Entstehung der Elemente Symbol


  Nach dem Urknall


Unser Universum ist vor ca. 15 bis 20 Milliarden Jahren in einem gigantischen Knall entstanden. Davon gehen heute die meisten Wissenschaftler aus, obwohl diese Theorie auch unter Fachleuten nicht unumstritten ist. Nach der Urknall-Theorie war die gesamte Materie des Universums zum Zeitpunkt 0 auf einem einzigen Punkt konzentriert bevor sich der "Schöpfungsknall" entlud und unsere Wirklichkeit gegenwärtig werden ließ.


Nach dieser gängigen Theorie - auch Standardmodell genannt - stellt man sich die Bildung der Elemente wie folgt vor: Bereits in den ersten Sekundenbruchteilen nach diesem Urknall, auf den die noch anhaltende Expansion und Abkühlung des Universums folgte, kondensieren sich aus exotischen Strukturen folgende subatomare Teilchen: Photonen, Protonen, Neutronen und Elektronen. Eine Sekunde nach dem Urknall - die Temperatur beträgt noch 10 Milliarden Kelvin - schwirren überall die hochenergetischen Photonen, die in ihrer Zahl Protonen und Neutronen deutlich übersteigen. Noch sind auch die Protonen fünfmal häufiger als Neutronen, aber das soll sich schnell ändern. Nach 10 Sekunden - die Temperatur beträgt 3 Milliarden Kelvin - bilden sich durch den Aufprall von Neutronen und Protonen Deuteriumkerne (H-2). Doch das Universum ist noch so heiß, daß die Deuteriumkerne immer wieder durch hochenergetische Photonen auseinandergerissen werden.


Nach 100 Sekunden hat sich die Temperatur auf 1 Milliarde Kelvin abgekühlt und die Anzahl der Photonen ist inzwischen soweit gesunken, daß die Deuteriumkerne stabil bleiben. Die eigentliche Kernsynthese kann nun beginnen. Protonen und Neutronen wandeln Deuteriumkerne in Wasserstoff-3 und Helium-3 um. Beide werden ihrerseits größtenteils in äußerst stabile Helium-4-Kerne umgewandelt. Etwas Lithium-7 entsteht aus dem Zusammenprall von Helium-4 und Tritiumkernen, das aber seinerseits sofort wieder in zwei Helium-4-Kerne umgewandelt wird.


Nach ca. 30 Minuten - am Ende der Frühphase des Universums - enthält das nun stark abgekühlte Plasma Wasserstoff-, Helium- und wenige Lithium-Kerne. Es kann als sicher gelten, daß der gesamte Wasserstoff und das meiste Helium und bis zu 90% des Lithiums Relikte dieses Urknalls sind.


Danach mußten einige hunderttausend Jahre vergehen bis sich die Temperatur soweit abgekühlt hat, daß die Elektronen in Verbindung mit den vorhandenen Kernen treten können und sich echte Atome bilden.


Nach vielleicht einer Million Jahren ist die Temperatur im Durchschnitt auf behagliche 600 Kelvin gesunken; zum Vergleich: Der Mensch fühlt sich wohl bei ungefähr 293 Kelvin, das entspricht einer Temperatur von 21°C. Da die Materie im Raum nicht gleichmäßig verteilt ist, ballt sie sich durch die Gravitationskräfte zu riesigen Gaswolken zusammen. Aus diesen Gaswolken bilden sich Galaxien und in ihnen wiederum in einer Art Schwerkraftkollaps sog. Protosterne. Aus diesen "Baby-Sternen", die ganz überwiegend aus Wasserstoff bestehen, werden schließlich die Fixsterne, in denen alle nun folgenden Kernverschmelzungsprozesse ablaufen. Das interstellare Gas wird bis heute kontinuierlich für diese Sternbildung verbraucht. Im interstellaren Raum zwischen den sehr heißen Sonnen herrscht inzwischen eine Temperatur von nur noch 3 Kelvin.


Der wichtigste Fusionsprozeß ist die Kernverschmelzung von Wasserstoffkernen zu Helium. Unsere Sonne befindet sich in der Phase des Wasserstoffbrennens. Hierbei werden gigantische Energiemengen frei. Kleine Sterne machen bereits bei diesem Fusionsprozeß halt. Ab einer gewissen Sterngröße können aber auch andere Fusionsprozesse ausgelöst werden, diese sind temperaturabhängig. Bei 100 Millionen Kelvin werden Verschmelzungsprozesse in Gang gesetzt, in denen das Heliumbrennen einsetzt. Ein Stern verwandelt sich dann in einen roten Riesen. Aus Heliumkernen werden Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff gebildet. Bei Temperaturen von einer Milliarde Kelvin werden Fusionsprozesse ausgelöst, bei denen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff in Neon, Magnesium und Silicium umgewandelt werden. Die Endphase der Siliciumfusion führt zur Bildung eines Sternkerns, der überwiegend aus Eisen besteht.


Bei allen Fusionsprozessen von Elementen bis einschließlich Eisen handelt es sich um sog. exotherme Kernverschmelzungsprozesse, bei denen also Energie freigesetzt wird. Die Synthese aller höheren Elemente erfordert eine endotherme Fusion, bei der Energie von Außen zugeführt werden muß. Die verschieden exothermen Fusionsprozesse wirken einem Gavitationskollaps des Sterns während seiner Hauptlebensphase entgegen. Wenn der Brennstoff allerdings zu Ende geht, kollabiert der Stern um anschließend in einer gigantischen Explosion zur Nova zu werden. Die durch die Explosion ausgelöste Stoßwelle führt zu einer explosiven thermonuklearen Elementsynthese. Die Temperatur liegt bei diesen Vorgängen deutlich höher und die Ablaufgeschwindigkeit beträgt nur wenige Minuten. Der Stern platzt auseinander und in dieser ungeheuren Explosion verstreut er seine Elemente im interstellaren Raum. Sie "verunreinigen" die Nebel, aus denen dann neue Sterne und Sonnensysteme entstehen. Aus diesem Grund baut sich unsere Erde insbesondere aus Eisen, Sauerstoff und Silicium auf.

 

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