Der chemische Urknall

Inhaltsverzeichnis

Einführung

1. Vorbetrachtung: Das Atom
1.1. allgemeine Struktur
1.2. Aufbau von Protonen und Neutronen
1.3. Elektronen

2. Der Urknall – der erste Moment
2.1. Inflation

3. Der chemische Urknall
3.1. erste Materie
3.2. Hadronen
3.3. Leptonen
3.4. Kernfusion
3.5. Atome

4. Die schweren Elemente
4.1. Sterne
4.2. chemische Prozesse und Entstehung schwerer Elemente Schluss

Quellenverzeichnis

Einführung

Die Aufgabe war es die Entstehung der Elemente beim Urknall zu beschreiben. Bei der Bewältigung der Aufgabe bin ich auf kleine Schwierigkeiten gestoßen, als da wären: Wegen Stoffmangel habe ich eigenmächtig mein Thema erweitert oder etwas herausgenommen was ich für unwichtig hielt. Ich habe z.B. Punkt 2 zum besseren Verständnis der Vorgänge herein genommen und in Punkt 4 bin nicht noch näher auf die Energiegewinnung der Sterne eingegangen sondern habe nur im Groben die physikalischen Vorgänge beschrieben und mich ansonsten nur auf die Chemie konzentriert.

Des weiteren ist der Urknall ist immer noch eine Hypothese, die allerdings von den meisten Wissenschaftlern auf der Welt inzwischen als Standardtheorie akzeptiert wird. Diese Arbeit baut auf der Theorie des Urknalls und auf der Inflationstheorie auf. Des weiteren werden bestimmte im allgemeinen akzeptierten Vermutungen, deren Beweis jedoch noch aussteht (wie z.B. das sogenannte „oben“ – Quark), als gegeben hingenommen.

Der 3. Punkt ist natürlich der Hauptpunkt, aber ich habe Punkt 4 zur Ergänzung eingefügt.

1. Vorbetrachtung: Das Atom

Diese Übersicht ist notwendig zum besseren Verständnis der Vorgänge bei der Entstehung der Materie. Da das Atom der Grundbaustein (nicht der elementare Teil, aber...) unserer Welt ist hier ein paar Informationen darüber.

1.1. allgemeine Struktur

Wie bekannt setzt sich ein Atom aus einem positiv geladenen Kern und einer negativ geladenen Hülle zusammen. Der Kern besteht aus Protonen, positiv geladen, deren Anzahl die Ordnungszahl und die chemischen Eigenschaften des betreffenden Elementes kennzeichnen, und aus Neutronen, in der Ladung neutral, die außer den Protonen die Masse des Atoms ausmachen.

Neutronen können in verschiedener Anzahl im Kern des selben Elements vertreten sein, diese unterschiedlichen Elementvarianten sind Isotope des betreffenden Elements. Sie haben auf die chemischen Eigenschaften eines Elements keinen Einfluss, jedoch verändern sich doch mit der Neutronenzahl im Kern die physikalischen Eigenschaften des Atoms, wie z.B. die Radioaktivität.

Die Atomhülle besteht aus Elektronen die sich in verschieden Schalen um den Kern lagern. Die äußere Schale ist allein relevant für die „Kommunikation“ mit der Umwelt. Die inneren Schalen werden von äußeren Einflüssen wie Feuer, chemischen Bindungen o.ä. nicht betroffen bis auf Ausnahmesituationen (s. Abschn. 4.2.). Die Anzahl der Elektronen entspricht im ungebundenen Atom der Anzahl der Protonen im Kern. Die Elektronenhülle muss man sich als diffuse Wolke vorstellen, nicht als Teilchen, die um den Kern kreisen.

1.2. Aufbau von Protonen und Neutronen

Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks. Von den Quarks gibt es 6 „Geschmacksrichtungen“: unten, oben, fremd, charmant, abwärts und aufwärts. Sie tragen Ladungen, die entweder 1/3 oder 2/3 der Ladung eines Protons oder Elektrons entspricht. So setzt sich also ein Proton aus zwei aufwärts – Quarks (je 2/3 positiv geladen) und aus einem abwärts – Quark (1/3 negativ geladen) zusammen. Ein Neutron dementsprechend aus zwei abwärts – Quarks und einem aufwärts – Quark.

Neutronen sind relativ instabil. Sie haben eine Halbwertszeit von 15 Minuten. Das Alter von Protonen dagegen ist meist gewaltig.

Die Protonen und die Neutronen gehören zu den Hadronen, Teilchen die sich aus zwei oder drei Quarks zusammensetzen. Diese Quarkgruppen werden von der starken Kraft zusammengehalten.

1.3. Elektronen

Elektronen gehören zu den Leptonen, den „leichten“ Teilchen. Zu ihnen gehören außerdem noch die Neutrinos und die Myonen. Elektronen sind einfach negativ geladen und masselos.

2. Der Urknall – der erste Moment

Vor ca. 15 Milliarden Jahren setzt man den Zeitpunkt des Urknalls an. Zu dieser Zeit ist sämtliche Materie in einem Punkt von unendlicher Dichte und von unendlicher Winzigkeit zusammengepreßt. Bei 10­-[43] Sekunden, der sogenannten „Planck – Zeit“, nach dem Urknall liegt der erste erfassbare Augenblick in der Geschichte des Universums. Das zeigt schon dass wir sehr kurze Zeiträume betrachten müssen, geringste Bruchteile von Sekunden. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die vier heutigen fundamentalen Kräfte, Gravitation, schwache Wechselwirkung, starke Kraft und elektromagnetische Kraft^[1] noch zu einer „vereinheitlichten Kraft“ verschmolzen. Das liegt daran, dass ihre Austauschteilchen^[2] durch die damals herrschende Temperatur von 10[27] K gleiche Eigenschaften aufwiesen, und so nicht voneinander zu unterscheiden waren.

2.1. Inflation

Ein weiteres großes Ereignis trat 10­-[35] Sekunden nach dem Beginn ein: die Inflation. Im Zuge der Inflation, die bis 10­-[33] Sekunden nach dem Urknall andauerte, wuchs das Universum auf das 10­[50]fache seines bisherigen Volumens an. Diese ungeheure Vergrößerung konnte nur einher gehen mit einem entsprechenden Temperaturabfall. So kühlte das Universum von 10­-[28] K auf 10­-[23] K ab, ein riesiger Wärmeverlust in so kurzer Zeit.

Verursacht wurde die Inflation ebenfalls durch starke Unterkühlung, als die elektro-schwache Kraft begann, sich von der starken Kraft zu trennen. Dadurch stand ein Phasenwechsel in der Struktur des Universums an, der jedoch vor der endgültigen Trennung der Kräfte nicht vollzogen werden konnte. So kühlte sich das Universum weiter ab, und es bildete sich ein sog. falsches Vakuum.

Normalerweise wird bei einer Ausdehnung die Energiedichte geringer, da alle Teile dieses Systems mehr Raum zur Bewegung haben. Bei einem solchen falschen Vakuum bleibt die Energiedichte jedoch gleich, was laut der Relativitätstheorie dazu führte, dass dieses Vakuum eine gewaltige Abstoßungskraft verursachte, die zur starken Ausdehnung des Universums führte, bis die Abkopplung der elektroschwachen Kraft von der starken Kraft vollendet war.

Als dieser Punkt erreicht war setzte sich die gesamte gestaute Energie auf einmal frei. Dieser Energieausbruch schuf eine ungeheure Vielzahl an Teilchen die das All wieder auf die Temperatur erhitzten (zeitweise sogar überhitzten) die es auch vor der Inflation hatte. Die Inflation öffnete die Tür zur Entstehung der Materie.

3. Der chemische Urknall

3.1. Erste Materie

Durch das Ende der Inflation mit ihren großen Energie- und Materieausbrüchen konnte die Entstehung von Teilchen und später von komplexer Materie vonstatten gehen. Zu dieser Zeit hatte das Universum eine Temperatur von 10[27] K, eine heiße Masse aus noch freien Teilchen, Quarks und Leptonen und deren Antiteilchen. Ständig gab es Zusammenstöße zwischen Teilchen und Antiteilchen und die betreffenden Teilchen wurden wieder vernichtet. Jedoch war noch genügend Energie vorhanden um die Verluste durch Teilchenneubildung auszugleichen.

Der Zerstörungs- und Aufbauprozess hielt so lange an, bis die Temperatur so weit gesunken war und dass Universum sich so weit ausgedehnt hatte, dass die Teilchenproduktion wie die Zerstörung zum Erliegen kam. So waren jetzt mehr Quarks als Antiquarks vorhanden und bildeten die Grundlage der heutigen Materie.

3.2. Hadronen

Eine millionstel Sekunde nach dem Beginn von Raum und Zeit verbanden sich die ersten Quarks zu Hadronen. Sie bildeten 3ergruppen (Protonen oder Neutronen) und 2ergruppen (Mesonen). Durch die hohe Temperatur wurden Protonen in Neutronen umgeformt und umgekehrt, und so war die Konzentration der beiden Hadronen gleich. Bei der Reaktion von Protonen und Elektronen zu Neutronen entstanden Neutrinos, Leptonen ohne Masse oder Ladung. Umgekehrt entstanden Protonen und Antineutrinos aus Neutronen und Positronen. Die benötigten Elektronen und Positronen wurden durch die Annihilierung^[3] hochenergetischer Photonen gebildet.

Im Alter von 1 Sekunde gab es im Universum jedoch mehr Protonen als Neutronen, da die Entstehung eines Neutrons mehr Energie in Anspruch nahm.

3.3. Leptonen

Das Verhältnis von Protonen und Neutronen betrug 6:1 und trotzdem leitete der Zerfall einiger restlicher Neutronen in Elektronen und Neutrinos das sog. Zeitalter der Leptonen ein.

3.4. Kernfusion

Andere Neutronen wirkten mit bei der Bildung der ersten Atomkerne durch Kernfusion. Das geschah eine Minute nach dem Anfang. Der erste so entstandene Elementkern war der von Deuterium, dem schweren Wasserstoff. Dass heißt, dass ein Proton und ein Neutron sich zu einem Kern zusammenschlossen, wobei manchmal sogar noch ein zweites Neutron gebunden wurde, was dann ein Tritiumkern war.

Kam es nun vor dass ein Tritiumkern noch ein Proton band so entstand ein zweites Element: Helium 4 (2 Protonen + 2Neutronen). Damals wurden praktisch alle Neutronen in Helium 4 gebunden. Es gab zehn mal mehr Wasserstoff zu dieser Zeit als Helium, wobei allerdings auch einige noch schwerere Elementkerne entstanden:

Helium 3 (2Protonen + 1Neutron),

Lithium 7 (3Protonen + 4Neutronen) und

Beryllium 7(4Protonen + 3Neutronen).

Von etwa einer Minute bis zu einigen 10.000 Jahren war die Strahlung in Form von Gammastrahlung, die beim Zusammenbrechen oder bei der Entstehung leichter Kerne entstand, noch beherrschendes Merkmal im All. Danach, mit zunehmender Kühle und Ausdehnung des Universums, wurden die Photonen immer ärmer an Energie und so kam es zu einer Veränderung der Energieverhältnisse im Universum. Die Materie hatte sich nicht wie die Photonen verändert und so hatte sie am Ende „die Oberhand über die Energie der Strahlung“ gewonnen, „obwohl auf jedes einzelne Proton immer noch zehn Milliarden Photonen entfielen.“

3.5. Atome

Nun, nach 300.000 Jahren, begannen die Kerne Elektronen einzufangen und so vollständige, elektrisch nach außen hin neutrale Atome zu bilden. Damit waren die Atome unabhängig von den Photonen da diese von den Protonen bzw. Elektronen gestreut wurden. Nun existierten beide Formen nebeneinander her. Diese Loslösung der Materie von der Strahlung nennt man entkoppeln. Man nennt diese Phase die „ Ära der Entkopplung “.

Sie hatte zur Folge, dass das Weltall durchsichtig wurde. Inzwischen war es auf 3000 K abgekühlt. ¾ der Gesamtmasse des Universums bestanden aus Wasserstoff; der Rest wurde nahezu von Helium ausgefüllt. Aus diesen Stoffen entstanden dann Galaxien, Sterne u.a.

4. Die schweren Elemente

4.1. Sterne

Aus Wasserstoff und Helium entstanden durch die Kräfte der Gravitation die ersten Sterne in Nebeln über einen Zeitraum von hunderttausenden von Jahren. Innerhalb eines solchen Sterns herrschen riesig hohe Druckwerte und Temperaturen die die Kernfusion erlauben und ermöglichen.

4.2. chemische Prozesse und Entstehung schwerer Elemente

Milliardenfach verstärkte Dichte und Temperaturen von zehn Millionen oder mehr Kelvin zwingen Atome dazu alle ihre Elektronen aufzugeben und sich anzunähern.

Aufgrund dieser Voraussetzungen können verschiedene Prozesse zur Energiegewinnung stattfinden, je nach Masse und Zusammensetzung des Sterns. Ein Beispiel für einen Prozess ist der einfachste, der Wasserstoff- bzw. Proton – Proton – Zyklus:

Am Anfang verschmelzen zwei Wasserstoffkerne miteinander. Da aber beide positiv geladen sind, würden sie sich kurz darauf aber wieder trennen. Also wird einer zu einem Neutron umgewandelt unter Abgabe von einem Positron(ein positiv geladenes Elektron) und einem Neutrino. Es entsteht Deuteron (Deuterium ohne Elektron).Wegen der großen Konzentration von Kernen im Innern des Sterns stößt der Kern zwangsläufig mit einem anderen Proton zusammen und setzt so Gammastrahlung frei. Der entstandene Helium 3 – Kern (2 Protonen + 1 Neutron) trifft mit einem gleichartigen Kern zusammen, und dabei entstehen zum einen ein Helium 4 – Kern und zum anderen zwei Protonen . Es gibt wieder zwei Protonen und es ist ein

Helium – Kern entstanden.

Es gibt noch einige andere Prozesse die nach ähnlichen Prinzipien ablaufen, in denen z.B.:

Helium zu Kohlenstoff umgewandelt wird,

2 Kohlenstoffkerne sich zu Magnesium vereinen oder aus solchen schweren Kernen noch schwerere Kerne wie z.B. Eisen entsteht.

Auf diese Art und Weise produzieren die leichten Elemente etwas schwerere, und die wiederum noch schwerere usw. Das alles hängt natürlich von der Masse des Sterns und vom Druck und der Temperatur im Inneren ab. Zum Beispiel läuft die Entstehung von Eisen „nur in den massereichsten Sternen kurz vor ihrem Tod“ ab

Schluss

In dieser Arbeit wird lediglich eine Variante, eine Theorie erläutert. Doch wie bereits eingangs erwähnt, ist die Urknall – Theorie und alle davon abhängigen Theorien (wie z.B. die Inflationstheorie) das als am wahrscheinlichsten angesehene Szenario. Es gibt noch weitere Theorien, auf die in der Literatur jedoch nur im Allgemeinen verwiesen wurde, so dass ich keine anderen Theorien zu diesem Thema finden konnte.

Quellenverzeichnis

1.Ronan, Colin A.: Naturgeschichte des Universums 1991 / Naturbuch Verlag (beide Zitate hier)
2. dtv – Lexikon 1992 / dtv
3. Morrison, Philip und Phylis: ZEHNHOCH Dimensionen zwischen Quarks und Galaxien 1998 / Zweitausendeins

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^[1] Die schwache Wechselwirkung wirkt u.a. bei der Radioaktivität, und hat eine sehr geringe Reichweite. Die starke Kraft hält Quarks zusammen und hat, trotz der gigantischen Kraft nur die Reichweite von 10-12mm. Die elektromagnetische Kraft wirkt zwischen elektrisch geladenen Teilchen und hat, wie die Gravitation unendliche Reichweite. Die Gravitation ist die schwächste der 4 Fundamentalkräfte.

^[2] Jede Kraft hat ein Austauschteilchen durch das sie wirkt. Für die Gravitation ist das Austauschteilchen, das Graviton, noch nicht gefunden.

^[3] Zerstörung