Binding Energy

00:01 Wenn wir diese Nukleonen auf dem Kern haben, dann gibt es da etwas, dass sie zusammenhält.

00:05 Da sie miteinander verbunden sind, können wir versuchen, etwas Energie hineinzugeben oder sie zu treffen oder wir können uns auch mit ihnen anlegen und versuchen, sie auseinanderzubrechen.

00:12 Die Energiemenge, die nötig ist, um sie auseinanderzubrechen, wird als die "Nukleare Bindungsenergie" bezeichnet.

00:17 Das ist also die Menge an Energie, die wir einem einzelnen Kern hinzufügen müssten, um diese Kräfte voneinander wegzunehmen, und die Protonen und die Neutronen vollständig zu trennen.

00:30 Wenn wir diesen Prozess umkehren würden, und darüber nachdenken würden, wie ein Atom durch das Zusammenfügen der Protonen und Neutronen gebildet wurde.

00:36 Wir wissen, dass eine gewisse Menge an Energie dahinein geht, sie zusammenzuhalten.

00:41 Und das Einstein`sche Gesetz besagt, dass Energie und Masse äquivalent sind.

00:45 Die Tatsache, dass es diese zusätzliche Energie im Kern gibt welche dahin eingeht, diese Dinge zusammenzuhalten, bedeutet, dass die Gesamtmasse der kombinierten Protonen und Neutronen tatsächlich geringer ist als die Gesamtmasse der einzelnen Anteile zusammengenommen.

00:59 In diesem Fall haben wir zum Beispiel ein Teilchen verbunden welches zwei Protonen hat, die an zwei Neutronen gebunden sind.

01:05 Die Gesamtmasse, so könnten wir meinen, ist die Summe der beiden Massen der Protonen plus die beiden Massen der Neutronen.

01:12 Tatsächlich aber ist die Gesamtmasse dieses beschriebenen Teilchens sogar weniger als das.

01:17 Weil ein Teil der Masse in Wirklichkeit in die Energie hineingeht, welche diese Objekte zusammenhält.

01:24 Also, noch einmal damit wir das nicht verwechseln weil das oft passiert Man könnte meinen, dass es insgesamt schwerer ist weil es mehrere Teile sind.

01:31 Aber in Wirklichkeit wird das Gesamtobjekt, in dem alles zusammengefügt ist, eher leichter als schwerer sein als einige der bildenden Teile.

01:39 Deswegen nennen wir dies den Massendefekt.

01:42 Das ist vielleicht die bessere Art, sich das zu merken Als den Massendefekt, da, wie gesagt, die Gesamtmasse geringer ist als die Einzelmassen alle zusammenaddiert.

01:51 Diese fehlende Masse kann man übrigens immer finden.

01:53 Wenn ich Ihnen also zum Beispiel ein Teilchen geben würde und Ihnen sagen würde was dessen "m", also die Gesamtmasse dieses Objekts, ist Aber Sie wüssten auch, was die Massen der einzelnen Protonen und Neutronen in diesem Objekt sind.

02:04 Sie könnten die Differenz in der Masse herausfinden, die Menge der Masse die zu fehlen scheinen würde.

02:08 Diese Menge an Masse, die zu fehlen scheint, wird genau durch Einsteins Beziehung, dass E = mc2 gegeben.

02:14 E, also die Energiemenge, die in die Bindung dieser Elemente geflossen ist und die zu fehlen scheint, wird gleich "M" sein wobei M dieser Massendefekt ist.

02:22 Also wie viel auch immer fehlend oder anders ist zwischen der Gesamtmasse und einigen der einzelnen Teile der Masse mal der Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat.

02:29 Also, nochmal, es handelt sich um eine Energie, die man durch genau dieses Vorgehen finden kann.

02:33 Wenn man die Differenz zwischen der Gesamtenergie und einige der einzelnen Bestandteile dieses Kerns betrachtet und dann mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit multipliziert.

02:43 Kerne werden durch eine bestimmte Kraft zusammengehalten.

02:45 Und wir müssen uns damit befassen.

02:47 Aber nicht zu sehr ins Detail gehen.

02:48 Aber wir werden kurz darüber sprechen.

02:50 Die Kraft, die Protonen zusammenhält, heißt die starke Wechselwirkung (oder auch starke Kraft).

02:55 Und wir nennen es aus mehreren Gründen stark, aber einer davon ist, dass wir auch diese abstoßende elektromagnetische Kraft haben, die versucht die starke Kraft zu bekämpfen.

03:04 Wir haben also bereits darüber gesprochen, wie zwei ähnliche Ladungen, zwei leichte Ladungen, sich immer abstoßen werden.

03:11 Wir müssen also zwei Protonen nahe genug zusammenbringen, dass die starke Kraft die Macht übernimmt.

03:15 Und das ist das Hauptproblem mit der starken Kraft.

03:18 Sie ist zwar eine sehr starke Kraft, hat aber auch nur eine sehr kurze Reichweite.

03:23 Die einzige Möglichkeit, zwei Protonen aneinander zu binden, ist also sie irgendwie sehr, sehr, sehr nahe aneinander zu bringen, auch wenn sie dies bekämpfen.

03:30 So dass sie, wenn ich sie in irgendeinem Moment loslassen würde, sie in einem Schwung in unterschiedliche Richtungen davonfliegen würden, bis ich sie nah genug hätte, dass die starke Kernkraft die Oberhand gewinnt und sie sich tatsächlich verbinden, um Teil des neuen Kerns zu werden.

03:41 In einem großen Kern haben wir tatsächlich das Problem, dass diese großen Kerne eine sehr starke Abstoßungskraft haben.

03:49 Der Grund dafür ist der folgende.

03:51 Schauen wir uns diese beiden Kerne an, einen kleinen Kern und einen Großen.

03:54 Beachten Sie hier den entscheidenden Unterschied.

03:56 Bei dem kleinen Kern liegen die beiden Protonen sehr nahe beieinander Und so erfahren sie die starke Kernkraft die sie zusammenhält.

04:03 Weil sie eben so nahe beieinander liegen und die starke Kernkraft eine solche kurze Reichweite hat.

04:06 Und die elektromagnetische Kraft, die versucht, sie nach außen zu drücken, kann mit einer starken Kernkraft überhaupt nicht konkurrieren.

04:14 Was aber passiert, wenn ich anfange, immer mehr und mehr Protonen hinzuzufügen: Sobald wir diesen großen Kern haben geschieht etwas Seltsames.

04:22 Wenn wir uns diesen großen Kern ansehen, können wir sehen, dass wir viele Protonen haben.

04:26 Aber schauen wir nun auf ein Proton auf der einen Seite des Kerns und vergleichen es mit dem Proton auf der anderen Seite des Kerns: Sie sind nicht mehr so nah aneinander.

04:34 Und deshalb ist die starke Kraft nicht ganz so stark.

04:36 Sie hat nicht ganz die Kraft, die sie haben sollte.

04:39 Die elektromagnetische Kraft hingegen hat eine große Reichweite, kann immer noch handeln und kann diese Teilchen voneinander wegstoßen.

04:46 Wenn wir also all die unterschiedlichen Objekte in diesem Kern betrachten, können wir sehen, dass die starke Kraft an Stärke verliert, wenn das Objekt immer größer und größer und größer wird.

04:54 Denn die starke Kraft wirkt nur auf einer sehr kurzen Reichweite.

04:59 Und aus diesem Grund werden diese großen Kerne immer mehr instabil.

05:03 Protonen werden nur die starke Kraft ihrer Nachbarn spüren.

05:07 Die elektromagnetische Kraft hingegen stößt alle Protonen, unabhängig davon, welche Protonen sich im Kern befinden, von einander weg, was zu einer Instabilität der im Periodensystem höher gelegenen Atome führt.

05:18 Wir können uns fragen, was genau diese Energie ist, und wir können es messen.

05:22 Dies wird als die "Kurve der Gesamtbindungsenergie pro Nukleon" bezeichnet.

05:26 Wie Sie die Energie pro Nukleon in einem bestimmten Atom binden würden, wäre zuerst die Gesamtmenge der Energie zu addieren, die das Objekt zusammenhält.

05:34 Und dann durch die Gesamtzahl der Nukleonen in diesem Nukleus zu dividieren.

05:39 In diesem Fall würde man die Bindungsenergie pro Nukleon erhalten nachdem man durch die Gesamtzahl der Nukleonen in diesem Nukleus dividiert hat.

05:47 Und aus den Gründen, die wir soeben beschrieben haben, wird der Nukleus größer und größer und größer werden, und wir verlieren mehr von unserer Bindungsenergie.

05:54 Beginnen wir also ganz links im Diagramm mit den kleinsten Atomen, die mit Wasserstoff beginnen und gehen dann zu Helium über und dann zu etwas Größerem und Größerem und Größerem.

06:03 Und dann kommen wir zu sehr, sehr, sehr großen Atomen.

06:06 Und sobald wir das wieder tun, verlieren wir unsere Bindungsenergie, weil die starke Kraft anfängt, an die abstoßende elektromagnetische Kraft zu verlieren.

06:14 Der Ort, an dem diese Veränderung stattfindet, der Ort, an dem dies geschieht, ist in der Tat bei Eisen.

06:19 Bei Eisen erfolgt dieser Wechsel von einer Art von Verhalten zur anderen.

06:25 Davon, immer stärker gebunden zu werden, weil man sich mehr und mehr von der starken Kernkraft bekommt, auf schwächere und schwächer und schwächer in den Bindungen weil die elektromagnetische Kraft die Oberhand gewinnt und beginnt zu versuchen, unseren speziellen Kern auseinander zu drücken.

06:38 Wenn wir also einen stabileren Kern schaffen wollten könnten wir ganz links beginnen.

06:44 Und versuchen, Atome zusammenzuschieben.

06:46 Nehmen wir zum Beispiel zwei Protonen.

06:48 Möglicherweise zwei Wasserstoffe, und fügen sie zusammen um ein Helium zu erzeugen.

06:52 In diesem Fall würden sie stärker gebunden sein.

06:54 aufgrund der starken Kernkraft.

06:56 Und das würde uns auf dieser “Energie pro Nukleon-Kurve” nach oben bringen.

07:00 Und dieser Prozess wird "Kernfusion" genannt.

07:03 Wenn man zwei positive Ladungen wie zwei Protonen nimmt und sie zusammenfügt.

07:06 Und nochmal, das ist ein sehr schwieriger Prozess.

07:08 Weil sie überhaupt nicht zusammen sein wollen, bis sie sehr, sehr nahe beieinander sind.

07:12 Und so besteht das Problem, dass man versucht, sie zusammen zu drängen und sie voneinander abgleiten.

07:17 Weil sie nicht nahe beieinander sein wollen.

07:19 Andererseits könnten wir auch genau das Gegenteil tun.

07:21 Und mit einem sehr, sehr schweren Atom anfangen, wie etwa Uran oder höher.

07:25 Und dann können wir es aufschlüsseln und es würde sich in zwei verschiedene Atome aufteilen.

07:30 Und das nennt man "Spaltung".

07:32 Wenn man ein großes Teilchen hat, das sich spaltet.

07:34 Und so lange wir uns in der Kurve weiter nach oben bewegen, so wie es hier gezeigt ist, gehen wir immer an Orte mit mehr Energie.

07:43 Wenn wir also zwei Teilchen miteinander verschmelzen, zwei Protonen miteinander verschmelzen, Angefangen bei Wasserstoff zum Beispiel zu Helium hingehend, gewinnen wir bei dieser Reaktion Energie.

07:52 Denn auch hier wird eine starke Kernkraft wirken und uns mehr Energie geben.

07:56 Auf der anderen Seite, mit sehr großen Teilchen, wenn sie auseinanderbrechen ist es die elektromagnetische Kraft, die die dominierende Kraft ist.

08:04 Und wieder gewinnen wir Energie, weil diese Kraft bereits die Oberhand gewonnen hat.

08:07 Aus diesem Grund können wir aus diesen Reaktionen Energie gewinnen, aus diesen Prozessen.

08:12 Wir können Energie aus der Kernspaltung gewinnen, und das ist es, was heute in Kernkraftwerken verwendet wird.

08:18 Wir könnten auch Energie aus der Kernfusion gewinnen, die wie aus diesem Diagramm ersichtlich ist, eine viel effizientere und viel energiesparendere Technik wäre, diese Fusionsenergie zu erhalten.

08:29 Dies ist immer noch eine sehr schwierige Aufgabe und etwas das wir bisher noch nicht erreichen konnten.

08:32 Aber wenn wir das täten, würden wir eine riesige Menge an Energie daraus gewinnen.

08:36 Nochmals, die Energie kann durch jeden der beiden Wege freigesetzt werden.

08:39 Umgekehrt wäre es aber genau andersherum.

08:41 Beginnen wir also mit Eisen, dem stabilsten Atomkern wie wir besprochen haben.

08:45 Wenn wir uns in die andere Richtung bewegen würden, würden wir etwas instabiler werden mit leicht unterschiedlichen Mengen an Energie.

08:51 Da Eisen am stabilsten und so etwas wie ein Stern ist, führt die Komprimierung mit immer größerer Schwerkraft am Ende zur Stabilisierung mit riesigen Eisenkernen in den Objekten der Galaxis.

09:02 Und genau von dort kommt das Eisen.

09:06 Dies ist die Zusammenfassung unserer grundlegenden Einführung zum Atomkern.

09:09 Wir haben uns mit dem Proton und dem Neutron befasst und wie man das Proton und das Neutron in relativen Zahlen in verschiedenen Isotope desselben oder eines bestimmten Atomkerns diskutiert.

09:17 Nachdem wir nun die Grundlagen geschaffen haben, werden wir nun ein weiteres Thema besprechen und dann auf die Thermodynamik eingehen, wie diese Atome und Moleküle und insbesondere die Chemikalien zusammenarbeiten.

09:28 Aber das kommt beim nächsten Mal.

09:29 Danke fürs Zuhören.