1. Kernfusion in Sternen und im Labor
Sterne wie unsere Sonne benötigen Energie, um leuchten zu können. Wenn unsere Sonne ihre Energie nur aus chemischen Reaktionen freisetzte, so könnte sie nur einige Jahrtausende leuchten. Geologische Untersuchungen ergaben dagegen ein Alter des Planeten Erde, und damit auch der Sonne, von mehr als vier Milliarden Jahren. Robert Atkinson und Fritz Houtermans
schätzten, die sonne könne mehrere Jahrmilliarden in heutiger Stärke leuchten, wenn sie ihren gesamten Wasserstoff in Helium verbrennt. Bei dieser Kernfusion müssten jeweils vier Atomkerne des Wasserstoffs zu einem Atomkern des Heliums fusionieren, also verschmelzen [1, 2].
Hans Bethe zeigte in seiner mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichneten Arbeit, dass diese Fusion von dem in der Sonne vorhandenen Kohlenstoff und Stickstoff katalysiert wird [3, 4]. Bei dieser Katalyse läuft die folgende Kettenreaktion ab:
C-12 + H = N-13 + Photon
N-13 = C-13 + Positron + Neutrino
C-13 + H = N-14 + Photon
N-14 + H = O-15 + Photon
O-15 = N-15 + Positron + Neutrino
N-15 + H = C-12 + He-4
Gemäß chemischer Nomenklatur stehen hierbei H für Wasserstoff, He für das Edelgas Helium, C für Kohlenstoff, N für Stickstoff und O für Sauerstoff. Die Zahl hinter der Abkürzung bezeichnet die Anzahl der Nukleonen, also Kernteilchen, aus denen der Atomkern besteht. Der Atomkern des gewöhnlichen Wasserstoffs, des Protiums, enthält nur ein Nukleon, das Proton. Deshalb
wird er häufig nur mit p oder H anstatt mit H-1 abgekürzt. Den Atomkern des Helium-4 bezeichnet man auch als Alpha-Teilchen. Bei zwei der Reaktionen entsteht ein Positron. Es ist das elektrisch positiv geladene Antiteilchen des elektrisch negativ geladenen Elektrons. Zusammen mit dem Positron entsteht das elektrisch neutrale Neutrino. Mit der Entdeckung der solaren Neutrinos bewies Raymond Davis die Theorie Bethes. Davis erhielt für diese Arbeit den Nobelpreis für Physik. Das Photon schließlich ist das Teilchen, aus dem Licht besteht.
Kernfusion lässt sich auch im Labor erzeugen. Ermöglicht hat dies die mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnete Entdeckung des schweren Wasserstoffs von Harold Urey und Mitarbeitern [5]. Im Gegensatz zum gewöhnlichen Wasserstoff enthält der Atomkern des schweren Wasserstoffs zwei Nukleonen. Er wird mit H-2 abgekürzt. Der schwere Wasserstoff wird häufig als Deuterium und sein Atomkern als Deuteron bezeichnet. Deshalb werden
beide gewöhnlich mit D anstatt mit H-2 abgekürzt.
Ernest Rutherford und Mitarbeiter [6, 7] beschossen Deuterium enthaltende Materialien mit hochenergetischen Deuteronen und erzeugten erstmals die Verschmelzung von Atomkernen gemäß der Reaktion
H-2 + H-2 = H-3 + H-1.
Bei dieser Gelegenheit entdeckten Rutherford und Mitarbeiter den auch als Tritium bezeichneten überschweren Wasserstoff H-3. Sein Atomkern, das häufig mit T abgekürzte Triton, enthält drei Nukleonen.
Charles Frank schlug eine Methode vor, um Kernfusion auch bei Zimmertemperatur zu erreichen [8]. Die Verschmelzung von zwei Atomkernen wird erschwert, weil sie sich aufgrund ihrer elektrischen Ladung abstoßen. In einem Molekül sind die Atomkerne jedoch durch ein oder mehrere Elektronen gebunden. Dabei hängt der Abstand der Atomkerne von der Masse des Elektrons ab. Franks Idee bestand in der Ersetzung eines der Elektronen des Wasserstoff-Moleküls durch ein Myon. Dieses nach wenigen Millionstel Sekunden radioaktiv zerfallende Elementarteilchen besitzt dieselbe elektrische Ladung wie das Elektron. Es ist jedoch 205 mal so schwer wie dieses. Berechnungen zeigen, dass in einem ein Myon enthaltenden Wasserstoff-Molekül die beiden Wasserstoff-Atome 205 mal näher aneinander rücken als bei einem gewöhnlichen Wasserstoff-Molekül. Die Verschmelzung der Atomkerne eines ein Myon enthaltenden Wasserstoff-Moleküls läuft daher sehr schnell ab.
Luis Alvarez und Mitarbeitern gelang es, aus einem Proton und einem Deuteron bestehende Moleküle mit einem Myon zu dotieren und Kernfusion gemäß der Reaktion
H + D = He-3 + Photon
zu erzeugen [9].
Steven Jones und Mitarbeiter verbesserten das Experiment von Alvarez und Mitarbeitern, indem sie aus einem Deuteron und einem Triton bestehende Wasserstoff-Moleküle mit einem Myon dotierten. Gemäß der Reaktion
D + T = He-4 + n
katalysierten sie durchschnittlich 150 Kernfusionen pro Myon [10]. Hierbei steht n für Neutron, das elektrisch neutrale der beiden Nukleonen. Das andere ist das mit p bzw. H bezeichnete elektrisch positiv geladene Proton.
Sterne wie unsere Sonne benötigen Energie, um leuchten zu können. Wenn unsere Sonne ihre Energie nur aus chemischen Reaktionen freisetzte, so könnte sie nur einige Jahrtausende leuchten. Geologische Untersuchungen ergaben dagegen ein Alter des Planeten Erde, und damit auch der Sonne, von mehr als vier Milliarden Jahren. Robert Atkinson und Fritz Houtermans
schätzten, die sonne könne mehrere Jahrmilliarden in heutiger Stärke leuchten, wenn sie ihren gesamten Wasserstoff in Helium verbrennt. Bei dieser Kernfusion müssten jeweils vier Atomkerne des Wasserstoffs zu einem Atomkern des Heliums fusionieren, also verschmelzen [1, 2].
Hans Bethe zeigte in seiner mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichneten Arbeit, dass diese Fusion von dem in der Sonne vorhandenen Kohlenstoff und Stickstoff katalysiert wird [3, 4]. Bei dieser Katalyse läuft die folgende Kettenreaktion ab:
C-12 + H = N-13 + Photon
N-13 = C-13 + Positron + Neutrino
C-13 + H = N-14 + Photon
N-14 + H = O-15 + Photon
O-15 = N-15 + Positron + Neutrino
N-15 + H = C-12 + He-4
Gemäß chemischer Nomenklatur stehen hierbei H für Wasserstoff, He für das Edelgas Helium, C für Kohlenstoff, N für Stickstoff und O für Sauerstoff. Die Zahl hinter der Abkürzung bezeichnet die Anzahl der Nukleonen, also Kernteilchen, aus denen der Atomkern besteht. Der Atomkern des gewöhnlichen Wasserstoffs, des Protiums, enthält nur ein Nukleon, das Proton. Deshalb
wird er häufig nur mit p oder H anstatt mit H-1 abgekürzt. Den Atomkern des Helium-4 bezeichnet man auch als Alpha-Teilchen. Bei zwei der Reaktionen entsteht ein Positron. Es ist das elektrisch positiv geladene Antiteilchen des elektrisch negativ geladenen Elektrons. Zusammen mit dem Positron entsteht das elektrisch neutrale Neutrino. Mit der Entdeckung der solaren Neutrinos bewies Raymond Davis die Theorie Bethes. Davis erhielt für diese Arbeit den Nobelpreis für Physik. Das Photon schließlich ist das Teilchen, aus dem Licht besteht.
Kernfusion lässt sich auch im Labor erzeugen. Ermöglicht hat dies die mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnete Entdeckung des schweren Wasserstoffs von Harold Urey und Mitarbeitern [5]. Im Gegensatz zum gewöhnlichen Wasserstoff enthält der Atomkern des schweren Wasserstoffs zwei Nukleonen. Er wird mit H-2 abgekürzt. Der schwere Wasserstoff wird häufig als Deuterium und sein Atomkern als Deuteron bezeichnet. Deshalb werden
beide gewöhnlich mit D anstatt mit H-2 abgekürzt.
Ernest Rutherford und Mitarbeiter [6, 7] beschossen Deuterium enthaltende Materialien mit hochenergetischen Deuteronen und erzeugten erstmals die Verschmelzung von Atomkernen gemäß der Reaktion
H-2 + H-2 = H-3 + H-1.
Bei dieser Gelegenheit entdeckten Rutherford und Mitarbeiter den auch als Tritium bezeichneten überschweren Wasserstoff H-3. Sein Atomkern, das häufig mit T abgekürzte Triton, enthält drei Nukleonen.
Charles Frank schlug eine Methode vor, um Kernfusion auch bei Zimmertemperatur zu erreichen [8]. Die Verschmelzung von zwei Atomkernen wird erschwert, weil sie sich aufgrund ihrer elektrischen Ladung abstoßen. In einem Molekül sind die Atomkerne jedoch durch ein oder mehrere Elektronen gebunden. Dabei hängt der Abstand der Atomkerne von der Masse des Elektrons ab. Franks Idee bestand in der Ersetzung eines der Elektronen des Wasserstoff-Moleküls durch ein Myon. Dieses nach wenigen Millionstel Sekunden radioaktiv zerfallende Elementarteilchen besitzt dieselbe elektrische Ladung wie das Elektron. Es ist jedoch 205 mal so schwer wie dieses. Berechnungen zeigen, dass in einem ein Myon enthaltenden Wasserstoff-Molekül die beiden Wasserstoff-Atome 205 mal näher aneinander rücken als bei einem gewöhnlichen Wasserstoff-Molekül. Die Verschmelzung der Atomkerne eines ein Myon enthaltenden Wasserstoff-Moleküls läuft daher sehr schnell ab.
Luis Alvarez und Mitarbeitern gelang es, aus einem Proton und einem Deuteron bestehende Moleküle mit einem Myon zu dotieren und Kernfusion gemäß der Reaktion
H + D = He-3 + Photon
zu erzeugen [9].
Steven Jones und Mitarbeiter verbesserten das Experiment von Alvarez und Mitarbeitern, indem sie aus einem Deuteron und einem Triton bestehende Wasserstoff-Moleküle mit einem Myon dotierten. Gemäß der Reaktion
D + T = He-4 + n
katalysierten sie durchschnittlich 150 Kernfusionen pro Myon [10]. Hierbei steht n für Neutron, das elektrisch neutrale der beiden Nukleonen. Das andere ist das mit p bzw. H bezeichnete elektrisch positiv geladene Proton.
Geschichte der kalten Fusion
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