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Kasten 4.1
Fusionsreaktionen und das Wasserstoffbrennen
Fusionsreaktionen versorgen Sterne mit
Energie, doch was genau läuft dabei eigent-
lich ab? Betrachtet man die Verschmelzung
von vier Wasserstoffkernen zu einem
Heliumkern, so fällt eine kleine Massendiffe-
renz auf: vier Wasserstoffkerne wiegen
4 · 1,674 · 10
-24
=6,696·10
-24
g, doch die Mas-
se eines Heliumkerns beträgt nur 6,648 · 10
-24
g. Dies bezeichnet man als
Massendefekt
(Abb. 4.1). Nun könnte man ja annehmen,
dass so eine kleine Massendifferenz viel-
leicht vernachlässigbar ist, doch bedenkt
man erstens, dass dieser Prozess in einem
Stern unvorstellbar oft abläuft, und zwei-
tens, dass seit Einstein Masse und Energie
äquivalent sind (seine berühmte Gleichung
E=mc
2
, wobei c die Lichtgeschwindigkeit
ist), so entspricht dieser lächerlichen Masse-
differenz von 0,048 · 10
-24
g eine Energie (die
Bindungsenergie
, in die die Masse nämlich
bei der Fusion umgewandelt wird) von
4,2 · 10
-11
Joule (10
-11
Kalorien). Auch das
scheint noch nicht wirklich viel, doch bei der
Fusion von 1 g Wasserstoff zu Helium wer-
den dadurch etwa 6,3 · 10
11
Joule frei, mit
denen man 2 Millionen Liter Wasser von 25
auf 100°C erhitzen könnte! Diese unvorstell-
bare Energieausbeute ist es, die die Fusions-
forschung auf der Erde derzeit beflügelt.
Besonders wichtig bei diesen Fusionsprozes-
sen ist das „Wasserstoff-Brennen“, die Ver-
schmelzung zweier Wasserstoff-Kerne zu ei-
nem Helium-Kern (der auch als
Alpha-Teil-
chen
bezeichnet wird), und der so genannte
„Drei-Alpha-Prozess“ („Helium-Brennen“),
bei dem aus drei
4
He-Kernen ein
12
C-Kern
entsteht. Als „Reaktionsgleichungen“ ge-
schrieben, sehen diese Fusionsreaktionen so
aus:
Fusions
r
eaktion
exotherm
endotherm
0,01
56
Fe
9
0,009
8
16
O
0,008
238
U
7
9
0,007
13
C
17
O
12
C
6
11
B
4
He
18
O
10
B
0,006
15
N
14
N
5
9
Be
7
Li
0,005
6
Li
4
3
H
0,004
3
He
3
2
H
0,003
0
2
0
30
0,003
1
0,001
2 40 80 120 160 200 240
Nukleonenzahl
4.1
Darstellung der Bindungsenergie, die pro
Nukleon freigesetzt wird, wenn ein Nuklid sich
durch eine Fusionsreaktion bildet. Auf der x-
Achse ist die Zahl der Nukleonen (also Neutro-
nen plus Protonen) pro Atom aufgetragen.
Man beachte, dass links die Bindungsenergie
und rechts der bei der Fusion in Energie umge-
setzte Massendefekt aufgetragen ist. Bis zum
56
Fe verlaufen solche Fusionsreaktionen exo-
therm, d.h. es wird Energie freigesetzt, danach
würde bei der Fusion keine Energie mehr frei-
gesetzt, weshalb sich die Elemente, die schwe-
rer sind als Eisen, durch andere Prozesse bilden
(siehe Text). Der Kasten in der Mitte ist eine
Vergrößerung des linken Teils der Abbildung,
um die Irregularitäten beim
4
He,
12
C und
16
Ozu
zeigen.
1
1
H+
1
H
2
1
H+b
+
+ v
2
1
H+
1
H
3
2
He + g
2
He +
2
He
4
Be
12
6
C+g
wobei b
+
, v und g ein Positron, ein Neutrino
bzw. Gammastrahlung bedeuten.
8
4
Be +
2
He