Welt der Naturwissenschaften
(Scientific Medley)

 Jahresübersicht 2008

Die Gedankenfreiheit ist die einzig wahre und die größte Freiheit, die der Mensch erreichen kann.
(Maxim Gorki)

21. November 2024

Die Atombombe, kaum wird sie erwähnt, zieht im Schlepptau unvermeidlich das ominöse E = mc² nach sich. Die Formel besagt, dass Energie gleich Masse mal der Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat ist, und sie hat eine Geschichte, die in der Schweiz begann.

Der in Bern lebende deutsche Physiker Albert Einstein hatte 1905 in der Zeitschrift „Annalen der Physik“ mehrere Arbeiten veröffentlicht. Eine dieser Arbeiten, es war eine Abhandlung über Photonen (Lichtteilchen), führte später zum Nobelpreis. Eine andere Arbeit „zur Elektrodynamik bewegter Körper“ fand zunächst keine Beachtung, denn Einstein hatte darin behauptet, dass Raum, Zeit und Masse keine fundamentalen Größen sind. Sie sind nicht absolut sondern relativ.

Als sich Einsteins Theorie herumzusprechen begann, formierten sich seine Feinde, die großteils aus der antisemitischen Ecke kamen. Einstein war Jude, also musste er schon deswegen Unrecht haben. Höhepunkt der Angriffe bildete das Buch „100 Autoren gegen Einstein“.

Während die Physiker herumstritten, begann den Chemikern zu dämmern, dass an Einsteins Formel etwas dran sein musste. Der Kern eines Wasserstoffatoms ist ein Proton mit der Masse 1,0073 u. („u“ ist die hier nicht näher erläuterte Einheit der Atommasse). Ein Neutron hat die Masse 1,0087 u. Ein Heliumkern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Rechnet man die Massen zusammen, erhält man einen theoretischen Wert von 4,032 u. Der Heliumkern hat aber tatsächlich nur eine Masse von 4,0015 u. Er ist also wesentlich leichter als er sein sollte. Dieses Phänomen nennt man „Massendefekt“. Wasserstoff und Helium sind die leichtesten Atome, die es gibt. Bei den schweren Atomen finden wir das gleiche Phänomen, aber in die andere Richtung. Teilt man einen Urankern in zwei Teile, erhält man Barium- und Kryptonkerne. Das eine Element ist ein Metall, das andere ein Edelgas. Auch hier sind die beiden Bruchstücke leichter als erwartet. Bei den leichten Atomen geht also Masse durch Atomkernfusion verloren, bei den schweren Elementen durch Atomkernspaltung.

Verwendet man Einsteins Formel, erhält man fantastische Zahlen. Bei der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium beträgt der Massendefekt 0,75%. Fusioniert man 1 Kilogramm Wasserstoff zu Helium, werden 7,5 Gramm in Energie umgewandelt. Dieser Wert multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat (eine 9 mit 16 Nullen) ergibt 675 Billionen Joule oder 187,5 Millionen Kilowattstunden. Was hier zunächst unvorstellbar erschien, wurde 1945 Realität. Die Atombomben setzen Energie durch Massendefekt frei, in Hiroschima durch Spaltung schwerer Atomkerne, später (in der Wasserstoffbombe) durch Fusion von leichten Kernen.

Die Wasserstoffbombe

Helden der Wissenschaft:
Roger Penrose
(* 1931) berechnete gemeinsam mit Stephen Hawking die Verteilung von Masse und Energie im Universum und bewies die Existenz von Schwarzen Löchern.