Søren in Norwegen

Zunaechst eine kurze Zusammenfassung der wesentlichen Punkte vom letzten Mal. Fuer mehr als einfachen (!) Wasserstoff (welcher ja nur ein Proton als Atomkern hat) muessen die Neutronen und Protonen kalt (das bedeutet langsam) genug sein, damit die nach der Zusammenkunft nicht gleich wieder auseinander „fliegen“. Das wird heute wichtig, denn freie (!) Neutron sind nicht stabil und zerfallen nach ca. 880 Sekunden in Protonen. Sobald Neutronen in Atomkernen sind ist alles knorke und die werden dort stabilisiert.

Am Anfang des Universums (aber bereits so spaet, dass Quarks kalt genug waren, sodass Protonen und Neutronen existieren konnten) spielte die Instabilitaet der Neutronen keine Rolle, denn die Temperatur des Kosmos dennoch war so grosz, dass Protonen sich staendig in Neutronen umgewandelt haben (und umgekehrt). Die waren also „staendig frisch“ und hatten nicht genug Zeit zu zerfallen, bzw. wenn sie zerfielen war dann da zwar ein Proton (und ein Elektron) da, aber eben weil die Temperatur so grosz und alles im Gleichgewicht war, wurde aus Letzteren sofort wieder ein neues Neutron.
Zwei Sekunden nach der Entstehung wurde es dann so kalt, dass diese permanente Transmutation stoppte … in anderen Worten: die Neutronen waren pløtzlich „ausgefroren“ und es entstanden keine neuen mehr.

Und das ist das Problem und der Kern der Sache, denn waehrend keine neuen Neutronen mehr entstehen konnten, sorgt die besagte Instabilitaet derselben dafuer, dass deren Anzahl _rapide_ (!) abnimmt … was suboptimal ganz schøn scheisze ist fuer Leute Zeuch wie mich, welches aus mehr als nur Wasserstoff besteht, denn Neutronen sind unabdingbar, damit (schwerere) Atomkerne nicht gleich wieder „zerplatzen“ weil die Protonen wg. ihrer gleichen Ladung sich nunmal umso staerker abstoszen je naeher sie beisammen sind.

In der Geschichte des Kosmos befinden wir uns jetzt also genau zwischen den in den ersten beiden Abschnitten beschriebenen Ären — es ist noch zu heisz um Atomkerne zusammen (und die Neutronen darin stabil) zu halten, und gleichzeitig zu kalt um neue (freie und instabile) Neutronen entstehen zu lassen. In anderen Worten: wir schauen heute der Uhr beim ticken zu.

Fuer mich (und auch euch, meine lieben Leserinnen und Leser) braucht es Atomkerne mit mehr als zwei Protonen. Das leichteste (Isotop eines) Element(s) unmittelbar nach Wasserstoff ist ³He, welches zwei Protonen und zwei Neutronen enthaelt. Zum obigen Ticken der Uhr gesellt sich damit pløtzlich ein weiteres Problem, denn die Chance dass sich mehr als zwei Nukleonen zum selben (!) Zeitpunkt treffen um einen Atomkern zu bilden ist unglaublich klein.

Wir kønnen schwere Dingse also nicht direkt „zusammenbauen“ sondern muessen zunaechst muehevoll kleinere „Atomkernbausteine“ aus Zwei-Partikel-Kollisionen erschaffen. Die zwei Partikel kønnen aber nicht zwei Protonen sein, denn wie oben erwaehnt sind die sich wg. der Coulombkraft „spinnefeind“. Zwei Neutronen sind aber auch nicht zielfuehrend, denn die wuerden ja keine Elektronen „anziehen“ und letztlich somit keine Atome bilden. Die einzige Løsung ist ein Proton und ein Neutronen zusammen zu bringen um ein Deuteron, der Kern des Deuteriums, zu bilden.

Bei der Schøpfung eines Deuterons aus seinen „Bausteinen“ wird eine Bindungsenergie von ungefaehr 2.2 MeV frei. Naiv kønnte man zunaechst annehmen, dass ab solch einer „Temperatur“ das Deuteron stabil ist. Da ich beim letzten Mal erwaehnte, dass die Neutronen bei 0.8 MeV ausfrieren (also nicht permanent wieder in Protonen umgewandelt werden), sollten sich ab den oben erwaehnten zwei Sekunden die Neutronen sofort mit den Protonen anfreunden.

Das Problem ist nun, dass sich im Universum auch JEDE Menge Photonen (vom Urknall herruehrend) mit Energien ueber 2.2 MeV befinden. Diese zerschlagen den schønen Verbund sofort wieder in seine Einzelteile. Die Anzahl dieser Urknallphotonen pro Volumeneinheit (also deren Dichte) muss sich soweit verduennen, dass die Deuteronen einfach nicht mehr auf die treffen.

… *hoppeldihopp ueber jede Menge Thermodynamik und Kosmologie* …

Es stellt sich heraus, dass die Temperaturabhaengigkeit des Verhaeltnisses der (aus Protonen und Neutronen zusammengesetzten) Deuteronen zu den (noch NICHT mit Neutronen „verbandelten“) Protonen mittels dieser Formel abgeschaetzt werden kann:

Es fehlen hier (wieder) Boltzmannkonstanten (aber es geht (wieder) nur um’s Prinzip) und Eta ist das Verhaeltniss der Anzahl der Baryonen zur Anzahl der Urknallsphotonen. Dank der genauen Vermessung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung und der (nicht ganz so genauen aber hinreichend guten) Abschaetzung aller (nicht dunklen!) Materie im Kosmos kønnen wir diesen Vorfaktor auf ca. 10^-9 abschaetzen. Man beachte das Minus im Exponenten! Auf jedes Proton kommen also eine Milliarde Urknallsphotonen.
Die Masse des Protons ist bekannt und betraegt ungefaehr 938 Millionen Elektronenvolt.

In anderen Worten: in der Formel wird zunaechst was ziemlich Kleines durch was ziemlich Groszes dividiert und man erhaelt einen Faktor in der Grøszenrdnung von ca. zehn Quadrillionsteln. Diese ca. 10^-23 muessen durch das was danach folgt kompensiert werden … und so’n maechtiges Gesetz ist zwar fein, aber im Zusammenspiel mit einem derart kleinen Vorfaktor wird das Gesamtresultat im Wesentlichen durch die Exponentialfunktion bestimmt.
In der Exponentialfunktion steht die Temperatur aber im Nenner und bei hohen Temperaturen bleibt das Ganze (nicht nur der Wert der Exponentialfunktion) sehr sehr sehr sehr klein. Das wiederum heiszt, dass nur extrem wenige (man kønnte durchaus behaupten: gar keine) Deuteronen vorliegen (im Vergleich zur Anzahl der Protonen).

Wenn man alle Zahlen einsetzt, kommen bei einer Temperatur die der Bindungsenergie von 2.2 MeV entspricht, auf jedes Deuteron ungefaehr 10 Billionen (die dtsch. Billion, nicht die angelsaechsische!) Protonen. Erst bei einer Temperatur von ca. 0.06 MeV wird das Verhaeltnis ungefaehr eins — bewegt sich also in den Bereich in dem die meisten Protonen sich mit Neutronen verbunden haben.

Nota bene: man kann sich das gar nicht vorstellen, aber durch die Exponentialfunktion reagiert das Ganze sehr empfindlich auf die Temperatur. Selbst bei 0.07 MeV hat man noch ungefaehr 100 Protonen pro Deuteron, aber bei 0.05 MeV gibt’s dann ca. tausend Deuteronen pro Proton. Sobald die Deuteronen nicht mehr von hochenergetischen Urknallphotonen zerschlagen werden, werden es sehr schnell mehr.

Nota bene: das maechtige Gesetz wuerde bei einer Temperatur von ca. einem PeV „zuschlagen“. Das ist noch 100 Mal mehr als die Maximumsenergie des LHC. In anderen Worten: bei derart hohen Temperaturen _kønnten_ (!) sich Deuteronen bilden, wenn da nicht das kleine Hinderniss waere, dass sich deren Konsituenten in ihre eigenen Bestandteile — ein Quark-Gluon Plasma — aufløsen.

Jut, wie beim letzten Mal kann die Temperatur in eine Zeit (seit dem Urknall) umgewandelt werden und siehe da, der Kosmos war ungefaehr 360 Sekunden alt, als die Neutronen sich endlich permanent mit den Protonen zusammentun konnten. Diesen Wert setzen wir in das Zerfallsgesetz (fuer die Neutronen) vom letzten Mal ein und sehen, dass sich die Anzahl der Neutronen im Vergleich zur Anzahl der Protonen von einem urspruenlichen Verhaeltniss von 20 % zu ca. 13 % verringert hat. Da fehlt also schon ein dicker Brocken.

Schwerere Elemente haben høhere Bindungsenergien und sind somit schon eher stabil. Aber wie oben erwaehnt ist die Wahrscheinlichkeit des Zusammentreffens von drei oder gar mehr Nukleonen so gering, dass die Anzahl der auf solche Art entstandenen Atomkerne (deutlich) vor den besagten 360 Sekunden im Wesentlichen selbst noch unter der Anzahl der Deuteronen lag.

Sobald es genuegend (stabile) Deuteronen gab, hat deren Anzahl auch schnell wieder abgenommen. Wurden diese doch praktisch unmittelbar als Bausteine fuer besagte schwerere Atomkerne in Kollisionen von (dann wieder nur) zwei (Komposit)Partikeln herangezogen.

Das soll reichen fuer heute. Beim naechsten Mal sinniere ich noch etwas ueber die 360 Sekunden in einem … mhmmmm … ich sag jetzt mal grøszeren Zusammenhang. Das sollte aber laengst nicht so viel werden wie die letzten zwei Artikel.

Kaum schrieb ich …

[…] ich wuenschte ich kønnte nochmal hinduesen […]

… waren schwuppdiwupp zwei Jahre vergangen und da ging es schon wieder nach Japan … Hurra!

Zwei wichtige Gruende lagen hinter dieser Entscheidung. Zum Einen stellte sich der erste Japanurlaub als deutlich guenstiger als gedacht heraus und vom viele Jahre lang Angesparten war danach noch ’n nicht unerheblicher Batzen Geld da. Zum Anderen war mir sehr (schmerzlich) bewusst, dass der Sommer 2025 der letzte Urlaub mit dem Sohn in der (beinahe) zwei Dekaden andauernden — zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels (2026-06-25) bereits seit drei Tagen beendeten … *schnueff* — Vater-Sohn-Konstellation ist.
Deswegen fragte ich den jungen Mann der so viele Jahre bei mir wohnte, was er denn machen wollte. Fuer Suedamerika, China, Interrail in Europa, Australien war er nicht so zu begeistern. Nicht, dass er kein Interesse daran hatte diese Laender zu bereisen. Aber da Japan von mir als Option genannt wurde, ist’s (auch) bei ihm vermutlich auf der Wunschliste sofort ganz oben gelandet. Und so wird der Sommer 2025 (der ja, wenn dieser Artikel erscheint, mittlerweile auch schon wieder ein Jahr her ist … *schnueff*) dann bis zum Ende meiner Existenz fuer immer als Japan II in Erinnerung bleiben.

Soweit die Vorgeschichte. Das heutige Bild ist dieses hier:

Nachdem wir durch die (aeuszerst geschmeidig vonstatten gehende) ins-Land-kommen-Buerokratie durch waren, ging’s erstmal auf die Flughafentoilette, um von den Skandinavien angepassten Anziehsachen in eine Montur zu schluepfen, welche dem japanischen Klima Rechnung traegt.

Dort sah ich dieses kleine Schild neben dem Waschbecken und es verdeutlichte mir ein paar wichtige Aspekte des Zusammenlebens in der japanischen Gesellschaft.

Zum Einen sind sowohl die Arbeiter stolz auf ihre Arbeit, sodass sie sich trauen dafuer „deutlich sichtbar“ zu werden. Zum Zweiten sind die Firmen auf ihre Mitarbeiter und die Arbeit die sie verrichten stolz und wollen die nicht verstecken (bspw. indem Reinigungsarbeiten in der Nacht durchgefuehrt werden).

Ich hatte schon waehrend Japan I (nun sitze ich hier und frage mich ob das erklaert werden muss … mhmmm) immer den Eindruck, dass jedweder einsah, dass man selber verantwortlich dafuer ist, dass die Gesellschaft gut funktioniert. Das beinhaltet auch, dass man nicht … ich sag jetzt mal schludrig (um nicht minderwertig sagen zu muessen) arbeitet, weil wer anders schon „hinter einem aufraeumen“ wird; auch dann nicht, wenn man eigtl. keine Lust. Das fuehrt dann zu oben Gesagtem, denn wenn man sich fuer seine Arbeit verantwortlich fuehlt, nimmt man auch Kritik (im Sinne anderer Meinungen als er eigenen) an … denn dann kann man’s naechstes Mal noch besser machen.

Das ist jetzt natuerlich fuertcherlich vereinfacht und (ohne jemals dort gelebt zu haben) romantisierend; ich finde aber auch, dass’s ein feiner Einstieg in die neue Miniserie ist.

Ach so … fuer den Fall, dass es gesagt werden muss: der Titel dieser neuen Miniserie ist eine dreifache Anspielung: (i) Phileas Fogg war auch schneller als er dachte, (ii) ich war schneller wieder in Japan als ich dachte und (iii) ich dachte nicht, dass ich wieder nach Japan komme bevor die erste Japanserie ueberhaupt abgeschlossen ist.

Ich hatte mehr als ein Mal (bspw. hier) erwaehnt, dass es ein URST KNAPPES Ding war, dass es uns heute gibt und dass ich das an anderer Stelle mal genauer erklaeren werde.

Genauer gesagt geht es im die primordiale Nukleosynthese (enthaelt Spoiler) und das hier ist endlich besagte „andere Stelle“. Aber bevor’s richtig losgehen kann, muessen zunaechst ein paar Grundlagen aus dem Himmel fallen; ich befuerchte das geht nicht anders.

Am Anfang war das Universum urst heisz. „Heisz“ bedeutet in dem Zusammenhang, dass die sich im Universum befindenden Teilchen krass viel Energie hatten. Oder anders: die Teilchen waren so schnell, dass sie nicht lange genug beisammen blieben um gebundene Zustaende zu bilden. Und letzteres ist der Kern der Sache (tihihi … Wortspielkasse … wg. Atomkern und so) und um was es bei der Nukleo(da war er wieder, der Kern)synthese geht.
Zeitlich gesehen ist zum Anfang der hier betrachteten Prozesse das Universum noch deutlich weniger als eine Sekunde alt und die Temperatur (als Maszstab fuer die Energie … was sich in der Einheit wiederspiegelt) betrug VIELE Megaelektronenvolt (MeV) … ein eV entspricht so ca. 10-tausend Kelvin … wir sprechen hier also davon, dass das Universum viele Milliarden, vermutlich Billionen Grad Celsisus (was in dem Bereich das Gleiche ist wie Kelvin) heisz ist. Dabei kann ich gleich erwaehnen, dass die Zahlen alle so grosz sind, dass ich mich hier wirklich nicht mit Kleinigkeiten aufhalten muss und alle Zahlen vernuenftig gerundet werden; das Resultat aendert sich in der vereinfachten Darstellung hier nicht wirklich wenn man die genauen Werte benutzt … abgesehen von den Stellen wo es wichtig wird … also wenn wir in den VERDAMMT knappen Bereich gelangen.

Wichtig ist nun, dass das Universum bereits alt (und damit KALT) genug ist, dass es Neutronen und Protonen gibt. Das sind naemlich AUCH gebundene Zustaende, aber die Temperatur (Energie) der Teilchen aus denen diese wiederum bestehen (up- und down-Quarks) ist so klein, dass die nicht sofort nach einem Treffen wieder auseinander fliegen. Gleichzeitig befinden sich im Universum jede Menge Elektronen und Positronen (die sog. Antiteilchen der Ersteren) und auch Neutrinos (und deren Antiteilchen … wobei die vllt. ihre eigenen Antiteilchen sind, aber das wuerde hier zu weit fuehren und gehørt auch so ueberhaupt nicht zum Thema). Das Wunderbare ist nun, dass die sich alle gegenseitig ineinander umwandeln (WENN die Energie (also die Temperatur) grosz genug ist).

Wenn ein Neutron und ein Neutrino mit genuegend Energie aufeinander treffen, dann (hier bitte quantenfeldtheoretische Magie Mathematik einfuegen) „reagieren“ die miteinander. Am Ende gibt’s das Neutrino und das Neutron nicht mehr, dafuer aber ein Proton und ein Elektron. Fetzig wa! Der Prozess laeuft auch in die andere Richtung ab, aus einem Proton und einem Elektron werden ein Neutrino und ein Neutron. Fuer die Antiteilchen: dito (mutatis mutandis).

Weil die Energie ALLER Teilchen nun aber so gigantisch grosz ist bedeutet das, dass sich alle involvierten Teilchen im Gleichgewicht befinden. Anders ausgedrueckt: die wandeln sich staendig eineinander um. Und weil die sich staendig einander umwandeln … Achtung! jetzt kommt was Wichtiges … werden die involvierten Protonen und Neutronen einfach nicht alt, die werden ja immerzu frisch „geboren“, um sofort wieder zu „sterben“.

Weil uns die Werte einiger wichtiger Parameter fehlen kønnen wir zwar nicht die Anzahl der Protonen und Neutronen berechnen (fuer Atomkerne, unser eigenltiches Interesse, sind nur die wichtig), aber, der Thermodynamik sei Dank, ist es møglich das Verhaeltniss dieser beiden Anzahlen zu berechnen. An dieser Stelle bleibe ich einen Link und weiterfuehrende Erklaerungen diesbezueglich schuldig … wie gesagt, ein paar Sachen muessen fuer diesen Beitrag einfach vom Himmel fallen. Wieauchimmer, so lange wie das oben erwaehnte Gleichgewicht erhalten bleibt kann besagtes Verhaeltniss aus der Temperatur berechnet werden:

Achtung: eigentlich steht da vor der Temperatur noch die Boltzmannkonstante (damit das mit den Energieeinheiten hinhaut), und bei den Berechnungen weiter unten ist die auch immer mit beruecksichtigt, aber es geht hier ja um’s Verstehen des grundlegenden Prinzips und deswegen lasse ich solchen Schnapperdulli weg. Auch die 1.3 MeV kommen natuerlich irgendwo her … dito.

Bei sehr hohen  Temperaturen geht der Exponent gegen null, es gibt also gleich viele Protonen wie Neutronen. Je kaelter das Universum aber wird, umso weniger Neutronen liegen im Vergleich zur Anzahl der Protonen vor. ABER … zum Glueck fuer uns, …

… geht dieser exponentielle Abfall nicht bis ins Unendliche weiter. Der Grund ist, dass die Temperatur mit zunehmendem Alter des Universums abnimmt. Ab einer gewissen Kaelte haben die Teilchen aber nicht mehr genuegend Energie in den oben genannten Reaktionen, um die jeweils anderen Teilchen zu produzieren. Es entstehen also keine neuen Neutronen mehr und die vorhandenen werden nicht mehr in „Rueckwaertsreaktionen“ verbraucht. Somit kommt es zu einem „Ausfrieren“ derselben.
Man kann ausrechnen bei welcher Temperatur das passiert, aber ich ziehe das wieder nur aus meinem magischen Hut (in dem die ganze Thermodynamik stattfindet) und sage einfach, dass das bei ungefaehr 0.8 MeV der Fall ist. Wenn man das in die obige Formel einsetzt, erhaelt man fur das Verhaeltniss der Neutronen zu den Protonen einen Wert von 1/5. Ab dem Zeitpunkt ab dem keine neuen Neutronen mehr am laufenden Band produziert werden, kommen auf jedes Neutron fuenf Protonen. Man kann weiterhin berechnen wie alt das Universum war zum Zeitpunkt des Ausfrierens der Neutronen; ich schmeisze es and dieser Stelle dem Publikum der Zaubershow wieder nur vor die Fuesze: das Universum war ungefaehr zwei Sekunden alt, als das oben erwaehnte Gleichgewicht zusammenbrach.

Nun ist euch, meinen lieben Leserinnen und Lesern, sich aufgefallen, dass ich nur bzgl. der Neutronen erwaehnte, dass die ausfrieren. Denn Neutronen sind nicht stabil und Dank des, im ganz am Anfang des Beitrag verlinkten Artikel bereits ausfuehrlich erklaerten, Betazerfalls kønnen Protonen weiterhin produziert werden. Naemlich indem Neutronen in Protonen und Elekronen (und Antineutrinos) zerfallen. Das geht dann natuerlich nach der wohlbekannten Formel (hier den Gegebenheiten etwas angepasst):

Die (durchschnittliche) Neutronenzerfallszeit … ACHTUNG: die durchschnittliche Zerfallszeit ist nicht zu verwechseln mit der bekannteren Halbwertszeit; Erstere muss mit dem natuerlichen Logarithmus von zwei multipliziert werden, um Letztere zu erhalten … Letztere ist aber intuitiver, einfach weil man es sich leichter vorstellen kann, wann die Haelfte von irgendwas nicht mehr da ist … aber ich schwoff ab und wollte sagen, dass die Konstante im Exponenten ca. 880 Sekunden betraegt.

Oder anders: Als das Universum zwei Sekunden alt wurde begann die Uhr maechtig schnell zu ticken … und damit sind wir auch mittendrin im eigentlichen Thema … und ich merke, dass das laenger dauert als gedacht, weswegen ich das an anderer Stelle fortsetzen werde.

Ich weisz gar nicht, wie die in meinen Besitz gekommen sind. Es sind weniger als ’ne handvoll und die stammen aus dem Jahre 1994 oder so. Also nochmal deutlich eher als das andere Zeuch was ich hier so vorgestellt habe („deutlich“ vom damaligen Zeitpunkt gesehen, als ca. 5 Jahre 1/4 meiner Lebenszeit darstellten).

Ich vermute, dass wir auf Klassenfahrt in ’ner grøszeren Stadt waren und die gab’s dort dann am Kiosk oder so und ich habe mein sehr begrenztes Taschengeld begeistert dafuer ausegeben … ja, das hørt sich ganz genau nach mir an. War ja nicht anders auf der Abiabschlussfahrt, als in Amsterdam alle anderen Sachen machten die man in Amsterdam halt macht … und ich in’n Comicshop gegangen bin … bei uns uff’m Dorf (womit ich die Provinz an sich meine, auch wenn die grøszeren Ortschaften dort als Staedte angesehen werden) gab’s sowas doch nicht. Also weder Comicshops, noch Comics an sich einfach so bei den Zeitschriften im Supermakrt. Jedenfalls nicht bevor Dino-Comics dem dtsch. Comicmarkt mal zeigten wie das geht.

Die Cover sind natuerlich … ich sag jetzt mal: kurios aus heutiger Sicht … um nicht das Wort „altertuemlich“ zu benutzen. Zum Vergleich schaue man bspw. hier und hier, wo von der Komposition recht aehnliche „Spinne“ (tihihi) Cover aus dem Jahre 2025 zu sehen sind. Heutezutage sind die aber deutlich dynamischer … kraftvoller … naja … moderner halt.

Dabei ist aber nicht zu vergessen, dass die obigen Cover im Vergleich zu solchen aus dem Jahre 2062 auch dynamischer und kravtvoller … moderner halt … aussahen. Jede (nicht nur) Zeichentechnik musste erstmal etabliert werden, bevor sie zum Standard werden, und danach ueberall auftauchen kann.

Weil ich das hier so toll fand, freute ich mich natuerlich wie’n Schneekønig, als ich (mich duenkt) auf dem Flughafen dieses seltsame Knabberzeug entdeckte:

Wobei das Bild geschummelt ist, denn wie man im Hintergrund sieht, liegt das auf meinem Waeschestaender, wurde also bereits wieder zu Hause gemacht … und weil der Rueckflug in die selbe Richtung ging wie der Hinflug (also in Rotationsrichtung der Erde), bin ich somit, eben genau wie Phileas Fogg, einmal um die Welt gereist … fetzt wa!

Superschøn war es, das østlichste aller fernøstlichen Laender … ich wuenschte ich kønnte nochmal hinduesen … *seufz*

Die alten Griechen hatten zwar noch keine Teilchenbeschleuniger, aber Augen im Kopf und die kognitiven Faehigkeiten ein konsistentes Weltbild zu schaffen. Es ist krass wie durchdringend und unabhaengig von der Kultur die Ideen der vier Elemente Feuer, Wasser, Erde und Luft war. Spaeter kam Aether hinzu, um die Raum(zeit?) an sich zu beschreiben … aber mit so neumodischem Zeuch braucht mir hier niemand zu kommen … da will ich handfeste Beweise fuer sehen bevor ich das in Betracht ziehe … tihihi.

Wieauchimmer, die klassischen Ideen bzgl. des Aufbaus der Sachen die wir mit besagten Augen im Universum sehen, laeszt sich natuerlich nicht mit dem modernen Wissen ueber den Kosmos in Einklag bringen. Und wenn’s doch gemacht wurde (und wird?), scheiterte es letztlich klaeglich … das was wir heute „Atom“ nennen ist mitnichten unteilbar!

Aber xkcd hat mal die antiken und die modernen Ideen eins zu eins aufeinander abgebildet … und ich hab das schamlos geklaut:

Quelle, Autor: Double sharp, basierend auf Material von Offnfopt, Lizenz: CC-SA, 4.0, Modifikationen sind von mir

… tihihihi.

Naheliegend finde ich die Wahl hochradioaktive Stoffe mit Feuer gleichzusetzen. Passend dazu die Wikipedia zum Francium:

Obtaining such a [bulk] sample is highly improbable since the extreme heat of decay resulting from its short half-life would immediately vaporize any viewable quantity of the element

Bei (relativ) schwach radioaktive Stoffen wie Plutonium trifft das natuerlich nicht zu. Wobei man natuerlich streiten kann, inwieweit man das Feuer in den Actinoiden weiter nach links schieben kønnte; Einsteinium bspw. hørt sich schon recht feurig an.

Hohoho …da fang ich mit dem Schreiben dieses Artikels an und mir faellt auf, dass ich unerwarteterweise eine Gelegenheit gefunden habe, doch nochmal dieses Prachtexemplar zu zeigen:

*grins* … der Hintergrund ist naemlich, dass ich im weiteren Umfeld des Lernens ueber die Gravitation, auch (zwangslaeufig) ein bisschen ueber Neutronensterne und die Prozesse in welche diese involviert sind gelesen habe. Im obigen Buch sind die gar nicht so praesent, deren Existenz war zum Zeitpunkt als das Buch geschrieben wurde zwar gesichert via Beobachtungen, aber es gab noch nicht genuegend Messungen um viel draus zu machen … waren die ersten eindeutig Neutronensternen zugeordneten Beobachtungen doch grade mal 5 Jahre alt.

Genug der Vorrede und der Reihe nach. In der Schule … *ueberleg* … als ich noch zur Schule ging, habe ich mir in populaerwissenschaftlichen Buechern den folgenden „Ablauf“ der Entstehung der Elemente — Nukleosynthese — angelesen.
Im Urknall entstand aller Wasserstoff und der grøszte Teil des Heliums. Das Alles sammelte sich in Sternen und durch Fusion haben die dann Elemente bis zum Eisen „ausgebruetet“. Kerne mit høherer Protonenzahl kønnen durch Fusion nicht entstehen, weil die Bindungsenergie pro Teilchen (im Kern) fuer alles was schwerer ist als Eisen wieder abnimmt.
Hier wird’s truebe in der populaerwissenschaftlichen Literatur, denn offensichtlich gibt’s ja Elemente mit deutlich mehr als den 26 Protonen die Eisen hat. Im Wesentlichen wurde ich damals damit abgespeist, dass die in Supernovaexplosionen entstehen. Damit hab ich mich jahrzehntelang zufrieden gegeben und (zu meiner Schande) bis vor gar nicht all zu langer Zeit im Wesentlichen gedacht, dass Elemente wie bspw. Krypton dadurch entstehen, dass in einer Supernova die vorhandenen Eisen und Neon Kerne (im Falle Kryptons) wie zwei Lehmklumpen gegeneinander „geschmissen“ werden und dann einfach „zusammen backen“ (und nur durch die Kraft der Explosion genug kinetische Energie haben um die Coulombarriere zu ueberwinden.

Letzteres ist natuerlich groszer Quatsch und zu meiner „Verteidigung“ kann ich nur anfuehren, dass Nukleosynthese einfach kein Teil meines Lebens oder Studiums war. Aber Teil meines Lebens und Studiums waren ein Haufen „Bausteine“, die mir halfen das was wirklich passiert besser zu verstehen, sodass was nun folgt mein WeltUniversumsbild nur aufraeumte, aber nicht durcheinander brachte … mit einer wichtigen Ausnahme.

Aber der Reihe nach … bzw. das geht nicht in Reihe weil so viel gleichzeitig passiert und man ein bisschen hin und herspringen muss … deswegen eins nach dem anderen.

Erstens ist im Urknall nicht nur Wasserstoff und Helium entstanden, sondern auch ein bisschen Lithium und Beryllium (das wurde aber (fast) vollstaendig als „Treibstoff“ in den nuklearen Reaktionen in Sternen verbraucht). Dann hatte sich das Universum genug abgekuehlt und andere Elemente konnten nicht weiter entstehen. Das aendert aber eigtl. nix an der oben etablierten Story, denn Lithium und Beryllium spielen keine weitere grosze Rolle bei dieser Geschichte.
Dieser Prozess wird primordiale Nukleosynthese genannt und ist an sich eine super spannende Geschichte, denn das war damals mal ein SOWAS von URST KNAPPER Zeitrahmen der unsere heutige Existenz ueberhaupt erst ermøglicht. Wenn ich dran denke, dann erzaehl ich das mal an anderer Stelle.

Nun zum „Ausbrueten“ von Elemente jenseits von Wasserstoff (und Helium) in Sternen via Fusion. Wasserstoff zu (noch mehr) Helium ist gegeben. Und (drei bzw. vier) Heliumkerne zu Kohlenstoff und Sauerstoff ist auch klar.
Fuer unsere Sonne hørt es hier dann auch schon auf. Wie ueber 95 % aller Sterne in unserer Galaxis ist sie einfach nicht schwer genug um genuegend gravitativen Druck zu erzeugen um den elektrostatischen Druck der bereits vorhandenen Kerne zu ueberwinden (bzw. kommt da irgendwann auch die Quantenmechanik via Pauli’s Ausschlussprinzip ins Spiel, aber ich will’s hier ja kurz halten). Am Ende des Lebens unserer Sonne bleibt also ein Kern zurueck, der sehr viel Kohlen- und Sauerstoff enthaelt … ein weiszer Zwerg. Das alles ist natuerlich etwas komplizierter (und super spannend).
Bei schwereren Sternen erlaubt besagter gravitativer Druck (und vor allem die damit einhergehende deutlich høhere Temperatur!) im Kern die „Anlagerung“ weiterer Heliumkerne an Kohlenstoff und Sauerstoff und damit die Entstehung von Elementen bis Eisen. Elemente jenseits von Eisen kønnen in den „Hochøfen“ der Sterne aus dem oben genannten Grund mittels Fusion nicht entstehen.

… Kleine Randnotiz: so’n Stern lebt ja ’n paar Millionen Jahre. Die letzte Stufe des „Verbrennens“ von Silizium zu Eisen dauert aber nur ungefaehr einen Tag … krassomat! …

… Und dann explodiert alles und dabei entstehen Elemente mit mehr Protonen als Eisen hat. Hier muss ich aber zunaechst etwas ausholen. Deswegen spulen wir mal zurueck und lassen die Explosion noch etwas auf sich warten.

Anstelle von Anlagerung von weiteren positiv geladenen Protonen (oder Heliumkernen) kann ein Eisenkern (aber auch andere, weniger protonenreiche Kerne) naemlich neutrale … øhm … Neutronen einfangen. Das aendert natuerlich nur die Masse des Kerns, aber nicht deren Art (es bleibt also ein Eisenkern, oder ein Calciumkern, oder ein Mangankern etc. pp. … ich werde im Folgenden aber Eisen annehmen).
Ist der neue Kern mit gleich vielen Protonen aber einem extra Neutron INstabil, so zerfaellt das Extraneutron via Betazerfall in ein Proton und aus dem Eisenkern wird ein Cobaltkern.
Ist der neue Kern mit gleich vielen Protonen aber einem extra Neutron hingegen stabil, so wird frueher oder spaeter ein weiteres Neutron eingefangen. Das passiert so oft, bis ein instabler Kern entsteht.

Ein Beispiel (jenseits von Eisen, ich komme darauf zurueck): ¹⁰⁹Ag (62 Neutronen, 47 Protonen) faengt ein Neutron ein und wird zu ¹¹⁰Ag (63 Neutronen). Das ist instabil und zerfaellt zu ¹¹⁰Cd (wieder nur 62 Neutronen, jetzt aber 48 Protonen). Die naechsten vier Cadmiumkerne sind alle stabil. Bis ¹¹⁴Cd kommt es also zu keinem Betazerfall. Erst ¹¹⁵Cd (67 Neutronen) ist instabil und zerfaellt zu ¹¹⁵In (66 Neutronen, 49 Protonen). Das ist wieder stabil und kann ein weiteres Neutron einfangen. ¹¹⁶In ist aber instabil und zerfaellt zu ¹¹⁶Sn (immer noch 66 Neutronen, jetzt aber 50 Protonen). Und so weiter und so fort. Hier das ganze als Grafik:

Langsamer Neutroneneinfang. Quelle, Autor: Rursus, Lizenz: CC-SA 3.0, alle Modifikationen sind von mir

Aha! Da steht ja _langsamer_ Neutroneneinfang. Gibt’s denn auch einen schnellen? Ja, gibt es, aber da bin ich noch nicht. Das oben beschriebene Beispiel ist Nukleosynthese via des s-Prozesses; „s“ fuer Slow. Langsam deswegen, weil der Betazerfall schneller vonstatten geht als ein neues Neutron eingefangen werden kønnte.

Durch diesen Prozess entstehen in alten (also leichten) Sternen Elemente bis zum Blei (Anzahl Protonen: 82). Und alt muessen die Sterne werden, denn wie’s schon im Namen steht: das ist ein langsamerwieriger Vorgang. Das war die erste Ueberraschung (wenn auch keine grosze). Ich hatte nicht genuegend Information mich nicht genuegend damit beschaeftigt um mir selbst zusammen zu reimen, dass protonenreiche Elemete auch ohne Supernova entstehen kønnen.

Nun zum r-Prozess … „r“ fuer Rapid, und schneller im Vergleich zum Betazerfall. Dafuer schalten wir unsere Sternenevolution wieder an und lassen jetzt wirklich alles explodieren. Waehrend einer Supernova sind die Neutronenfluesse derart hoch, dass nach dem Einfang eines Neutrons ein weiteres Neutron eingefangen werden kann bevor das erste eingefangene Neutron sich durch Betazerfall in ein Proton umwandelt. Das erlaubt nun ganz andere Kernprozesse.
Als Beispiel nehmen wir wieder ¹¹⁴Cd. Wenn das schnell hintereinander zwei Neutronen einfaengt (und dann KEINE mehr), dann wird es zu ¹¹⁶Cd. Der Kern ist aber stabil (bzw. EXTREMST wenig instabil, denn die Halbwertszeit liegt bei ueber 20 Trillionen Jahren) und somit wandelt der sich nicht in Indium um via Betazerfall (vielmehr springt der „nach“ den 20 Trillionen Jahren direkt via doppeltem (!) Betazerfall zu ¹¹⁶Sn … ein sehr unwahrscheinlicher Vorgang, weswegen ¹¹⁶Cd so eine lange Halbwertszeit hat).

Lange Rede kurzer Sinn: bei genuegend hohen Neutronenfluessen, wie sie bspw. in Supernovaexplosionen vorkommen, kønnen sich vor dem Betazerfall genuegend Neutronen in Eisenkernen (oder Calciumkernen, oder Mangankernen etc. pp.) sehr viele Neutronen ansammeln. Wenn der hohe Neutronfluss aufhørt ist alles wie vorher und die extrem neutronenreichen Kerne zerfallen in Kerne anderer Art mit (viel) mehr Protonen.

Zwei Anmerkungen. 1.: In einer Supernova wird deutlich mehr als die Haelfte des vorher „ausgebrueteten“ Eisens tansformiert. 2.: Nukleosynthese via des r-Prozesses in einer Supernova erlaubt die Entstehung von Elemente bis Rubidium (Protonenzahl 37). Das war dann die zweite Ueberraschung: Supernovae produzieren ja gar nicht alles ueber Eisen.

Aber es geht noch weiter … denn wenn das ausgebruetete Eisen jetzt weg ist und leichte Sterne kein Eisen ausbrueten … wo kommt denn dann das viele Eisen her. Hier kommt nun Ueberraschung #3 und wir muessen nochmal zur oben erwaehnten Sternenleiche zurueck, dem guten alten Kohlen- und Sauerstoffreichen Weiszen Zwerg. Wenn der sich naemlich in einem Binaersystem mit einem anderen Stern befindet, so kann der Zwerg Masse vom Begleiter absaugen Masse des Begleitsterns in das tiefere Gravitationspotential des weiszen Zwergs fallen. Dadurch wird Letzterer immer schwerer und wenn die Chandrasekhar-Grenze fuer stabile weisze Zwerge ueberschritten ist (wenn der also zu schwer wird) kommt es dann doch (endlich) zur Fusion der Kohlenstoff und Sauerstoffkerne zu protonenreicheren Elementen.
Ach so … das klingt jetzt alles ganz friedlich, aber das ist ein SEHR schneller Prozess, der UNHEIMLICH viel Energie freisetzt. So viel, dass es den weiszen Zwerg zerreiszt. Deswegen wird das auch als Supernova klassifiziert, aber vom Typ Ia.

Und das ist der Prozess (der Fusion und zum Teil r-Prozesse beinhaltet), der fuer den Groszteil der Nukleosynthese der Elemente um Eisen (aber nicht weiter als bis Zink) verantwortlich ist.

Das war’s aber noch nicht, denn der r-Prozess geht nur bis Rubidium und der s-Prozess nur bis Blei … Wo kommt denn dann bspw. das ganze Radon (Protonenzahl 86) her?
Und DAS, meine lieben Leserinnen und Leser, bringt mich nicht nur zu den Neutronensternen zurueck, sondern ist auch der Grund fuer diesen Artikel. Es ist die einzige Information die ich noch nicht hatte, die ich mir also nicht haette zusammenreimen kønnen mit den „Puzzlestuecken“ die mir bekannt waren.

Wieauchimmer, wir brauchen immer noch hohe Neutronenfluesse um protonenreiche Elemente via des r-Prozesses zu erschaffen. Die Neutronenfluesse einer Supernova reichen aber nicht aus. Da bleibt ja dann nur noch eine Sache im Universum uebrig die NOCH høhere Neutronenfluesse zur Folge hat: die Kollision und Verschmelzung zweier Neutronensterne. Seitdem man via Gravitationswellenastronomie solche gewaltigen Ereignisse beobachten und diese dann auch im elektromagnetischen Spektrum verfolgen kann, wird die Haelfte der Nukleosynthese aller Elemente mit mehr Protonen als Eisen solchen Neutronensternverschmelzungen zugeschrieben.

KRASS! O! MAT!

Da das aber erst seit dem historischen Ereignis GW170817 der Fall ist, fuehre ich zu meiner „Verteidigung“ an, dass ich das nun wriklich nicht wissen konnte. Zum Zeitpunkt meines Studiums wurde das sicherlich diskutiert unter Forschern die sich mit dem Thema beschaeftigten, aber das war noch nicht so etabliertes Wissen, dass es bis in meine Vorlesung (oder Buecher) geschafft haette … also ein bisschen wie die Sache mit den Neutronensternen und dem dicken schwarzen Buch ganz oben.

Zum Abschluss dann noch ein letzter Prozess der Nukleosynthese (in diesem Fall) sehr LEICHTER Kerne. Hier haben wir aber keine Anlagerung an Helium oder Wasserstoff (zusaetzliche Protonen oder Neutronen „verdampfen“ einfach von allen Kerne zwischen Helium ⁴He und ¹²C), sondern kosmische Strahlen „zerschlagen“ Elemente mit mehr Protonen (aber nicht zu vielen … also bspw. Stickstoff) in kleine Stuecke. Diese Kerzertruemmerung ist verantwortlich fuer alles Beryllium und Bor und ein klein bisschen Lithium. Das alles passiert natuerlich nicht mehr innerhalb von Sternen sondern bspw. in der Erdatmosphaere bzw. haeufiger im mit protoneneichen Elementen angereicherten Raum zwischen den Sternen.

Ach ja … radioaktive Elemente mit kurzer Halbwertszeit entstehen natuerlich auch in allen oben genannten Prozessen. Weil die aber so schnell zerfallen sehen wir die nur, wenn wir die selber herstellen (mit Ausnahmen).

Das alles kann man in diesem, aueszerst coolen Periodensystem zusammenfassen, welches anzeigt woher das Zeuch kommt, was wir im Universum direkt (!) beobachten:

Quelle, Autor: Cmglee, Lizenz: CC-SA 3.0, alle Modifikationen sind von mir

Cool wa!

Das war der ernste Artikel dieser Miniserie. Der steht im Wesentlichen fuer sich allein. Aber wie’s so oft ist, wenn man sich mal mit ’nem Thema beschaeftigt, dann taucht das pløztlich ueberall auf. Die zwei nachfolgenden Beitraege nehmen das Konzept eines Periodensystems der Elemente ein bisschen … ich sag jetzt mal: weniger streng … und vereinfachen das Ganze signifikant … tihihi

Im Hiroshima Peace Memorial Museum gibt’s makabererweise (?) … kurioserweise (?) … eine Ausstellung zur Atombombe welche die Stadt zerstørt hat. Das ist einer der wenigen Plaetze an denen Trinitit …

… zu sehen ist.

Da ich aus dem Hauptteil der Ausstellung schon raus war, dachte ich mir, dass Pietaet nicht mehr ganz so wichtig ist und habe mir erlaubt doch ein Foto zu machen.

OKOK … zwei Fotos, denn es wurde auch visualisiert wieviel … oder vielmehr wie wenig von den 48 kg Uran ueberhaupt gespalten wurde (Daumen zum Vergleich):

Das war letztlich weniger als 1 kg.

Das ist schon deutlich laenger her als ich da war:

… … … verdammt … das war vor ueber zwei Jahrzehnten …

Wo ich schonmal hier bin kann ich auch ein Bonusbild davon zeige, wie ich vor auf einer Zeitzonengrenze stehe … oder eher halb liege:

Die geht naemlich an der Grenze zwischen Nevada und Arizona lang … aber weil Arizona nicht den Quatsch mit der Sommerzeit mitmacht, gehen die Uhren in den Tuermchen auf den beiden Seiten des Hoover Damms fuer die Haelfte des Jahres gleich.

Wenn man durch die baulichen Sehenswuerdigkeiten Japans schlendert und dabei auch die Informationstafeln studiert, liest man eher selten, dass das Originalgebaeude sind, die man sich gerade anschaut. Wenn ich mich jetzt beim Schreiben zurueck erinnere wuerde ich sogar behaupten, dass ich das nie gelesen habe. Alles scheint da permanent abgebrannt (und dann wieder aufgebaut) zu sein. … Naja … natuerlich nicht permanent im Wortsinne … aber bei architektonischen Strukturen die es seit ein paar Jahrhunderten gibt, liest man von ungeplanten Dekonstruktionen mittels Feuer øfter mal.

Mich duenkt, dass Feuer durch umgekippte Kerzen erstaunlich selten waren. Das wundert mich gar nicht. Eine Kultur die seit Jahrtausenden in Holzhaeusern mit urst viel Papier um sich drumrum wohnt, muss wohl zwangslaeufig ein intuitives Bewusstsein fuer die Gaefaehrlichkeit von offenem Feuer entwickeln. Damit einher gehen entsprechende Verhaltensweise auf individueller Ebene (Vorsicht und Doppelchecks) und bzgl. der gesamten Gesellschaft (leider vermutlich buchstaebliches „einblaeuen“ … also verpruegeln … von Regeln im Umgang mit Feuer schon im fruehen Kindesalter).
Das heiszt natuerlich nicht, dass es keine Feuerunfaelle gab.

Ich kann mich auch nicht dran erinnern, dass ich gelesen haette, dass die Gebaeude regelmaeszig waehrend Kriegshandlungen niedergebrannt wurden. Auch das wundert mich nicht. Das lag natuerlich nicht daran, dass das alles Menschenfreunde waren — Leute umbringen war naemlich kein Problem. Aber zum Einen wollte man als Angreifer die Burg natuerlich selbst haben. Und zum Anderen kann die besiegte Seite relativ leicht ganze Staedte des Siegers niederbrennen. Dafuer braucht man keine Armee, sondern nur drei Spione (oder so), die in der Nacht durch die Stadt schleichen und an strategisch guenstigen Orten Feuer legen. Oder anders: das war wohl ein ungeschriebenes Gesetz, dass man das nicht macht (und ja, es gibt durchaus Normen im Krieg … hier eine Art Metadiskussion diesbezueglich … *hust*).
Das heiszt natuerlich nicht, dass das niemals vorhgekommen ist (ich verweise wieder auf die verlinkte Metadiskussion).

Das sind im Groben die menschlichen Ursachen von niederbrennenden Gebaeuden … da schien die japanische Gesellschaft also was gegen getan zu haben. Bleibt noch die Natur in Form von Vulkanausbruechen und Blitzschlaegen. Gegen Erstere kann man bis heute nix machen, auszer sein Haus nicht am Fusze eines aktiven Vulkans zu bauen. Gegen Letztere konnte man auch nix machen … bis der Blitzableiter in der Mitte des 18. Jahrhunderts erfunden wurde.

Ich nehme an, dass eine fuer Holz- und Papirstrukturen derart relevante Erfindung sich selbst im abgeschotteten Japan schnell herumgesprochen hat … und entsprechend schnell angewandt wurde.
Hier …

… sieht man einen historischen Blitzableiter zwischen den noch viel historischeren Gebaeuden des alten imperialen Palasts in Kyoto. Ich muss zugeben, dass der ein bisschen kurios wirkt und als ob er am falschen Platz steht. Was aber vermutlich genau der Grund war, warum ich’s fotografiert habe. Leider gab’s keine Informationstafel dazu.