Kernphysik mit Kikka
Channelkind Kikka fragte nach Hilfe bei den Physikhausaufgaben. Und da ich gerade mit dem E90 alleine in Amsterdam bei einem Hamburger und einem Bier saß, dachte ich, ich erklär ihm mal den Teil meiner Schulphysik, an den ich mich ein halbes Leben und zwei Bier später noch erinnere. Das Ergebnis ist zwar nicht unbedingt eine Antwort auf seine Frage, aber vielleicht trotzdem nützlich.
kikka> Moo, ich muss was über Kernspaltung und Fusion schreiben.
Isotopp> Mach doch einfach. Welches Fach?
kikka> Physik. Ich weiß nicht, ob ich das kann. Und ob ich mich da ausdrücken kann.
Isotopp> Klar kannst Du. Geht es auch genauer? Was ist der Kontext? Was habt ihr zu dem Thema behandelt? Was ist das Ziel? Weisst Du was Alpha, Beta, Gamma Zerfall ist?
kikka> Eine sehr gute Frage. Das haben wir mal nebenbei angeschnitten.
Isotopp> Was Fusion und e = mc^2 miteiander zu tun haben? Wer Feynman ist?
kikka> Nope, nope.
Isotopp> Feynman war cool. Atombombenerfinder, Safeknacker, Trommler, Nobelpreisträger, Physiklehrer und Space Shuttle Debugger.
kikka> Ne, das hatten wir nicht. Wir hatten was mit Bindungsenergie in meV von geladenen Nukleonen oder so.
Isotopp> Wie lautet die Aufgabe denn genau? Ich meine, das ist ein weites Feld.
kikka> Moment. Text: “Warum lässt sich durch Kernspaltung bzw Kernfusion Energie freisetzen?”
Isotopp> Ah. Da kann man dann ja ein paar Stunden zu berichten. Also, wenn Du Dir mal die verschiedenen typischen Zerfälle anguckst, wie sie in Reaktoren stattfinden, U235 Zerfall etc. Dann siehst du ja, daß die Summe der Reaktionsprodukte leichter ist als die der Ausgangsmaterialien ist, und da e = mc^2, bumm. Ditto bei Fusion. Jetzt muss man nur noch die typischen Fissions- und Fusionsreaktionen aufmalen.
kikka> Dazu sollen wir ein Diagramm beschreiben und mit Bezug darauf Kernspaltung und Kernfusion unterscheiden.
Isotopp> Dein Diagramm enthält mit Sicherheit Spaltprodukte, so was wie U235 plus Neutron werden zu irgendwas plus Gammaquant. Das Gamma ist ein Photon, also Energie. Fission ist im Grunde simpel, du haust wahlweise einen Heliumkern (alpha), ein Elektron (beta) oder ein Photon (gamma) raus, und hast dann ein neues Element.
kikka> Wir hatten die Massezahl gegen die Energie in MeV aufgetragen gehabt. Und seltsamerweise finde ich meine verdammten Aufzeichnungen nicht.
Möh. Doofes E90 kann kein Cut und Paste im Putty. Sonst hätten wir hier auch abkürzen können.
Isotopp> Kannst du ja ausrechnen. Masse m, Lichtgeschwindigkeit c und dann Energie in MeV umrechnen. Du kriegst J, Du willst MeV.
kikka> Was hat denn die Lichtgeschwindigkeit und die Masse damit zu tun?
Isotopp> e = mc^2?
kikka> Damit haben wir garnichts gemacht
Isotopp> Nein, aber das liegt zugrunde. Wenn du die Massezahlen vorher und nachher aufsummierst stellst du fest, das dir eine winzigkeit Masse pro Atom fehlt. Was doof ist, denn wir haben im Universum ja Masseerhaltung, und Energieerhlaltung, und Ladungs- und Spinerhaltung.
Isotopp> Guck mal nach Decay Chain . U235 -> Thorium-231 plus ein Alphateilchen und die Summe von Th231 plus 2n plus 2p ist kleiner als die Masse von U235.
kikka> Wir haben nichts mit Alpha, Betateilchen gemacht.
Isotopp> Sondern? Also U235 ist jedenfalls Actinium series decay chain und dann Alphazerfall zu Th231.
kikka> Wir haben auch noch nichts mit Verfall gemacht. Wir waren mit Bindungsenergie beschaeftigt und Kernenergie.
Isotopp> Du sagtest was von Diagramm?
kikka> Das:
Ich tippe die URL ab.
Isotopp> Hm, ja. Fe ist doof. Habt ihr schwache und starke Kernkraft gemacht? Die 4 Grundkräfte?
kikka> Nein.
Isotopp> Warum fliegt ein Alphateilchen/Heliumkern nicht auseinander? Da sind 2 Protonen drin, also zwei +-Ladungen. Die stossen sich doch ab?
kikka> Dachte ich auch. Oder ist das wieder so komisch, dass die Hülle den Kern anzieht und die andere Hülle den anderen Kern?
Isotopp> Nein, es gibt andere Kräfte, die Teilchen aneinander kleben lassen und die sind viel stärker als elektromagnetuische Abstossung, aber die reichen weniger weit, sie nehmen also auf Entfernung schneller ab als Elektromagnetismus. Auf kleine Distanzen kleben also Nukleonen aneinander, auf Abstand aber stoßen Protonen einander ab.
kikka> Ich glaube das ist viel zu weit für Sek I.
Isotopp> Der Punkt ist: die Dinger stossen einander ab, aber es gibt Kurzdistanzkleber. Der Kurzdistanzkleber sind die starke und schwache Kernkraft, in englisch strong und weak force.
Isotopp> Und mit der weak force spielt man genau bei Fission. Sorry, strong force sogar, glaub ich. Strong force ist komisch, das ist eine Kraft, die um so stärker wird, je groesser der Abstand wird. Das ist genau anders als bei den anderen Kräften. Jedenfalls, wenn du weiter da rein bohren willst, jenseits von Bindungsenergien und Massezahlen, dann willst du Standardmodell, LHC, Starke Wechselwirkung, Schwache Wechselwirkung, und Decay Chain, Alphazerfall, Betazerfall (b+ und b-) und Gammazerfall als Suchbegriffe. Wikipedia ist da gar nicht übel zum Nachlesen.
kikka> So, ich hab Unterlagen wieder. OK, effektiv sehe ich nur ein Diagramm, ergo kann ich nur eines beschreiben. Ein Satz verwirrt mich: (Aus einem Referat) “Die pro Kernspaltung nutzbare Energie von 190 MeV ist so klein, dass rund 33 Mrd Urandkerne gespalten werden müssen, um 1J Wärme zu erzeugen” Ist 1J viel oder wenig? :)
Isotopp> Ja und? Was ist den die Definition von 1J? Und wieviel J brauchst du pro Tag zum Leben? Und sind 33 Mrd. Kerne viel? Wieviel kerne sind ein mol? Was ist die Avogadrozahl genau?
kikka> Ah, uh, übersehen: 1J = 6,24210^18 eV. Und was ist die Avogadrozahl?
Isotopp> Was ist ein mol, kikka ?
kikka> Eine Stoffmenge.
Isotopp> 1J ist die Energie die du brauchst um 1g = 1ml Wasser um 1C zu erwärmen.
Nein, das ist eine Kalorie. Eine Kalorie sind außerdem 4,1868 Joule. Die folgende Rechnung ist also um den Faktor 4.einbischen falsch. Danke, Ingo.
kikka> Ah, das. Ich kann mir da immer nur das ^23 merken, den Rest nicht.
Isotopp> 6.023 mal 10 hoch dreiundzwanzig von was genau?
Ba|rog> Teilchen
Isotopp> Ba|rog: Bäh, ich will das kikka seine Arbeit selber macht.
Ba|rog> oh. ‘zeihung.
kikka> Ja, gut, jetzt hat Ba|rog es verraten ;)
Isotopp> kikka: ein Mol U235 sind 6.023 * 10^23 Atome. Wieviel Mrd atome sind das?
Isotopp> Also 6.023 * 10^23 / 10^9 = ?
Isotopp> 10^23 / 10^9 = 10^(23-9) = 10^(14)
Isotopp> Also 100 Billionen Mrd, also 10 Billionen * 10 Mrd, also etwa 3 billionen * 30 Mrd, also etwa 3 Billionen Joule.
Isotopp> Ein Mol U235 setzt also 3 Billionen J frei, wenn man es komplett spaltet.
Isotopp> Wieviel g ist ein mol U235 schwer?
kikka> Wie komme ich denn jetzt auf g?
Isotopp> Lies mal Mol . Es ist U235, also: genau 235g. Ein Mol von einem reinen Stoff mit Atomgewicht x wiegt genau x Gramm und hat genau A teilchen drin, A ist die Avogadro-zahl.
Isotopp> U235 -> 1 mol wiegt genau 235g
Isotopp> U238 -> 1 mol sind 238g
Isotopp> C12 -> 1 mol sind 12g
Isotopp> Wenn es ein Gas wär, wüßtest du auch, es sind 22.4l.
kikka> Ah, OK.
Isotopp> Aber Uran ist ein festes Metall mit einer Dichte von 19.2. Was heißt Dichte 19.2?
Isotopp> Wasser hat Dichte 1, ein Liter wasser = 1 Kilo.
Isotopp> Ein Liter Uran = 19.2 Kilo
Isotopp> Wieviel Volumen haben 235g Uran?
Isotopp> 235g/19.2g/ml = 12.2 ml
Isotopp> ein Schnapsglas = 20ml = 2cl
Isotopp> ein halbes Schnapsglas U235 = 3 Bio Joule Bumm bei vollständiger Kernspaltung.
Isotopp> ein Joule = 1ml wasser wird ein Grad heißer als vorher.
Isotopp> Wenn du also ein halbes Schnapsglas U235 hast, wiegt das 235g, so viel wie ein Becher Milch. Und wenn du das spaltest, gibt es einen fiesen Blitz, weil das 100g wasser um 30 mrd grad aufheizen würde. Und am Ende hast du einen Haufen Alphateilchen und Thorium 231. Vermutlich als Dampf. :) Eher als Plasma. Das ist Dampf, der so heiß ist, daß den Atomen die Elektronen wegfliegen, weils zu warm ist.
kikka> Und warum würde sowas passieren?
Isotopp> Was?
kikka> Warum würde es sich spalten? Was braucht man für eine Spaltung?
Isotopp> Oh, da schaust du mal Kettenreaktion
kikka> Kettenreaktion Da?
Isotopp> Genau. Der Punkt da ist: um einen Zerfall auszulösen braucht es etwas, etwa ein Neutron mit der richtigen Energie. Und der Zerfall, der dann stattfindet setzt wieder Neutronen frei, ggf. mehr als eins. Die treffen dann stabile Atome im Umkreis, die dann zerfallen und die setzen wieder Neutronen frei, noch mehr. Manchmal passt es genau, dann koennen die freigesetzten Neutronen direkt auf die umliegenden Atome einwirken. Manchmal passt es nicht, dann sind die freigesetzten Neutronen zu schnell, um bei den umliegenden Atomen den Zerfall zu triggern. Dann fügt man noch einen weiteren Stoff dazu, im Umfeld, eine Neutronenbremse. Das nennen wir einen Moderator. Das kann Wasser sein, oder Kohlenstoff.
kikka> Ansonsten könnte sich das unguenstig ausbreiten, oder wie?
Isotopp> Der Moderator soll auch dazu dienen, generell Neutronen aufzusaugen, weil wir ja nicht wollen, daß sich in Sekundenbruchteilen 3 Bio J freisetzen und bumm. Sondern weil wir wollen, dass unser Reaktor mal so grad Wasser am Kochen haelt, das dafür aber fuer viele Jahrhunderte. “unguenstig ausbreiten” exakt.
kikka> Okay. So, ich versuch dann mal mit meinen Wörtern den Unterschied zwischen Spaltung und Fusion beschreiben.
Isotopp> Ich höre.
kikka> Also, bei der Fusion kommt ja noch das Neutron dazu und bei der Spaltung wird dazu ja nur hohe Rahmenbedingen vorrausgesetzt, oder so.
Isotopp> Du meinst als Auslöser?
kikka> Ja.
Isotopp> Ja, aber das ist nur ein technisches Detail. Schau noch mal auf deine Zeichnung mit der “Bindungsenergie”. In der Natur gibt es etwas, das heisst “Entropie”. Alle natürlichen Prozesse haben eine Richtung, alles in der Natur versucht immer den energieärmsten Zustand einzunehmen. Dinge werden von Natur aus immer unordentlicher und nie von selbst ordentlicher.
Isotopp> Du hast Kernreaktionen, also Umwandlungen von Elementen in andere Elemente. Bei Fusion entsteht etwa aus Wasserstoff Helium, und bei Fission aus Uran Thorium. In beiden faellen wird “Bindungsenergie” frei, das heisst das Reaktionsprodukt hat weniger Masse als die Summe der Ausgangsstoffe. Die fehlende Masse, das ist Energie, viel Energie.
Isotopp> In Deiner Zeichnung kannst du am linken Rand von H2 auf He4 über gehen. Das He ist aber etwas leichter als 2 Stück H.
kikka> Ja.
Isotopp> Das ist die Fusionsenergie, die frei wird.
kikka> Also 1 MeV?
Isotopp> Mehr.
kikka> Ah, 6 MeV
Isotopp> Ja, von H2 nach He4 in der Zeichnung. Jetzt begriffen?
kikka> Ja.
Isotopp> Okay.
kikka> Das haben wir auch schonmal gemacht.
Isotopp> Die Sonne. Wie generiert sie Energie? So: Kernfusion in Gestirnen Also, in der Sonne entsteht Helium
kikka> Deuteriumkerne fusionieren zu Heliumkernen?
Isotopp> Ja
kikka> Hmm.
Isotopp> Also 2H + 3H -> 4He + 1N + ein Haufen MeV
kikka> Sag mal, die Spaltung, gebraucht die schwerere Kerne als die Fusion. Die benutzt ja leichte.
Isotopp> Ja. Schau noch mal in die Zeichnung mit der Bindungsenergie. Die Kurve hat ein Minimum. Wo liegt das?
kikka> Zwischen Fe und Sr?
Isotopp> Ziemlich genau bei Fe. Das ist Eisen. Ok, ich habe vorhin das Wort Entropie gebraucht und daß alles im Universum immer den energieärmsten Zustand einnehmen will. He ist energieärmer als H. Durch Fusion entsteht aus 2H + 3H -> 4He + 1n + MeV. Es wird also Energie frei, das Resultat ist um 17 MeV energieärmer. Leichter, denn Energie ist Masse, sagt Einstein.
Isotopp> durch Fission kommen wir ebenfalls auf einen energieärmeren Zustand. Aber nur, wenn wir mit dicken Kernen anfangen. Und beim Eisen ist alles aus. Da ist deine Bindungsenergie zwischen den Nukleonen minimal. Soweit klar?
kikka> Da gehts nicht mehr runter, oder wie?
Isotopp> Nein. Siehst du ja am Diagramm. Du kannst von unten an Eisen ran mit Fusion, oder von oben an Eisen ran durch Fission. Ok?
kikka> Ja.
Isotopp> Ok, Urknall. Das Universum entsteht. Grosser Blitz, alles Plasma, Dinge kühlen ab, wir haben Wasserstoff. Wie ist das Uran entstanden? Erst mal, wie ist das Helium entstanden? Das ist leicht.
kikka> Durch Fusion von dem Wasserstoff?
Isotopp> Exakt. Und Sauerstoff? Bethe-Weizäcker Zyklus Auch durch Fusion, aber eine komplizierte. Diese Fusion wurde 1938 oder so zuerst beschrieben und zwar von Bethe und C.F. Weizäcker. Das ist der Bruder von Richard Weizäcker, und ein Kieler.
Isotopp> Kiel hat jede Menge tolle Atomphysiker. Der Max Planck zum Beispiel kommt auch aus Kiel. Planck ist ein Supergott der Physik. Planck fragte sich: Wenn so ein Elektrom um einen Atomkern kreist, wieso wird es dann nicht langsamer und fällt in den Kern?
kikka> Weil es abgestoßen wird, oder so?
Isotopp> Der Kern hat positive Ladung, das Elektron negative. Die ziehen sich an. Drum kreist das Elektrom ja. Das ist ja nicht wegen Gravitation so, dafür sind die Teile viel zu leicht.
Isotopp> Es gibt keine Erklärung dafür, wenn man nicht eine Annahme macht. Und das geht so: Die Umlaufbahn von einem Elektron um den Kern wird bestimmt durch die Energie. Je mehr “Schwung” Du da rein drückst, um so weiter draußen kreist das Elektron. Wenn es Energie verliert, kreist es näher am Kern, es wird dichter angezogen.
kikka> Kann man da Schwung reindrücken?
Isotopp> Ja, das Elektron kann zum Beispiel ein Photon (Licht, Energie) absorbieren. Dann gewinnt es Energie. Das Photon ist weg, und das Elektron schneller, kreist weiter draussen. Oder das Elektron geht näher an den Kern, dazu muß es Energie los werden, abstrahlen. Das Elektron gibt ein Photon ab. Wenn das Photon die richtige Menge Energie hat, ist es im Bereich des sichtbaren Lichtes, dann leuchtet das Material.
Planck hat jetzt festgestellt: Atome brechen nicht zusammen. Das kann nicht sein. Er kann berechnen, dass ein Energie verloren gehen müßte, daß Elektronen langsamer werden müßten. Und danach wären wir alle tot, weil es keine kreisenden Elektronen mehr gibt. Das ist aber nicht der Fall - offensichtlich.
Daher mußte Planck annehmen, daß es Energie nicht in stufenlosen Größen gibt, sondern nur in Energieeinheiten. Es gibt Energieatome.
Und jede Form von Photon, die du siehst, kann nur eine Energie von x * Grundeinheit sein. Die Grundeinheit von Energie nennt man ein Wirkungsquantum h. Und das ist das nach Max Planck benannte plancksche Wirkungsquantum. Das Elektron würde also gerne Energie abgeben und näher an den Kern ran, aber es kann nicht. Es muss mindestens ein h abstrahlen.
Das war um 1900, und die Geburtsstunde einer neuen Physik, nicht stufenlos, sondern auf der Basis von Energieteilchen, Wirkungsquanten. Wir nennen das Quantenphysik.
Dummerweise paßt die Mathematik der Quantenphysik nicht zur Mathematik von Einstein, der Relativitätstheorie.
Da wird es dann kompliziert, unter anderem, weil wir heute, mehr als 100 jahre später immer noch keine Lösung haben. Und darum, lieber kikka, haben wir letzte woche den LHC in betrieb genommen. Wegen Einstein und wegen Planck.
kikka> Und der wird dann etwas Neues hervorbringen?
Isotopp> Ja. Wir wissen seit Planck, dass Licht, Wärme und Radio von Teilchen erzeugt werden. Die Kraft, die wir da haben, ist die elektromagnetische Kraft, Kraft 3 von 4. Und sie wird ausgeübt von Photonen.
Auch für die weak und die strong force haben wir Teilchen, von denen wir wissen, daß es sie gibt, und daß sie die Kraft übertragen.
Nur für die Gravitation, Kraft Nummer 4, haben wir das nicht.
kikka> Ich nehme an, sowas kommt im LK Physik in der Oberstufe?
Isotopp> Wo auch immer das Standardmodell besprochen wird. Standardmodell
In dem Artikel heisst es: “Das SM ist eine relativistische Quantenfeldtheorie”. Das kannst du nun verstehen. Relativistisch ist die Mathematik von Einstein. Quantentheorie ist die Mathematik von Planck. Beide passen nicht zusammen. Eine relativistische Quantenfeldtheorie, wenn wir sie hätten, würde beides miteinander vereinen. Und (“feldtheorie”) erklären, wie die 4 Grundkräfte des Universums miteinander zusammenhängen. Also was Gravitation, Elektromagnetismus, Weak und Strong force miteinander zu tun haben. Es wäre eine Great Unified Theory (GUT). Die Physik der letzten 100 Jahre, seit Planck, hat nichts anderes zu tun gehabt als eine GUT zu finden. Aber uns fehlt dazu ein Teilchen.
kikka> Hm, da von haben die auch in The Big Bang Theory geredet.
Isotopp> Wie haben Teilchen die elektromagnetische Kraft (Licht, Wärme, Radio) übertragen, die Photonen. Wir haben Gluonen und so. Aber uns fehlt das Teilchen, das Schwerkraft erzeugt, das Graviton.
Im Standardmodell heisst das Graviton das Higgs Boson und der LHC wurde gebaut, um das Higgs zu finden. Wenn wir es finden und wissen wieviel Energie es besitzt, dann können wir die mathematischen Werkzeuge, die wir haben, kalibrieren, also die passenden Naturkonstanten einsetzen. Und dann haetten wir eine GUT. Und die Physik haette endlich fertig. Nach 100 jahren!
kikka> Und dann, würde das wieder neue Fragen aufwerfen?
Isotopp> Aber ja!
kikka> Hmm. Und dann währet ihr wohl sehr glücklich, oder so?
Isotopp> Jeder der mal Physik gemacht hat in den letzten 100 jahren wär dann sehr sehr glücklich
kikka> Hm. Dann kann dieser LHC ja gutes bringen.
kikka> Was passiert, wenn es dieses Higgs-Boson aber nicht gibt, und der LHC das nicht findet?
Isotopp> Dann können wir eine ganz Menge Mathe weg schmeissen.
kikka> Ich mache lieber Hausaufgaben zu Ende.
Isotopp> Zu deinen Hausaufgaben: Du siehst dass durch Fusion aus Wasserstoff neue Elemente entstehen. Aber nur bis Eisen rauf.
Isotopp> Bindungsenergie Fusion -> Eisen. Danach muss man Energie aufwenden. Das passiert nicht, normalerweise, wegen Entropie. Wir haben Urknall, wir haben Wasserstoff, wir haben Fusion, also haben wir Helium Wir haben bethe-weizäcker, also kriegen wir aus Helium auch C, N und O, und dann durch noch kompliziertere Prozesse auch alles andere bis Fe rauf. Aber: Uran existiert. Wo kommt das Uran her?
kikka> Sorry, ich kann momentan nicht mehr denken.
Isotopp> Hatten wir auch noch nicht. Irgendwann einmal besteht der Kern eines Sterns aus Eisen. Eisen brennt nicht mehr durch Fusion. Nix im Stern erzeugt noch Energie, der Stern bricht zusammen, weil nichts mehr die Masse des Sterns auseinander drückt.
Durch das Zusammenbrechen, das sehr sehr schnell passiert, heizt sich das Plasma im Kern noch mehr auf. Ein riesiger Blitz entsteht. Eine Supernova .
“Beim Eisen, dem 26. Element, stoppt die Fusionskette, da Eisenatomkerne die höchste Bindungsenergie aller Atomkerne haben und weitere Fusionen Energie verbrauchen statt erzeugen würden. Bei der Explosion selbst treten allerdings Bedingungen auf, die zur Entstehung schwerer Elemente wie Gold, Blei, Thorium und Uran führen.” Alles in der Welt, das du siehst, das schwerer ist als Eisen, ist im Universum in Supernovas entstanden. Du trägst in deinem Körper die Teile von explodierten Sternen.
kikka> Das ist … weird.
Isotopp> Sterne durchlaufen beim Brennen verschiedene phasen, und mit diesen Phasen auch verschiedene Größen und Temperaturen (die sich als Farben erkennen lassen).
Man kann das aufmalen: Hertzsprung-Russell-Diagramm . Unsere Sonne > ist ein Hauptreihenstern der Spektralklasse G2. Schau auf die X-Ache des HR-Diagramms.
kikka> Also in der Mitte?
Isotopp> ja
kikka> OK.
Isotopp> Spektralklasse G Farbe gelb, Temperatur 5000-5900K mit Linien von Ca, FE und anderen Metallen
kikka> Das wird sich dann aber aendern, in einigen Jahren.
Isotopp> Morgan-Keenan spectral classification Das brennt schon 5 mrd Jahre, Minimum. und wird mindestens noch mal so lange so bleiben.
kikka> Ach. Okay.
Isotopp> Der Punkt ist: Teile der Energie einer Nova gehen in den Blitz, andere in die Gewinnung schwerer Elemente. In den Bruchteilen einer Sekunde, die den eigentlichen Novablitz ausmachen, wird durch Fusion von Eisenkernen und Energie neue, schwerere Masse erzeugt. Alles im Universum, was schwerer als Eisen ist, ist so entstanden.
Praktischerweise wird es durch die Explosion auch gleich im Universum verteilt. So eine Nova bläst ja jede Menge Dreck raus. Ich meine, da fliegt ein ganzer Stern in die Luft.
Und diese Energie, die bei der Supernova durch diese unnatürliche, Energie kostende Fusion gebunden worden ist, kann später wieder freigesetzt werden, durch Fission. Der Energieerhaltungssatz ist also nicht verletzt worden, es entsteht nicht Energie aus dem Nichts.
kikka> Okay. Ich denke, das war genug Physik für eine ganze Woche. :) Danke dafür.
Isotopp> Und jetzt weisst du was Fusion mit Fission zu tun hat, und was Sterne mit Nukleonen zu tun haben, was die Physik so überhaupt die letzten 100 jahre gemacht hat, wer Feynman, Planck, Einstein und Weizäcker waren, wieso Kiel toll ist, und wieviel ein Mol ist, was Gramm mit Mol zu tun haben, was Gramm mit Milliliter zu tun haben über Dichte, und wie groß der Blitz ist, den ein Mol U235 macht. Du weisst was Alpha, Beta und Gamma-Zerfall ist, was die vier Grundkräfte im Universum sind, und was die Worte GUT und relativistische Quantenfeldtheorie bedeuten. Und wieso das mit dem LHC letzte Woche wichtig war.
kikka> Ich denke, das ganze muss ich nochmal ins Gehirn einprägen. Auf jedenfall. Aber 100 Jahre, und nicht viel hat sich geändert. Ist das normal? Gab es das öfters?
Isotopp> Nein. Das ist ein super hartes Problem. Darum ja der ganze Aufstand mit dem LHC.
Du musst dir mal vorstellen, die schweizer Alpen, 27 km Tunnel, vier Stockwerke hoch, 100 Meter unter der Erde und das ist nur der Grosse Ring.
Die stärksten Magnete der Welt, Elektromagnete, super hoch gepowered, so viel Strom da drin wie in einer ganzen Stadt. Damit das geht, alles runter gekühlt auf 2K (-271 Grad C), damit der Mist supraleitend wird.
Dann einen Protonenstrahl bauen und da reinschleudern, auf mehrere GeV beschleunigen, einen links rum, einen rechts rum.
Ein Protonenpaket hat dabei so viel Masse wie ein auf 27km breit gezogenes Sandkorn, aber so viel Energie wie ein Jumbojet voll TNT. Und dann nimmt man zwei so grosse Pakete und läßt die aufeinander zu rasen, so genau fokussiert, daß die einander tatsächlich treffen, und zwar genau da wo man so einen Detektor stehen hat und nicht irgendwo im Tunnel. Such mal Bilder von einem CERN ATLAS Detektor.
kikka> Habe ich schon gesehen.
Kai reicht mir CMD Detector Assembly Particle Hunters rein.
Isotopp> Während der Explosion entstehen Trümmer, neue Teilchen. Das dauert Femtosekunden. Und in der Zeit zeichnen die Dinger Daten auf, digital, die werden gespeichert und ausgewertet. CERN generiert Terabytes an Daten pro Sekunde, alles irrelevanter Scheiß. Und irgendwo da drin steckt das Event, das beweist, daß das Higgs existiert und wieviel GeV es hat.
kikka> … OK. Und die müssen es dann raussuchen?
Isotopp> Ja. Und das ueberhaupt zu bauen. Die Physik, die Technik, die IT. Das geht nur heute. Mit Technik von 1997, 1987, 1907 geht das nicht. Und wie aufwendig das ist! Was meinst du, wie unglaublich wichtig Physiker das finden, um sich so was an zu tun?
kikka> Krass, darum der große Aufwand.
Isotopp> Ganz nebenbei entsteht natürlich noch jede Menge praktische Materialwissenschaft.
Um 150 GeV auf Protonengröße zu fokussieren und das auszuwerten brauchst Du absolute Präzision, supraleitende Magnete, Steuertech und dann das Netz. Alleine der Storage. Die haben fuer CERN neue verteilte Filesysteme entwickelt, neue Steuerungs- und Filtertechnik, besseres Internet. HTTP und HTML sind 1994 am CERN erfunden worden von Tim Berners-Lee, damit Physiker auf Forschungsergebnisse zugreifen konnten.
Das schafft also auch reale Werte. Aber eigentlich ist CERN und jeder andere Teilchenbeschleuniger nur gebaut worden, weil wir eine relativistische Quantenfeldtheorie, eine Grand Unified Theory, haben wollen. Weil wir nicht wissen, wieviel GeV das Higgs hat.
kikka> Okay. :) Giga-Elektronenvolt, nehme ich an.
Isotopp> Das war in etwa das, was man als Laie und ohne Mathe vom Universum im Grossen und im Kleinen wissen kann.
kikka> wie fein :)
Isotopp> Und wenn man nicht noch mal einen Wikipedia-Dive machen will.
kikka> Ja. :) .oO(Man, bin ich froh letztes Jahr gewechselt zu haben, jetzt ist das sehr viel härter.)
Isotopp> Mit Mathe wirds dann Unistoff.
kikka> brrr.
Isotopp> Du siehst, wieso ich meine, man hat da leicht Stoff für ein Referat von ein paar Stunden, auch ohne Vorbereitung. Die Frage, die Dein Physiklehrer da gestellt hat, ist nämlich am Ende die Frage nach dem Leben, dem Universum und dem ganzen Rest.
kikka> Ich denke nicht, dass er das beabsichtigt hat. Naja, nochmal danke. Und gute Nacht!
Isotopp> Jetzt muss jemand dieses IRC Protokoll nur noch aufbereiten und bloggern.