwendbar ist. Auf Atome, also die Bindung von Elektronen an Atomkerne, oder auf die Bindung von Atomen aneinander in Molekülen, ist es ja z.B. nicht anwendbar. Woher die freiwerdende Energie kommt, wird auch nicht wirklich erklärt.

    Mit meiner Frage ging es mir auch weniger um die gewünschte Form, sondern darum, welcher Aspekt der Kernfusion anschaulich zu erklären ist. Das Thema ist viel zu komplex um alles zu erklären.

    Der wesentliche Punkt ist meiner Meinung nach, dass Nukleonen sich gegenseitig anziehen. Deshalb wird Energie frei, wenn man kleine Atomkerne zu größeren zusammensetzt. Und das scheint mir auch ziemlich anschaulich zu sein. Aber für deinen Wettbewerb dürfte das zu wenig sein.

  30. #30 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @Alderamin: “Damit hast Du ein Bild: die Kernteilchen sind wie Magnete auf einer schiefen Ebene, die sich nur in unmittelbarer Nähe anziehen. Wenn das passiert, werden sie durch die Anziehungskraft aufeinander zu beschleunigt und dabei gewinnen sie Energie, die beim Zusammenstoß freigesetzt wird. Auf größere Entfernung rutschen sie voneinander weg, weil ihre elektrische Abstoßung überwiegt, wie die Schwerkraft bei der schiefen Ebene.”

    Das Bild gefällt mir auch gut. Muss man vielleicht für die Praxis noch ein wenig aufpeppen und ausführlicher machen. Aber da ist zumindest nix drin, was spontan unlogisch erscheinen könnte!

  31. #31 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @alex: “welcher Aspekt der Kernfusion anschaulich zu erklären ist. Das Thema ist viel zu komplex um alles zu erklären.”

    Ich dachte ich hätte das ziemlich konkret geschrieben. Es geht um die Frage: Warum wird Energie frei, wenn man aus leichten Atomen durch Fusion schwere macht? Das soll anschaulich beantwortet werden.

    “Der wesentliche Punkt ist meiner Meinung nach, dass Nukleonen sich gegenseitig anziehen. Deshalb wird Energie frei, wenn man kleine Atomkerne zu größeren zusammensetzt.”

    Ist das nicht meine Frage, nur als Antwort formuliert? Ich versteh die Idee, die du hier erklären willst. Aber als Erklärung im Rahmen der Wissenschaftskommunikation ist das noch zu wenig. Der gedankliche Schritt von “Nukleonen ziehen sich an” zu “Energie wird frei” ist für Leute mit entsprechender Bildung vielleicht machbar. Aber mit Sicherheit nicht für Laien. Denen sagt diese Erklärung nichts.

  32. #32 Florian Freistetter
    4. November 2019

    Vielleicht ist es so einfacher: Stellt euch vor, ihr seid irgendwo am Tag der offenen Tür eurer Uni oder sonst irgendwo, wo ihr Menschen was über Wissenschaft erzählt, die selbst keine wissenschaftliche Ausbildung haben. Und jemand kommt zu euch und fragt: “Könnte Sie mir erklären, warum man durch Kernfusion Energie gewinnen kann? Wie geht das?”

    Was würdet ihr da antworten?
    (Und behaltet dabei im Hinterkopf, dass die Person dann auch nachfragen wird, wenn sie etwas nicht verstanden hat. Im Idealfall habt ihr euch irgendwann vorher schon mal Gedanken darüber gemacht, was bei einer Erklärung der Kernfusion für Laien vielleicht unlogisch, unverständlich oder sonst irgendwie unklar sein könnte und nehmt diese Einwände in eurer Erklärung gleich vorweg bzw umgeht sie mit einem geschickten Vergleich. Genau das ist es, was ich probiere)

  33. #33 Daniel Rehbein
    Dortmund
    4. November 2019

    Das Hauptproblem bei der Erklärung ist meines Erachtens die Kurve Bindungsenergien pro Nukleon. Bei niedriger Nukleonenzahl steigt sie an, bei größerer Nukleonenzahl fällt sie wieder ab. Das ist ja die Ursache dafür, daß bei niedriger Nukleonenzahl die Kernfusion Energie freisetzt und eine Kernspaltung Energie erfordern würde, wohingegen bei großer Nukleonenzahl die Kernfusion Energie erfordern würde und die Kernspaltung Energie freisetzt.

    Man braucht zur Veranschaulichung also eine Analogie, wo bei einer kleinen Anzahl von “Irgendetwas” ein Zusammensetzen sinnvoll ist, während bei einer großen Anzahl von “Irgendetwas” ein Spalten in mehrere Gruppen sinnvoller ist.

  34. #34 Daniel Rehbein
    Dortmund
    4. November 2019

    Ein Hotelier betreibt eine kleine Pension. Gäste und Personal sollen einfacher in die Etagen kommen, deshalb unterhält er Fahrstühle. Damit die Gäste und das Personal sich gegenseitig nicht stören, hat er für beide getrennte Aufzugschächte.

    Nun ist die Pension aber doch sehr klein. Es sind im Schnitt nur zwei Personen vom Personal und nur drei Gäste anwesend. Da ist es doch wesentlich effizienter, nur einen einzigen Fahrstuhl zu unterhalten und alle Personen mit diesem einen Fahrstuhl fahren zu lassen. Die Fusion der beiden Personengruppen führt zu einer effizienteren Situation.

    In einem anderen Hotel sind im Schnitt 139 Gäste und 95 Hotelmitarbeiter unterwegs. Hier ist es für den Hotelier tatsächlich sinnvoller, diese Gruppen zu trennen und sie in getrennten Aufzügen fahren zu lassen. In diesem Hotel wird durch die Spaltung in getrennte Gruppen der Hotelbetrieb besser gemanaged.

  35. #35 Daniel Rehbein
    Dortmund
    4. November 2019

    Nun habe ich mir eine Erklärung ausgedacht, ab sie hängt wohl noch im Span-Filter. Welches schlimme Wort mag ich da benutzt haben?

  36. #36 Daniel Rehbein
    Dortmund
    4. November 2019

    Für diese Überlegungen mit den Fahrstühlen ist mir eine reale Begebenheit eingefallen: Vor etlichen Jahren war ich mal bei einer Dienstreise im Kongreßhotel am Bahnhof Hamburg-Dammtor untergebracht. Ich schaue sehr gerne auf Pläne, und deswegen habe ich auf dem Etwagengrundriß mit den Fluchtwegen entdeckt, daß es neben dem für die Gäste vorgesehenen Treppenhaus mit drei Aufzügen noch einen versteckten Flur mit ebenfalls drei Aufzügen gab.

    Durch eine schwere Stahl Tür ging ich in diesen versteckten Flur, den ich auf dem Grundriß gesehen hatte, und befand mich da in einem total schmucklosen weiß gestrichenen Raum, in dem ein Transportwagen mit Bettwäsche abgestellt war. Und da waren tatsächlich die eingezeichneten drei Aufzüge. Deren Türen waren auch ganz nüchtern weiß gestrichen, die Farbe hatte schon einige Macken, und auch in der Fahrstuhlkabine war alles recht schlicht. Es waren also offenbar die Fahrstühle für die Mitarbeiter.

    Ich bin dann aber doch mit einem dieser drei Fahrstühle nach unten ins Erdgeschoß gefahren. Und da staunte ich nicht schlecht, als ich dann mitten in der Küche stand. Die Hotelmitarbeiter schauten aber auch etwas irritiert, daß da plötzlich ein Mann mit Anzug und Krawatte in der Küche auftauchte (ja, das Erlebnis ist schon einige Jahre her, damals hat man dienstliche Termine noch grundsätzlich im Anzug wahrgenommen).

    Es gibt also im Kongreßhotel am Bahnhof Hamburg-Dammtor nicht nur drei Aufzüge für die Gäste sondern davon getrennt drei weitere Aufzüge für das Hotelpersonal.

  37. #37 alex
    4. November 2019

    @Florian Freistetter:

    Ist das nicht meine Frage, nur als Antwort formuliert?

    Das weiß ich nicht, weil ich wie gesagt nicht verstehe was genau die Frage ist.

    Der gedankliche Schritt von “Nukleonen ziehen sich an” zu “Energie wird frei” ist für Leute mit entsprechender Bildung vielleicht machbar. Aber mit Sicherheit nicht für Laien. Denen sagt diese Erklärung nichts.

    Dann sollte man vielleicht allgemeiner versuchen zu erklären was Energie ist. Wenn zwei Dinge sich gegenseitig anziehen, dann wird Energie frei, wenn man sie zusammen bringt. Das ist ja eine allgemeingültige Aussage und nicht spezifisch für Kernphysik. Da mit Details zu kernphysikalischen Modellen, Spezifika zur Kernfusion, oder sogar Quantenmechanik und Relativitätstheorie zu kommen, verwirrt vermutlich nur noch mehr.

    Wenn du tatsächlich nach einer anschaulichen Erklärung dafür suchst, warum dann der Fokus auf die Kernfusion?

  38. #38 Bernd
    Hildesheim
    4. November 2019

    Wir sollten alle dafür beten,
    dass die Kernfusion niemals
    auf der Erde genutzt werden kann.

    Die “fast kostenlose Energie”
    würde dazu führen, dass die
    Menschheit überall Gewächshäuser
    sowie Meerwasserentsalzungsanlagen
    baut und sich auf 20 Milliarden
    vermehrt.

    Die Überbevölkerung mit
    “liebe Frauen, macht nicht 3,
    macht 5 Kinder” merken wir ja bereits.

  39. #39 Daniel Rehbein
    Dortmund
    4. November 2019

    Mir ist noch etwas anderes eingefallen:

    Wer schon mal mit der Londoner U-Bahn gefahren ist (“Mind the gap!”), dem ist vielleicht aufgefallen, daß man bei bei dem meisten Umsteigevorgängen in der Innenstadt recht lange Tunnel durchläuft, daß einem dort aber ganz selten andere Menschen entgegenkommen.

    Denn bei den meisten größeren U-Bahn-Stationen in der Londoner Innenstadt gibt es für die umsteigenden Fahrgäste unterschiedliche Personentunnel für die entgegengesetzen Laufrichtungen. Aufgrund der Vielzahl der umsteigenden Passagiere ist es für die Effizienz des jeweiligen Verkehrsknotens vorteilhaft, wenn die gegenläufigen Laufrichtungen durch unterschiedliche Personentunnel voneinander getrennt sind.

    In Städten mit eher überschaubaren U-Bahn-Passagieren, wie beispielsweise Dortmund, reicht einfach eine verbundende Treppe zwischen den auf verschiedenen Ebenen befindlichen Bahnsteigen. Ein System von verbindenden Personentunneln, die für unterschiedliche Bewegungsrichtungen ausgeschildert sind, würde die Situation an den Stationen lediglich verkomplizieren.

    So ist das auch bei den Atomkernen: Sind da ganz viele Nukleonen drin enthalten, ist es für die Natur effizienter, sie in kleinere Kerne aufzuspalten. Dann wird bei der Kernspaltung Energie freigesetzt. Geht es dagegen nur um wenige Nukleonen, so ist es für die Natur effizienter, sie zusammen zu betrachten. In diesem Fall wird bei der Kernfusion Energie freigesetzt.

  40. #40 Florian Freistetter
    4. November 2019

    @alex: “Das weiß ich nicht, weil ich wie gesagt nicht verstehe was genau die Frage ist.”

    Ach komm, die hab ich doch gerade noch ein weiteres Mal explizit aufgeschrieben. Zweimal sogar. Aber gerne nochmal.

    Ich hab zuerst dir geantwortet: Es geht um die Frage: Warum wird Energie frei, wenn man aus leichten Atomen durch Fusion schwere macht? Das soll anschaulich beantwortet werden.” DAS ist die Frage. Noch konkreter kann ich es kaum machen…

    Und dann hab ich es in einem weiteren Kommentar nochmal anders formuliert: “Stellt euch vor, ihr seid irgendwo am Tag der offenen Tür eurer Uni oder sonst irgendwo, wo ihr Menschen was über Wissenschaft erzählt, die selbst keine wissenschaftliche Ausbildung haben. Und jemand kommt zu euch und fragt: “Könnte Sie mir erklären, warum man durch Kernfusion Energie gewinnen kann? Wie geht das?” Was würdet ihr da antworten?”

    “Wenn zwei Dinge sich gegenseitig anziehen, dann wird Energie frei, wenn man sie zusammen bringt. “

    Und wahrscheinlich wirst du jetzt ärgerlich, wenn ich darauf antworte: “Hmm. Warum? Das versteh ich nicht. Wieso wird da Energie frei?” (Ich sags nochmal: ICH versteh was du sagen willst. Aber wenn so ein Satz verwirrt vermutlich viele Menschen die keine physikalische Ausbildung haben.”

    Und nein, mir geht es nicht um die Frage “Was ist Energie?”. Sondern wirklich um genau die Frage, die ich jetzt mehrmals aufgeschrieben habe. Sollte es notwendig sein dass man dafür zuerst erklärt was Energie ist, dann ist das halt so und Teil der Antwort…

  41. #41 Daniel Rehbein
    Dortmund
    4. November 2019

    Gehen denn meine Überlegungen, die Nukleonen durch Menschen zu ersetzen, und entsprechend die Atomkerne durch Situationen mit Menschenmengen zu ersetzen, in die richtige Richtung?

  42. #42 PATRICK MUELLER
    VANCOUVER
    4. November 2019

    Also fuer mich als Nicht-Physiker ist das eine ganz wundervolle Dikussion. Das veranschaulicht schoen, wie es Physik-Interessierten, die kein Studium in dem Bereich abgeschlossen haben, oft geht. Und im speziellen wie es mir einmal ging, als ich nach einer anschaulichen Erklaerung gefragt habe, wie es die weit entfernte und auf der Oberflaeche gar nicht SO heisse Sonne eigentlich schafft, dass man auf der Erde so angenehme Temperaturen hat. Das war mir nicht richtig zugaenglich.

    Von daher ist WUNDERVOLL, so aehnliche Fragen auch mal von einem Physiker zu hoeren. Und ich kann SEHR gut nachvollziehen, wie es sich anfuehlt, wenn man nie so ganz 100% zufrieden mit einer Antwort ist. Man wartet sozusagen auf den Moment, wo es klickt macht.

    Zudem ist die Diskussion vermutlich auch wichtig, um ueberhaupt erstmal einzuordnen, wie man einen Erklaertext, Diagramm o.ae. ueberhaupt aufbauen soll.
    Bin gespannt, ob es gelingt!

  43. #43 alex
    4. November 2019

    Ich habe mir jetzt nochmal den Artikel und alle Kommentare durchgelesen, und ich habe immer noch nicht den Eindruck, die Frage wirklich verstanden zu haben.

    Es hat wohl keinen Sinn wenn ich hier weiter kommentiere. Vielleicht verstehe ich am Freitag was gemeint war, oder wenn die Wettbewerbsbeiträge veröffentlicht werden. Andernfalls könnte man vielleicht einen “Erklärt alex die Frage, um die es beim ‘Erklärt die Kernfusion’-Wettbewerb ging”-Wettbewerb durchführen

  44. #44 orinoco
    5. November 2019

    Also wenn es ganz simplifiziert sein soll, würde ich es am Beispiel einer Kuckucks-Uhr erklären, die durch die Schwerkraft der Gewichte angetrieben wird, also die Gewichte im Schwerefeld der Erde bei der Bewegung nach unten Energie verlieren und diese abgeben. Bei der Kernfusion ist es im Prinzip das Gleiche nur eben mit der starken Kernkraft als Wechselwirkung statt der Gravitation und den Nukleonen statt der Gewichte und der Erde. Muss man natürlich erklären, dass es vier mehr oder weniger unabhängige physikalische Wechselwirkungen gibt und dass prinzipiell immer Masse in Energie verwandelt wird und umgekehrt.
    Die Quanteneffekte und die Probleme mit der EM-WW fallen da natürlich unter den Tisch.

  45. #45 Florian Freistetter
    5. November 2019

    @alex: “Ich habe mir jetzt nochmal den Artikel und alle Kommentare durchgelesen, und ich habe immer noch nicht den Eindruck, die Frage wirklich verstanden zu haben.”

    Deine Oma kommt zu dir. Und sagt: “Alex, ich hab im Fernsehen gerade was über Kernfusionsreaktoren gehört. Aber ich hab nicht verstanden, wieso das überhaupt funktioniert. Wie kann man aus der Fusion leichter Atome Energie gewinnen? Kannst du mir das bitte erklären?”

    GENAU DAS ist die Frage um die es mir geht. Ich bin einfach nur auf der Suche nach einer allgemeinverständlichen, laientauglichen Erklärung des Phänomens der Kernfusion die über “E=mc²” hinaus geht.

    Es geht nicht um eine komplizierte *wissenschaftliche* Frage die ich von dir beantwortet haben will. Sondern wirklich und tatsächlich nur um die Frage, die ich schon mehrmals gestellt habe: “Wieso wird Energie frei, wenn man leichte Atomkerne zu schweren Atomkernen fusioniert”. (Und – ich sag es ein weiteres Mal dazu – JA, ich kenne die Antwort! Ich *verstehe* wie Kernfusion funktioniert. Aber ich scheitere daran, dieses wissenschaftliche Verständnis in eine allgemeinverständliche Erklärung umzusetzen. Genau dabei hatte ich mir Hilfe aus der Leserschhaft erhofft).

  46. #46 mindscout
    5. November 2019

    Vorweg, ich bin kein Physiker, sondern komme nur zu diesem persönlichen Ansatz auf der Suche nach einem hier gesuchten Modell zur Veranschaulichung. Eine ganz ganz einfache Erklärungsmöglichkeit (Level “Sendung-mit-der-Maus”) wäre meiner Ansicht nach eventuell so möglich:

    Stellen wir uns die Kerne in Kugelform (oder noch einfacher: Kreisform) vor. Die Kernteilchen in der Mitte haben viele Nachbarn und somit wirkt auf sie aus vielen Richtungen eine Kraft, welche sie zusammen hält. Die Teilchen am Rand haben es deutlich “schwerer”, denn ihnen “helfen” nur von einer Seite her andere Kernteilchen dabei, in Form zu bleiben. Sie benötigen also selbst einen höheren Kraftaufwand, ihre Position zu halten. (Man kann sich hier eine dicht gedrängte Gruppe Menschen vorstellen, von denen sich die Äußeren an den Händen halten müssen, um alle in der einer Kreisform zu halten, während die inneren quasi kaum etwas tun müssen, um sich als Gruppe in der Kreisfläche zu halten)

    Wenn ich jetzt den Nukleus mit schwerer werdenden Elementen vergrößere, ändert sich das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche und der Anteil an Rand-Kernteilchen, die eine größere Kraft aufwenden müssen, ist zunehmend kleiner. Diese Differenz bietet quasi die Grundlage für die freiwerdende Energie.

    Um die Brücke aus dem Modell in die Realität zu schlagen sehen wir die Teilchen jetzt in Bewegung und mit einnem durchschnittlichen Energienievau. Jedes der Teilchen fliegt mal im Inneren und mal am Rand (ich bin noch im Modell, so weit bis zu Wellen/Unschärfe will ich nicht gehen und fehlt mir auch die Grundlage dazu). Umso kleiner der Anteil an “Rand” der Flugbahnen aller Teilchen, desto geringer die notwendige Energie (durchschnittliche Energie der Teilchen im Flug). Und da beim Verschmelzen das Verhältnis Oberfläche zu Volumen geändert wird und der Oberflächenanteil sinkt, wird weniger Energie benötigt und somit frei.

    Jetzt kommen wir zu dem Problem der besodners schweren Teilchen, wo sich das Verhalten wieder umkehrt. Hier hinkt das Modell natürlich und man müsste noch Erklärungsansätze finden:

    Man kann vielleicht argumentieren, dass der Nukleus jetzt so groß angewachsen ist, das die Kraft im Inneren zwischen den direkten Nachbarn zwar noch vorhanden ist, aber der Nukleus jetzt die größe überschreitet, bei der ein Teilchen “ganz links” noch von einem Teilchen “ganz rechts” mit gehalten werden kann. Damit hätten wir schonmal ein konstant bleiben der Energie erreicht.

    Das wieder Ansteigen der notwendigen Bindungsenergie könnte man in der Zusammensetzung der Kernteilchen suchen, was vielleicht dafür sorgt, dass die Teilchen mit der größten “zusammenhaltenden” Wirkung entweder prozentual weniger werden oder weiter voneinander weg rücken. (hier übergebe ich dann an die Physiker, um das Modell an diesem Punkt passabel weiter zu veranschaulichen).

  47. #47 Karl-Heinz
    5. November 2019

    @FF

    Was man unter Bindungsenergie versteht ist eigentlich genau definiert. Den Begriff negative Energie kann man leicht umschiffen, indem man von einer Energie spricht, die frei wird. Den Massendefekt (Massenverlust) muss man ja nicht unbedingt erwähnen, ausser jemand fragt danach. Und bezüglich der Grafik
    „Mittlere Atomkernbindungsenergie pro Nukleon in Abhängigkeit von der Anzahl der Nukleonen im Atomkern“ ja da muss man ein klein bisschen nachdenken, sollte aber jetzt nicht das allzugroße Verständnisproblem darstellen. Und so nebenbei könntest du ja darauf hinweisen, dass aus Bindungsenergie eine bereits bei der Bildung des gebundenen Systems freigesetzt und abgegeben Energie geworden ist, also eine Energie die nun nicht mehr verfügbar ist.

    Ach ja, … was wolltest du genau wissen? 😉

  48. #48 T-Truckle
    5. November 2019

    Also ich als Physik-Laie habe mir die Kernfusion immer folgendermaßen vorgestellt: Um einen Atomkern zusammen zu halten braucht man eine Kraft, also Energie um der elektromagnetischen Abstoßung der Protonen im Kern entgegenzuwirken. Das wird durch die starke Kernkraft geleistet. Wenn jetzt zwei Kerne miteinander verschmelzen, ist die Energie, welche benötigt wird um den entstandenen Kern zusammen zu halten, kleiner als die Summe der Energien der beiden ursprünglichen Kerne. So wie die Oberfläche einer Kugel kleiner ist als die Summe der Oberflächen zweier kleinerer Kugeln mit demselben Volumen der großen Kugel.
    Die Differenz zwischen der Bindungsenergie für den größeren Kern und der Summe der Bindungsenergien der beiden kleineren Kerne ist dann die Energie, welche bei der Kernfusion frei wird.
    Ich hoffe mal, dass das oben Gesagte für anwesende Physiker nicht allzu falsch oder naiv dargestellt ist.

  49. #49 MartinB
    5. November 2019

    @Florian
    O.k,, das mit dem Tag der offenen Tür macht es etwas klarer. Ich sag ja in meinen Workshops immer: Wissenschaftliches Präsentieren muss als erstes die Zielgruppe und den Rahmen festlegen, sonst kann man nicht planen. Das war vielleicht auch für viele hier das Problem: Ein Erklärungsniveau festzulegen.

    Ich würde nach wie vor so argumentieren (und werde das vielleicht heute abend mal verbloggen):
    1. Wir verwenden erst mal als Analogie elektrische Ladungen. Entgegengesetzte elektrische Ladungen ziehen sich an. Wenn also ein Elektron und ein Proton weit entfernt sind, dann ziehen sie sich an, das Elektron bewegt sich zum Proton, weil eine Kraft wirkt und das energetisch günstig ist. Beim Sturz auf das Proton wird Energie abgestrahlt. Um die beiden zu trennen, muss ich Energie aufwenden, das ist die Bindungsenergie.

    2. Kernfusion ist im Prinzip analog, aber es gibt zwei Unterschiede:
    a. Hier ziehen sich alle Kernteilchen an, es gibt hier keine entgegengesetzten Ladungen.
    b. Die Reichweite ist sehr kurz.
    Deshalb muss man die Kernteilchen dicht zusammenbringen, damit sie zu einem Kern verschmelzen. [Und wenn man Spaß hat, dann kann man das weiter erklären mit dem Austausch von Pionen, aber das wäre nichts mehr für ne kurze Unterhaltung…] Auch hier muss ich Energie aufwenden, um die beiden zu trennen.

    3. Woher kommt die Energie? Letztlich daher, dass beim Urknall das Universum stark expandierte und dabei abkühlte. Dabei entstanden voneinander getrennte Protonen (aus einer Teilchensuppe, die da vorher war).

    So ganz sehe ich nach wie vor nicht, warum du bei der Kernfusion ein größeres Problem siehst als bei elektrischen Ladungen.

    @mindscout
    Dein Modell finde ich sehr schön. Das Problem bei großen Kernen kannst du direkt über die eletrkische Abstoßung erklären: Die ganzen Protonen stoßen sich ja ab und wenn der Kern sehr groß wird, dann ist die Reichweite der zusammenhaltenden Kraft einfach zu klein.

  50. #50 Carsten
    5. November 2019

    Ich versuche es mal so, wie ich es meiner kleinen Nichte erklären würde. Vielleicht ist dir das zu bunt, aber wer weiß:
    Du hast 2 identische Bündel Malstifte, beide sind je mit einem Gummiband zusammengehalten. Wenn Du jetzt beide Bündel zu einem zusammenschnürst, brauchst Du nur noch ein Gummiband. Eines ist übrig und kann für etwas anderes genutzt werden. Das ist die Energie, die frei wird.
    Dein Bündel ist aber dicker und schwerer geworden, und der eine Gummi, der alles hält, ist stärker gespannt.
    Trotzdem ist dein Bündel aber leichter, als die beiden einzelnen, die Du vorher hattest, nämlich um das Gewicht des frei gewordenen Gummibandes.
    Immer mehr kleinere Stiftbündel packst Du dazu und immer mehr Gummis hast Du übrig.
    Wenn du jetzt immer weiter Stifte in das Bündel steckst, wird es irgendwann (bei 63 Stiften) so groß, dass der eine Gummi nicht mehr ausreicht.
    Es rutschen Stifte in der Mitte nach unten raus, wenn Du das Bündel senkrecht hältst. Also musst Du ab dieser Größe zusätzliche Gummibänder darum schnüren, um alles stärker zusammenzuhalten. Also quasi mehr „Energie“.
    Irgendwann wird aber trotz aller Bänder alles zu groß, und hält nicht mehr von alleine zusammen. Bei Uran zB. ist das der Fall.
    Spaltest Du das Bündel, das jetzt mit vielen Bändern zusammen gehalten wird, wieder in kleinere, dann werden auch wieder Bänder (Energie) frei, weil die kleineren Bündel stabiler sind und weniger Gummis benötigen.
    Bei 63 Stiften brauchst Du dann wieder nur noch ein Band. Wenn Du das Bündel dann weiter spalten willst, musst Du wiederum ein Gummiband hinzufügen, weil du dann für 2 Bündel ein zweites Band benötigst.

  51. #51 Florian Freistetter
    5. November 2019

    @Carsten: Das ist ein schönes Bild, das gefällt mir gut!

  52. #52 Carsten
    Hanau
    5. November 2019

    Bei der Oma und der TV-Sendung war mir die Aufgabe dann klar 🙂
    Je abstrakter, desto besser, mit nur so vielen Komponenten, wie nötig.

  53. #53 bote
    5. November 2019

    Jetzt stellen wir uns mal ganz dumm und denken uns die Atome als das Pulver, das in den Zündplättchen der Kinderpistolen ist.
    Wenn man nichts tut, dann bleiben die in dem Papierplättchen bis in alle Ewigkeit.
    Hauen wir aber mit dem Hammer darauf, dann kommen sich die “Atome/Moleküle” so nahe, dass eine chemische Reaktion einsetzt und es knallt, weil eine exotherme Reaktion stattfindet.
    Bei den Wasserstoffatomen ist das nicht anders. die fusionieren bei hohem Druck zu Helium. Das ist alles. Und es knallt.

  54. #54 Karl-Heinz
    5. November 2019

    @bote

    Bei den Wasserstoffatomen ist das nicht anders. die fusionieren bei hohem Druck zu Helium. Das ist alles. Und es knallt.

    Ja wie hoch ist den der Druck in einem Fusionsreaktor?

  55. #55 MartinB
    5. November 2019

    So, jetzt habe ich mal was ausführliches geschrieben, mit Teilen auf unterschedlichem Niveau:
    http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2019/11/05/warum-kann-kernfusion-energie-erzeugen/

    Ob das nun dein Problem irgendwie löst, weiß ich nicht.

  56. #56 Florian Freistetter
    5. November 2019

    @MartinB: “Ob das nun dein Problem irgendwie löst, weiß ich nicht.”

    Na ein “Problem” hab ich ja nicht. Ich musste nur aus Gründen eine anschauliche Erklärung für die Kernfusion finden. Und hab gemerkt, wie schwer ich mir dabei getan habe, was passendes zu finden. Also dachte ich, ich frag mal andere Leute ob die was besseres auf Lager haben als ich… Und mittlerweile sind ja schon einige sehr schöne Erklärungen zusammengekommen 😉

  57. #57 bote
    5. November 2019

    Karl-Heinz
    Eine kurze Erklärung , die auch für Kinder geeignet ist , ist nicht automatisch technisch zu verwirklichen.
    Es gilt erst einmal die “Schwellenangst” beim Thema Kernfusion zu überwinden. Dann läuft alles wie von selbst. (Zweckkoptimismus)
    Ich weiß auch nicht, ob die Lösung an der mangelnden Technik scheitert, oder ob wir einen anderen Weg zur Fusion finden müssen.

  58. #58 Carsten
    Hanau
    5. November 2019

    @MartinB
    Das Problem war ja schlicht, einer Oma das näher zu bringen, die sehr wenig vom Atomaufbau, Elektronen, Massendefekt usw. versteht.
    Man abstrahiert alles auf ein Niveau, das sie versteht, et voila.

  59. #59 MartinB
    5. November 2019

    @Carsten
    So ganz klar ist/war mir das nicht – ein Besucher auf dem tag der offenen Tür ist was anderes als (m)eine Oma, weil so jemand schon Vorwissen mitbringt. Und eine Analogie ist was anderes als eine Erklärung.

  60. #60 Karl-Heinz
    5. November 2019

    @bote

    Ich will nur wissen wie groß der Druck während der Fusion in einem Fusionsreaktor ist.

  61. #61 Bote
    6. November 2019

    Karl-Heinz
    eine grobe Abschätzung nach Boyle-Mariotte
    p1 x V1 = p2 x V2 ……… p1 = 1 bar ….. V1 = 1Liter …… V 2 = 10 hoch minus 22…… p2 = ? alle Maßangaben in m, kg, s
    oder
    p2 = p1 x (V1 / V2)
    = 1 x (1/10 hoch minus 22)
    p2 = 10 hoch 22 bar
    In dieser Größenordnung

  62. #62 Karl-Heinz
    6. November 2019

    @FF

    Am Tag der offenen Tür möchte ich schon auch etwas über das Lawson-Kriterium erfahren. Wie hoch ist die Zündtemperatur bei deiner D + T Reaktion im Bild? Und was ist genau die Zündtemperatur? Bei welcher Temperatur läuft die Fusion in der Sonne ab? Gibt es einen Unterschied zwischen der Fusion in der Sonne und einem Fusionsreaktor? Natürlich kannst du auch darüber referieren, dass der Begriff Bindungsenergie sehr oft missverstanden wird. 😉

  63. #63 Karl-Heinz
    6. November 2019

    @bote #61

    Und wo bleibt die Temperatur?
    Hast keine Angst, dass dir der Reaktor um die Ohren fliegt? Aber ich denke du könntest durchaus am Tag der offenen Tür assistieren. 🙂

  64. #64 Captain E.
    6. November 2019

    @Carsten:

    Ich versuche es mal so, wie ich es meiner kleinen Nichte erklären würde. Vielleicht ist dir das zu bunt, aber wer weiß:
    Du hast 2 identische Bündel Malstifte, beide sind je mit einem Gummiband zusammengehalten. Wenn Du jetzt beide Bündel zu einem zusammenschnürst, brauchst Du nur noch ein Gummiband.

    […]

    Bei diesem Beispiel müsste man vielleicht auch darauf hinweisen, dass auch ein ganz kleines Bündel ein Gummiband besitzt, selbst eines, das man gar nicht mehr als “Bündel” ansehen möchte, weil es sich dabei um einen einzelnen Stift handelt.

    Folglich würden, wenn man zwei, drei oder vier Stifte zu einem Bündel zusammenschnürte, ein, zwei oder drei Bänder frei.

  65. #65 bote
    6. November 2019

    KH,
    möchtest du lieber, dass ich ein Fachbuch zitiere oder aus Wikipedia vorlese ?
    Die idealae Temperatur wäre 0 K. Mit einer isothermen Kompression wird das Volumen von 1 Liter Wasserstoff veringert. Dann rücken die die Atomkerne der 4 Protonen vom Wasserstoff so eng zusammen, wie bei einem Neutronenstern. Die wandeln sich um in 4 Neutronen. Jetzt verringern wir den Druck und aus zwei Neutronen werden wieder zwei Protonen. Voilà, Hier ist das Heliumatom.
    Auf der Quarkebene sieht das so aus.
    4 Protonen haben 8 up Quarks + 4 down Quarks
    1 Heliumatom hat 6 up Quarks + 6 down Quarks
    Die Differenz beträgt 2 u – 2d = x (Strahlungsenergie)

    Für die notwendige Sicherheit beim Tag der offenen Tür bist du zuständig.
    Wenn deine Lösung besser ist, warum gibt es dann noch keinen energieliefernden Fusionsreaktor?

  66. #66 Karl-Heinz
    6. November 2019

    @bote

    Einen großen Vorteil hättest du ja beim Tag der offenen Tür. Du gehst auf die Leute zu und redest mit ihnen. Das gefällt Opa und Oma. 😉

  67. #67 bote
    6. November 2019

    KH,
    der Kontakt ist wichtig. Schließlich bezahlt der Steuerzahler solche Projekte.
    Mir ist schon klar, dass sich solche Drücke technisch nicht realisieren lassen. Vielleicht sollte man die Forschung mit dem Bose-Einstein Kondensat wieder aktivieren. Über den neuesten Stand der Entwicklung bin ich nicht informiert.

  68. #68 Reinhard
    6. November 2019

    Hallo,
    warum nicht anhand der Fusionierung zweier Betriebe erklären? Sagen wir beide Betriebe haben die gleichen Abteilungen, nach der Fusionierung ist es dann ein größerer Betrieb, die zusammengeführten Abteilungen benötigen aber nicht mehr so viele Menschen für die anfallende Arbeit (Synergieeffekte) – die werden dann “frei” und wieder am Arbeitsmarkt verfügbar …

  69. #69 bote
    6. November 2019

    Reinhard,
    das ist eine sehr anschauliche Erklärung. Sogar zwei Seifenblasen fusionieren zu einer.

  70. #70 Carsten
    Hanau
    6. November 2019

    @MartinB
    <>

    Dementsprechend wäre unser ganzes Teilchensystem auch nur eine Analogie. Schließlich weiß niemand, wie ein Proton zB wirklich aussieht.

  71. #71 Dampier
    6. November 2019

    Ich denke, es ist wirklich entscheidend, die Zielgruppe genau zu definieren. Einem echten Laien wie mir (oder der Oma™) reicht eigentlich die “Sendung-mit-der-Maus-Erklärung”:

    Klingt komisch – ist aber so

    Ich habe jedenfalls nie eine tiefergehende Erklärung an der Stelle vermisst. Die wird wohl tatsächlich eher Leute mit Vorwissen interessieren. Allenfalls noch Kinder, die sich gerade in der “Warum?-Phase-im-infiniten-Regress” befinden.

  72. #72 bote
    6. November 2019

    Dampier
    neben der Zielgruppe ist auch die eigene Position zu hinterfragen.
    Was ist wichtiger, die physikalischen Hintergründe, die technischen Feinheiten, die Auswirkungen auf die Umwelt,
    der Werbeeffekt, die Kosten ?

  73. #73 rolak
    6. November 2019

    Was ist wichtiger?

    Den boten am Schwafeln zu hindern.

  74. #74 MartinB
    7. November 2019

    @Florian
    Ich habe nochmal nachgedacht, wenn es um eine kurze Veranschaulichung/Analogie geht, dann würde ich wirklich wie Alderamin mit Magneten argumentieren:
    Kernteilchen ziehen sich wie kleine Magnete. Wenn die zusammenkommen, klackt es hörbar und man kann sich die Finger klemmen. Da wird also Energie frei.
    Um die Magneten wieder zu trennen, braucht man eine Kraft, man muss also Energie reinstecken, um sie auseinanderzubekommen.
    Bei Kernteilchen ist es genauso, wenn die nahe genug sind, dann ziehen sie sich an, die Energie wird aber nicht als “Klack” hörbar, sondern als Bewegungsenergie von Teilchen (der Neutronen) frei. Diese Energie kann man dann nutzen.

  75. #75 bote
    7. November 2019

    rolak,
    sieh es mal positiv. Immerhin war mein Beitrag geignet , dich aus deinem Novemberhalbschlaf zu wecken. Manche Auftragsdienste verlangen dafür eine Weckgebühr.

  76. #76 Karl-Heinz
    7. November 2019

    @Florian

    Man muss also Energie rein stecken um die Magneten wieder zu trennen. Und genau diese Energie nennt man Bindungsenergie. Wie einfach doch der Begriff Bindungsenergie zu verstehen ist. 😉

  77. #77 Der Schuft
    Plauen
    8. November 2019

    Also ich versuchs mal mit Pinguinen
    Ihr kennt bestimmt alle die Bilder von den riesigen Pinguinkollonien in der Arktis. Die stellen sich alle ganz ganz eng zusammen um sich gegenseitig zu wärmen. Und je enger und je größer die Gruppe umso wärmer wird.
    Das ist auch schon die Erklärung. Viele Pinguine alleine frieren. Aber zusammen ist ihnen warm.

  78. #78 Der Schuft
    Plauen
    8. November 2019

    …..das ist definitiv laienhaft. Und niedlich. Hihi

  79. #79 Der Schuft
    Plauen
    8. November 2019

    Man könnte das mit den Pinguinen natürlich noch bissl ausdehnen. Dass jeder Pinguin eine feste Größe an Energie abstrahlt und diese in die Umgebung abgestrahlt wird und so. Aber ich glaub darum geht’s dem Florian gar nicht.

  80. #80 bote
    8. November 2019

    Um mal wieder auf die Aufgabenstellung zurückzukommen.
    Die Kernfusion ist nichts anderes als eine Verbrennung.
    Einzelne Atomkerne werden dabei zu Helium verbrannt.
    Schön, dass Helium auch nicht mehr brennbar ist.

    Der Unterschied zur Verbrennung von Holz ist, bei Holz braucht man Sauerstoff. Bei den Atomkernen braucht man keinen Sauerstoff.

    Dafür kann man die Atomkerne nicht mit einem Streichholz anzünden, weil die Streichhozflamme nicht heiß genug ist. Bis jetzt man man noch keine einfache Möglichkeit gefunden so einen atomaren Brand zu kontrollieren.

  81. #81 Captain E.
    8. November 2019

    @bote:

    Um mal wieder auf die Aufgabenstellung zurückzukommen.
    Die Kernfusion ist nichts anderes als eine Verbrennung.

    Man nennt das im Stern ja auch “Wasserstoffbrennen”. Man muss nur im Hinterkopf behalten, dass die normale Verbrennung eine chemische Reaktion mit Sauerstoff (= Oxidation) ist und wir es hierbei mit Kernreaktionen zu haben.

    Einzelne Atomkerne werden dabei zu Helium verbrannt.
    Schön, dass Helium auch nicht mehr brennbar ist.

    Einspruch! Helium ist höchstens schwer entflammbar. Große Sterne können schließlich durchaus auch “Heliumbrennen”. Es gibt in Sternen natürlich auch noch “Kohlenstoffbrennen”, “Neonbrennen”, “Sauerstoffbrennen” und “Siliziumbrennen”.

    Der Unterschied zur Verbrennung von Holz ist, bei Holz braucht man Sauerstoff. Bei den Atomkernen braucht man keinen Sauerstoff.

    Nun ja, der Hauptunterschied ist, das bei einer chemischen Reaktion die äußerten Elektronenorbitale miteinander in Wechselwirkung treten. Bei einer Kernreaktion sind es tatsächlich die Nukleonen.

    Dafür kann man die Atomkerne nicht mit einem Streichholz anzünden, weil die Streichhozflamme nicht heiß genug ist. Bis jetzt man man noch keine einfache Möglichkeit gefunden so einen atomaren Brand zu kontrollieren.

    Natürlich geht das nicht, denn in dem brennenden Streichholz läuft eine chemische Reaktion ab. Das ist eine Reaktion der Elektronen, nicht der Nukleonen, nicht wahr?

  82. #82 bote
    8. November 2019

    Captain,
    mein Anliegen lag auf einer einfachen Erklärung. Einem Kind vorher den Unterschied zwischen einer chemischen Reaktion und einer Kernreaktion zu erkären, das macht den einfachen Ansatz zunichte.

  83. #83 Elektrowitsch
    Privat-Physiker
    13. November 2019

    Tja, wer ist denn nun zweiter geworden?

  84. #84 René
    20. November 2019

    Ähm… wer ist erster und warum? ツ

  85. #85 Merilix
    25. November 2019

    “Wo kommt die Energie her die bei der Fusion frei wird?”

    Wie wäre es damit:
    Im freien Proton/Neutron steckt Energie die die Bausteine, die Quarks zusammenhalten. Dies macht den größten Teil der Masse aus.
    Nach der Bindung an andere Kernbausteine profitieren sie voneinander. Wo bereits ein Quark des Nachbarn wirkt kann ein anderes nicht hin (Pauli Prinzip). Das heist es ist weniger Energie nötig die Quarks zusammenzuhalten und die nun Überschüssige wird frei. Das erklärt dann auch den Verlust an Masse im gebundenen Zustand.

    Sehr laienhaft formuliert und möglicherweise völliger Quatsch aber wer weis 😉