Direkt zum Inhalt
Login erforderlich
Dieser Artikel ist Abonnenten mit Zugriffsrechten für diese Ausgabe frei zugänglich.

Nukleosynthese: Der Ursprung der Elemente. Teil 1: Vom Wasserstoff bis zum Eisen

Sie sind die Bausteine von allen Stoffen um uns herum und auch von unseren eigenen Körpern: die chemischen Elemente. Doch woher stammen sie, und wie haben sie sich gebildet? Die Suche nach Antworten führt uns auf eine spannende Reise durch das gesamte Universum bis zurück zum Urknall. Es zeigt sich, dass die Vorgänge im Mikrokosmos auf faszinierende Weise mit denen im Makrokosmos verknüpft sind. Und wir erkennen: Wir alle bestehen aus Sternenstaub.
Aufbau Roter Riese

Wenn wir unsere Umgebung näher mit wissenschaftlichen Augen betrachten, finden wir darin eine wahre Fülle an chemischen Elementen: Zwischen dem leichten Wasserstoff und dem schweren, radioaktiven Uran gibt es im Periodensystem der Elemente Platz für so Unterschiedliches wie Alkalimetalle, Seltene Erden oder Edelgase. Trotz ihrer Vielfalt ist ihr innerer Aufbau frappierend ähnlich: Ihre kleinsten Einheiten, die Atome, bestehen alle aus nur drei grundlegenden Bausteinen, nämlich Protonen und Neutronen im Kern (gemeinsam auch Nukleonen genannt) und Elektronen in der Atomhülle. Es ist letztlich nur die unterschiedliche Anzahl dieser Bausteine, was die vielfältigen Erscheinungsformen und Eigenschaften der Elemente bedingt.

Wasserstoff ist das einfachste Element, denn sein Atomkern ist ein einzelnes Proton. Das Helium hat einen Atomkern, der aus zwei Protonen und normalerweise zwei Neutronen besteht, und hat völlig andere Eigenschaften. Uran, das schwerste in der Natur vorkommende Element, enthält 92 Protonen und – in seiner langlebigsten Form – 146 Neutronen im Kern.

Wenn wir wissen wollen, wie diese Elemente entstanden sind und was ihre unterschiedliche Häufigkeit verursacht hat – wo müssen wir nach Antworten suchen? Hinweise liefern uns die gewaltigen Kräfte, die in Form von Bindungsenergie in den Atomkernen steckt. Wir nutzen sie zum Beispiel zur Stromerzeugung durch Spaltung schwerer Atomkerne. Auch die Verschmelzung leichter Atomkerne setzt enorme Energiemengen frei. Um diese Fusion in Gang zu setzen, bedarf es extremer Bedingungen von unvorstellbar hoher Dichte und Temperatur. Unsere Spurensuche führt uns also an sehr spezielle Orte in der Natur: Nur zu Beginn des Universums, kurz nach dem Urknall, und innerhalb von Sternen und ihren spektakulären Explosionen lagen beziehungsweise liegen die erforderlichen Bedingungen vor.

In den letzten hundert Jahren hat sich unsere Vorstellung von der Elementsynthese – dem Aufbau von neuen, schwereren Atomkernen aus leichteren – gefestigt. Nachdem der historische Werdegang des Erkenntnisfortschritts in dieser Zeitschrift bereits vorgestellt wurde, wollen wir hier den Ursprung der leichten Elemente bis hin zur Eisen-Nickel-Gegend beschreiben, wie sie in Sternen zumeist durch Kernfusion produziert werden ...

Kennen Sie schon …

Sterne und Weltraum – Supernovae Ia: Wie schnell expandiert das Universum?

Ein »Jugend forscht«-Gewinner stellt sein Projekt vor, in dem er mit mehreren Supernovae Ia die Hubble-Konstante berechnet. Wir berichten über eine neue Hypothese zu schnellen Radioblitzen und präsentieren das Wendelstein-Observatorium in den Bayerischen Alpen. Woran wäre die Landung der Raumsonde SLIM fast gescheitert? Und wie baut man sich eine Ministernwarte im Garten?

Spektrum Kompakt – Die Suche nach der Weltformel

Seit nunmehr 100 Jahren fragen sich Physiker: Wie lassen sich die vier Grundkräfte vereinen? Fachleute haben dafür wildeste Theorien entwickelt. Und manche stellen auch die Frage: Gibt es eine solche Weltformel überhaupt?

Spektrum - Die Woche – Zwei junge Forscher stellen die Mathematik auf den Kopf

Treten Sie ein in den Bonner Hörsaal, in dem zwei junge Mathematiker im Juni 2022 damit begannen, durch ihren revolutionären Ansatz der verdichteten Mengen die Regeln des Fachs neu zu schreiben! Außerdem in dieser Ausgabe: ein mutiger Vermittlungsansatz im ewigen Streit der Bewusstseinstheorien.

Schreiben Sie uns!

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Zuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Zuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmende sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Zuschriften können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

  • Literaturhinweise

Langanke, K.: Opportunities for Nuclear Astrophysics at FAIR. In: Journal of Physics: Conference Series 966, 012052, 2018

Langanke, K., Wiescher, M.: Nuclear Reactions and Stellar Processes. In: Reports on Progress in Physics 64, S. 1657 – 1701, 2001

Thielemann, F.-K. et al.: Element Synthesis in Stars. In: Progress in Particle and Nuclear Physics 46, S. 5 – 22, 2001

Wiescher, M.: The History and Impact of the CNO Cycles in Nuclear Astrophysics. In: Physics in Perspective 20, S. 124 – 158, 2018

Wiescher, M. et al.: Critical Reactions in Contemporary Nuclear Astrophysics. In: Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics 50, S. 165 – 210, 2012

Bitte erlauben Sie Javascript, um die volle Funktionalität von Spektrum.de zu erhalten.