Das Leben der Sterne. Woher kommen die Elemente?(Dominique
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Freiherr-vom-Stein Schule Jahrgang Q1 2014/15 Jahresarbeit von Dominique Enters Das Leben der Sterne woher kommen die Elemente? Verfasst von: Dominique Enters Neue Straße 3 37235 Hessisch Lichtenau Fach: Physik Fachlehrer: Herr Majczan Quentel, den 15.04.2015 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? Inhaltsverzeichnis 1. Vorwort.....................................................................................................................3 2. Entstehung und Aufbau der Sterne...........................................................................4 3. Entwicklung eines Sterns.........................................................................................6 4. 3.1. Entwicklungsverteilung von Sternen....................................................7 3.2. Das Sterben der Sterne..........................................................................9 Energiefreisetzung von Sternen.............................................................................10 4.1. Kernfusion innerhalb der Sterne ........................................................10 4.2. Masseverlust von Sternen....................................................................11 4.3. Massendefekte berechnen ..................................................................12 4.4. Die Fusionsreaktion von Sternen........................................................13 4.5. Beispielberechnung eines Massedefektes...........................................14 4.6. Sterne als Geburtsstätte chemischer Elemente....................................14 5. Nachwort ...............................................................................................................16 6. Fremdwortverzeichnis............................................................................................17 7. Quellenverzeichnis.................................................................................................18 Fremdwörter sind kursiv gekennzeichnet! 2 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? 1. Vorwort Schon als kleines Kind hat mich das Funkeln am Himmel, weit in der Ferne, fasziniert und immer wieder in seinen Bann gezogen. Ich war traurig, wenn ich die Punkte an manchen Tagen nicht am Himmel sehen konnte. Dass es unterschiedlich große und unterschiedlich helle Punkte gab, hatte ich schnell erkannt. Meine Großmutter erklärte mir dann, dass diese Punkte Sterne sind. Mit dieser Erklärung war ich erst einma l zufrieden und erfreute mich an den unterschiedlichen Sternformationen am Himmel. Als ich älter wurde, wollte ich mehr über diese wunderbaren Sterne wissen. Aus welchem Material besteht ein Stern, wieso gibt es Sterne, die sehr groß sind und hell leuchten und andere, die nur schwach zu erkennen sind? Genaue, beziehungsweise zufriedenstellende Antworten bekam ich nicht. Meine Jahresarbeit nehme ich nun zum Anlass, mir und auch anderen Lesern den Sternenhimmel etwas näher zu bringen. Ich möchte selbst und richtig auf Fragen antworten können, die mir mein 3-jähriges Patenkind zu den "hellen Punkten" am Himmel stellt. Deshalb werde ich in der vorliegenden Arbeit das Phänomen Stern etwas genauer betrachten. Der Schwerpunkt liegt darin, herauszuarbeiten, wie ein Stern entsteht, aus was er besteht, warum er leuchtet und wie lange er leuchtet, bevor er am Himmel erlischt. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Nach einem einleitenden Teil zur Entstehung der Sterne und ihrem Aufbau, beschäftigt sich der Hauptteil der Arbeit mit der Energiefreisetzung des Sterns und den dabei ablaufenden Prozessen sowie der Entstehung der Elemente. Einige Abbildungen und Berechnungen am Beispiel unseres Sterns, der Sonne, sollen dabei helfen, die komplexen Prozesse zu verstehen. 3 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? 2. Entstehung und Aufbau der Sterne In einer klaren Nacht kann ein menschliches Auge rund 3.000 bis 5.000 Sterne (lateinisch Stella), welche zu unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, gehören, bewundern 1. Allerdings gibt es im gesamten Universum noch viel mehr Sterne, wobei nur die hells ten für uns sichtbar sind. Im Gegensatz zu anderen Himmelskörpern, zum Beispiel den Planeten, setzen die Sterne Energie frei und leuchten selbstständig, während die anderen Himmelskörper von den Sternen nur angestrahlt werden. Ein Stern entsteht aus interstellaren Gaswolken, welche im wesentlichen aus Wasserstoff und mikroskopisch kleinen Staubpartikeln bestehen (siehe Abbildung 1). Abbildung 1: Ein aktives Sternenentstehungsgebiet (NASA, 2003) 1 Vg l. Westram, 2015, S. 1 4 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? Sobald diese Wolke eine Mindestmasse erreicht, kollabiert diese unter ihrer eigenen Schwerkraft. Dieses führt zu einer Verringerung des Volumens. Die Gaswolke verdichtet sich und die Temperatur in der Gaswolke erhöht sich. Da die Temperatur der Bewegungsenergie von Teilchen entspricht, werden die Gasteilchen durch die Gravitation nach innen beschleunigt2. Neben dieser Beschleunigung werden die Moleküle auch in Schwingungen versetzt. Da Atome einen positiv geladenen Kern und negativ geladene Elektronen besitzen, entsteht schwingende elektrische Ladung. Die Wärme wird durch elektromagnetische Strahlung abgegeben. Irgendwann ist die Gaswolke soweit kontrahiert und so dicht, dass die Wärme nicht mehr durch die Strahlung abgegeben werden kann. Das Zentrum heizt sich auf und es entsteht ein thermischer Druck, welcher einen weiteren Kollaps der Wolke verhindert. Von den Randbereichen strömt weiterhin Gas nach innen und erhitzt weiter das Zentrum der Wolke. Bei einer Temperatur von etwa 2000 Kelvin zerfallen die Wasserstoffmoleküle in ihre Atome. Das Zentrum der Wolke wird dadurch instabil, und der Kollaps tritt erneut ein 3. Irgendwann ist die Energie der Gasatome im Zentrum der Wolke so hoch, dass die elektrostatische Abstoßung aufgrund gleichnamiger Ladung überwunden wird. Die Atomkerne sind jetzt so nah bei einander, dass sie fusionieren, die Atomkerne also miteinander verschmelzen. Dieses ist die „Geburtsstunde“ des Sterns 4. Ein Stern besitzt ein Zentrum, welches die Hauptenergiequelle für die Kernfusion ist, da dort Temperaturen um 10 Millionen °C herrschen. Dieses Zentrum ist von einer Art Hülle umgeben. Durch diese Hülle diffundiert die im Zentrum entwickelte Energie langsam in Richtung Oberfläche. Letztlich ist diese von der Sternatmosphäre umgeben, dessen Oberfläche sichtbar ist. Die Sternatmosphäre besteht aus einigen Schichten, die beschränkt durchsichtig sind 5 . Nach der Geburt des Sterns setzt er ständig Energie durch eine Folge von Fusionsreaktionen frei. Mit dieser weiteren Entwicklung des Sterns beschäftigt sich der nächste Abschnitt. 2 Vgl. Salzmann, 2008, S. 1 3 Vgl. Salzmann, 2008, S. 2 4 Vgl. Salzmann, 2008, S. 5 5 Vgl. de Boe r, 2014, S. 2 5 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? 3. Entwicklung eines Sterns Wenn aus einer Gaswolke ein Stern entstanden ist, spricht man zunächst von einem Protostern6 . Wenn der Stern eine Masse von weniger als 0,08 Sonnenmassen hat, ist die Temperatur in seinem Zentrum nicht warm genug um mit dem Wasserstoffbrennen zu beginnen. Man spricht hier auch von einem „gescheiterten Stern“, welche man auch als braune Zwerge bezeichnet (siehe dazu Abbildung 3). Dieser leuchtet nur schwach. Bei Sternen mit einer Sonnenmasse zwischen 0,08 und 0,4 spricht man von einem roten Zwerg. Bei diesem laufen die Fusionsprozesse im Vergleich zu massereichen Sternen langsam ab. Daher leben diese auch länger. Von einem massearmen Stern spricht man ab 0,4 bis 8 Sonnenmassen. Bei diesen Sternen läuft die Fusionen von Wasserstoff zu Helium äußerst gleichmäßig ab 7. Abbildung 2: Ausdehnung der Sonne als roter Riese (Müller, 2014, S. 2) 6 Vg l. Harf, 2014, S. 98 7 Vg l. Harf, 2014, S. 98 6 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? Unsere Sonne zählt auch zu einen dieser Sterne. Sobald der Wasserstoff eines massearmen Sterns aufgebraucht ist verändert er sich durch ansteigende Temperatur drastisch. Der Stern bläht sich förmlich auf und man spricht von einem roten Riesen. Unsere Sonne wird am Höhepunkt dieser Entwicklung 100 mal größer sein und 1000 fach stärker leuchten8. Anhand von Abbildung 2 erkennt man sehr deutlich, wie drastisch sich die Sonne ausbreiten wird. Dabei würden die Merkur- und die Venusbahn von der Sonne quasi „verschluckt“ werden, durch diese Hitze wäre Leben auf der Erde nicht mehr möglich. Am Ende ihrer Existenz stoßen massearme Sterne ihre Hüllen als Planetaren Nebel ab. Zurück bleibt ein Kern der bei massearmen Sternen dann zum größten Teil aus Kohlenstoff besteht. Man bezeichnet den Stern dann als weißen Zwerg, da der Kern noch immer sehr heiß ist und weiß leuchtet9 . Je schwerer ein Stern ist, umso stärker wird die Substanz der früheren Gaswolke durch die Gravitation in seinem Kern zusammen gepresst. Und umso heißer wird es auch in seinem Inneren. Daher laufen die Fusionsreaktionen deutlich schneller ab. Wenn ein Stern mit mehr als 8 Sonnenmassen das Wasserstoffbrennen abgeschossen hat, bläht dieser sich auf und wird zu einem Überriesen und es werden weitere schwerere Elemente fusioniert10 . 3.1. Entwicklungsverteilung von Sternen Das Hertzsprung-Russell- Diagramm ist das wichtigste Diagramm der Astronomen. Seine Grundlage wurde von dem dänischen Astronomen Ejnar Hertzsprung entwickelt und im Jahr 1913 von dem amerikanischen Astronomen Henry Norris Russell weiterentwickelt und publiziert11 . Das Diagramm zeigt eine gewisse Anordnung und Gruppierung der Sterne. Ein Stern befindet sich auf einer sogenannten Hauptreihe, wenn er in seinem Zentrum Wasserstoff zu Helium verbrennt. Also während der längsten Fusionsreaktion. Diese ist folglich auch die längste Phase im nuklearen Leben eines Sterns. Diese Phase nennt man daher 8 Vgl. Harf, 2014, S. 99 9 Vgl. Salzmann, 2008, S. 9 10 Vgl. Salzmann, 2008, S. 9 11 Vgl. Lehwand, 2015, S. 1 7 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? auch Hauptreihenstadium. Da die Oberflächentemperatur der Farbe des Sterns entspricht, kann aus dieser seiner Masse, Größe und Leuchtkraft abgeleitet werden. Rote Sterne sind zum Beispiel klein und kühl, während blaue Sterne groß und heiß sind. Weiter gibt es allerdings auch noch orange, gelbe und weiße Sterne. Unsere Sonne zählt zum Beispiel zu gelben Sternen und ist ein Hauptreihenstern. Abbildung 3: Hertzsprung-Russell-Diagramm (Lehwand, 2015, S. 1) Sobald ein Stern den Wasserstoff verbraucht hat und er sich zu einem roten Riesen aufbläht, verändern er damit seine Farbe und verlässt die Hauptreihe 12. Im Hertzsprung-Russell-Diagramm wird auf der x-Achse meistens die Temperatur beziehungsweise die Spektralklasse angegeben, da die Temperatur sich aus dem Licht12 Vg l. Lehwand, 2015, S. 5 8 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? spektrum ablesen lässt. Die Spektralklasse O entspricht in etwa einer Temperatur von 30.000-50.000 K, die Spektralklasse T ca. 600-1300 K. Auf der y-Achse wird meistens die Leuchtkraft eines Sterns angegeben. Diese Angabe erfolgt hier im Diagramm einmal als absolute Leuchtkraft M und einmal als Sonnenleuchtkraft. Rechts oben im Diagramm befinden sich kühle Sterne mit hoher Leuchtkraft. Diese haben eine riesige Oberfläche, was der Grund für die hohe Leuchtkraft trotz der geringen Wärme ist. Dort befinden sich also die roten Riesen und die Überriesen. Dagegen finden wir links unten im Diagramm heiße Sterne mit geringer Leuchtkraft. Sie sind zwar sehr heiß, da sie aber nur eine geringe Leuchtkraft haben, müssen sie sehr klein sein, denn eine kleine Oberfläche strahlt nur wenig Licht ab. Links unten im Diagramm finden wir folglich die sogenannten Weißen Zwerge. Auffällig ist, dass sich die me isten Sterne, darunter auch unsere Sonne, auf einer Geraden befinden, die von unten rechts schräg nach oben links durch das Diagramm verläuft13 . Das ist die Hauptreihe. 3.2. Das Sterben der Sterne Sobald die Masse eines Sterns für eine erneuten Kollaps nicht mehr ausreicht, verglüht dieser als weißer Zwerg und stirbt14 . Massereiche Sterne, welche alle Fusionsreaktionen durchlaufen haben, explodieren hingegen als Supernova. Der Grund dafür ist, dass ein schwereres Element als Eisen in einem Stern nicht entstehen kann. Nach dem Eisenbrennen ist der Fusionsprozess folglich abgeschlossen und die Fusionskette bricht ab15 . Durch die derart hohe Temperatur im Eisenkern und sogenannte Photonen, ist der Stern in der Lage, die Atomkerne des Eisens in Protonen und Neutronen zu zertrümmern, was zu einer Instabilität des Zentrums führt. Der Stern kollabiert innerhalb von Zehntel Sekunden. Dadurch erreicht dieser Stern ein neues Stadium. Er wird zu einem Neutronenstern, da die Schwerkraft im Sterninneren so hoch wird, dass die Teilchen derart hoch beschleunigt werden und die Dichte so stark ansteigt, sodass die Elektronen in die Protonen gepresst werden. Dadurch werden diese zu Neutronen. Es gibt folglich keine Elektronen mehr, weshalb ein erheblicher Teil des Drucks, der vom Sterninneren ausgeht, fehlt. Der Stern kollabiert vollends, und der Kollaps wird erst gestoppt, wenn die Neu13 Vgl. Lehwand, 2015, S. 5-6 14 Vgl. Harf, 2014, S. 102 15 Vgl. Harf, 2014, S. 103 9 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? tronen gewissermaßen aufeinandertreffen. Die Dichte steigt nun so stark an, dass man um eine vergleichbare Dichte zu erhalten - eine Million Lokomotiven in einen Fingerhut quetschen müsste. Die äußersten Schichten des Neutronensterns rasen unter ihrer eigenen Schwerkraft auf den Kern zu, prallen auf der harten Oberfläche ab und werden zurück ins All geschleudert, wobei die plötzliche Zunahme der Oberfläche eine enorme Steigerung der Leuchtkraft verursacht. Durch die Ausdehnung der Schichten nimmt auch die Leuchtkraft der Oberfläche schnell zu 16. 16 Vg l. Salzmann, 2008, S. 10 10 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? 4. 4.1. Energiefreisetzung von Sternen Kernfusion innerhalb der Sterne Bei der Kernfusion schmelzen Atomkerne zu einem neuen schwereren Atomkern zusammen. Zusätzlich finden nacheinander weitere Fusionsreaktionen statt. Wasserstoffbrennen Heliumbrennen Kohlenstoffbrennen Neonbrennen Sauerstoffbrennen Siliciumbrennen H (Wasserstoff), He (Helium), C (Kohlenstoff), O (Sauerstoff), Ne (Neon), Mg (Magnesium), Na (Natrium), S (Schwefel), P (Phosphor), Si (Silicium), Fe (Eisen) Abbildung 4: Die Reihenfolge der verschiedenen Fusionsreaktionen eines Sterns (von außen nach innen) (Salzmann, 2008, S. 6, eigene Ergänzungen) Hierbei spricht man vom „Brennen“ verschiedener Stoffe 17 . Während bei massearmen Sternen nach dem Heliumbrennen keine weitere Fusion mehr stattfindet, kommt es bei massereichen Sterne zu weiteren Fusionsreaktionen (siehe Abbildung 4), welche einen erheblichen Massenverlust eines Sterns zur Folge haben.18 17 Vg l. de Boer, 2014, S. 1 18 Vgl. Salzmann, 2008, S. 4 11 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? 4.2. Massenverlust von Sternen Sterne haben unterschiedliche Massen. Bestimmte Arten von Störungen, wie zum Beispiel Druckwellen, können diese Massenunterschiede bewirken19 . Man unterscheidet zwischen massearmen und massereichen Sternen. Die Masse eines Sterns wird in Sonnenmassen angegeben. Eine Sonnenmasse sind 1,989 · 1030 kg 20. Bei massearmen Sternen hört die Fusion bereits bei 10 - 20 % verbrauchtem Wasserstoff auf, da der zur Gravitation entgegenwirkende Druck vom Zentrum des Sterns zu gering ist. Der Stern kollabiert folglich nicht mehr. Bei Sternen, deren Masse weniger als 0,9 Sonnenmassen beträgt, hört die Entwicklung auf21 . Es wird niemals zu einer weiteren Brennung, noch zu der endgültigen Siliciumbrennung kommen. Der Stern stirbt (siehe dazu auch Kapitel3.2). Das Endstadium der Siliciumbrennung können folglich nur die schwersten Sterne erreichen, da diese unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren, wodurch die Fusion im Zentrum durch die nochmals erhöhte Geschwindigkeit so stark zunimmt, dass die jeweils nächste Fusion stattfindet 22. Während das Wasserstoffbrennen eines massereichen Sterns von 10 Sonnenmassen ca. 10 Millionen Jahre dauert, dauert das Heliumbrennen nur ein Zehntel der Zeit. Für die letzte Fusion benötigt ein Stern sogar nur wenige Stunden bis Tage. Die Fusionsreaktionen laufen folglich immer schneller ab 23. Die bei den Fusionsprozessen entstehende Hitze führt dazu, dass die Außenhülle des Sterns auseinander getrieben wird. Dadurch „bläht“ sich der Stern auf. Die Hülle des Sterns ist dann nur noch schwach an den Kern gebunden. Sich „aufblähende“ Sterne bezeichnet man auch als rote Riesen 24. Indem sich die Wasserstoff- und Heliumhülle von dem Kern lösen, kommt es zu einem Massenverlust des Sterns. Die Wasserstoff- und die Heliumhülle breitet sich dann als Planetarer Nebel im All aus. 19 Vg l. Salzmann, 2008, S. 1 20 Vg l. Bader, 2010, S. 428 21 Vg l. Salzmann, 2008, S. 6 22 Vg l. Blume, 2014, S. 101 23 Vg l. Salzmann, 2008, S. 6 24 Vg l. Blume, 2014, S. 101 12 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? 4.3. Massendefekte von Sternen Die Relativitätstheorie von Albert Einstein (aus dem Jahr 1905) führte zu dem Naturgesetz der Äquivalenz von Masse und Energie: E=m⋅c 2 Die Formel besagt, das sich Masse und Energie gegenseitig bedingen, bzw. das Masse nichts anderes ist als Energie in einer anderen Erscheinungsform, da der dritte Faktor, die Lichtgeschwindigkeit c, eine Konstante ist. E = m c² Energie Masse Lichtgeschwindigkeit Abbildung 5: Äquivalenz von Masse und Energie (eigene Abbildung) Diese Erkenntnis ist heute ein wichtiger Bestandteil der Theorie der Kernfusion und der Energieerzeugung in Sternen25 . Bezieht man diese Formel auf die Vorgänge in den Sternen, so wird deutlich, dass durch das Freisetzen von Sonnenenergie durch Wärme und Strahlung gleichzeitig eine Wechselwirkung mit der Masse des Sterns bestehen muss. Die Temperaturen im Zentrum eines Sterns sind so extrem hoch, dass die Kerne der Atome nicht nur miteinander verschmelzen, sondern auch wechselwirken26. Dadurch wird Energie freigesetzt. Bei den Fusionsreaktionen in unserer Sonne wird zunächst Wasserstoff (H) zu Helium (He) fusioniert. Allerdings ist die Masse des He-Atoms etwas geringer als die Masse der benötigten 4 H-Atome. Die Lichtgeschwindigkeit bezieht sich hier auf die Bewegungsenergie der Teilchen im Inneren des Sterns. Dieser Massenunterschied führt wegen der Äquivalenz von Masse und Energie zu einer Verwandlung von Masse in Energie. Der Massenunterschied wird durch Freisetzen von Energie ausgeglichen27. Diesen Massendefekt kann man berechnen (siehe dazu Kapitel 4.5). 25 Vgl. de Boe r, 2014, S. 3 26 Vgl. Salzmann, 2008, S. 1 27 Vgl. Decker, 2009, S. 1 13 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? 4.4. Die Fusionsreaktion von Sternen Die Proton-Proton-Kette ist einer der wichtigsten Prozesse bei dem Fusionieren von Wasserstoff zu Helium 28 . In der oben gezeigten Abbildung (siehe Abbildung 6) ist gut zu erkennen, dass bei diesem Prozess sechs Protonen, in vier Protonen und zwei Neutronen „umgewandelt“ werden. Die Neutronen entstehen dadurch, dass bei dem Aufeinandertreffen von zwei Protonen jeweils ein Positron und ein Neutrino abgespalten werden. Neben den Neutronen entsteht zusätzlich Energie, welche durch Gammastrahlung freigesetzt wird. Das Endprodukt der Proton-Proton-Kette ist Helium. Da das Endprodukt Helium eine geringere Masse aufweist, als die in die Reaktion eingegangenen Wasser28 Vg l. de Boer, 2014, S. 2 14 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? stoffteilchen, wird Energie nach außen freigesetzt, welche nach der Gleichung E=m · c 2 berechnet werden kann (siehe Kapitel4.5). Außerdem bleiben zwei „neue“ Protonen übrig, wodurch der Prozess der Proton-Proton Kette erneut stattfinden kann. 4.5. Beispielberechnung eines Massendefektes Mit Hilfe der Formel der Äquivalenz von Masse und Energie nach Albert Einstein kann man die Leuchtkraft unserer Sonne und die dabei freigesetzte Energie sowie den Massendefekt berechnen. Die Leuchtkraft berechnet man über die allgemeine Formel: Leuchtkraf t L=Solark onstante S x Oberfläche A Die Solarkonstante E 0=1367 W beschreibt die Sonnenstrahlung auf einer Fläche von m2 1 m². Um die Gesamtstrahlungsleistung der Sonne zu ermitteln, denkt man sich eine kugelförmige Hülle um die Sonne herum, deren Radius der Entfernung zwischen der Erde und der Sonne entspricht . Diese Strecke s beträgt ungefähr 150 Mio. km29. Zur Berechnung der Oberfläche dieser gedachten Kugel, setzt man diese Zahl in die folgende Formel zur allgemeinen Berechnung der Oberfläche einer Kugel ein: A=4⋅π⋅r 2 =4⋅π⋅(1,49 6⋅1011 m)2 =2,81 2⋅10 23 m 2 Dieses Ergebnis wird in die Formel der Leuchtkraft eingesetzt: L=S⋅A=1367 Mithilfe der Formel W ⋅2,812⋅1023 m2=3,845⋅10 26 W 2 m E=m⋅c 2 können wir nun den Massendefekt berechnen: E 3,845⋅1026 W m= 2 = =4,3⋅10 9 kg 2 c m (3⋅108 ) s Nach der Einsteinschen Formel E=m⋅c 2 verliert die Sonne demnach pro Sekunde eine Masse von 4,3 109 kg, also ungefähr 4 Mio. Tonnen pro Sekunde. 4.6. Sterne als Geburtsstätte chemischer Elemente Der größte Teil der Materie im Kosmos liegt in Form von Wasserstoff (75%) und Helium (25%) vor. 30 Im Periodensystem der Elemente (siehe Abbildung 7) sind aber viel 29 Vgl. Bader, 2010, S. 432 30 Vgl. Mü ller, 2011, S. 2 15 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? mehr Elemente vorhanden als nur Wasserstoff und Helium. Die beschriebenen Fusionsprozesse (siehe Kapitel 4.1) innerhalb eines Sterns erklären die Entstehung der weiteren Elemente C (Kohlenstoff), O (Sauerstoff), Ne (Neon), Mg (Magnesium), Na (Natrium), S (Schwefel), P (Phosphor), Si (Silicium) und Fe (Eisen) (vgl. Kapitel 4.1). Da Eisen das schwerste Element ist, was in Sternen entstehen kann (vgl. Kapitel 3.2), muss es eine andere Quelle für die weiteren Elemente geben. Abbildung 7: Periodensystem der Elemente (eigener Scan, Klett Verlag, 2008) Elemente schwerer als Eisen entstehen, wenn sich weitere Neutronen und Protonen anlagern. Die dazu nötigen physikalischen Bedingungen entstehen zum Beispiel bei den Supernova-Explosionen. Dort werden so hohe Energien frei, das schwerere Elemente durch Stoßprozesse entstehen können. Durch Supernovae und Sternenwinde verteilen sich diese Elemente schließlich im Universum, woraus dann schließlich Planeten wie die Erde und letztendlich auch wir entstehen . 31 31 Vg l. DLR, 2015, S. 3 16 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? 5. Nachwort Durch die intensive Beschäftigung mit dem Thema „Das Leben Sterne – Woher kommen die Elemente“ bin ich noch mehr von dem Phänomen Stern und der dahinter stehenden Physik fasziniert und beeindruckt. Mit dem, in meiner Jahresarbeit angeeigneten, Hintergrundwissen über die hellen Sterne am Himmel, beobachte ich nun noch intensiver die unterschiedlichen Sterne und denke darüber nach, in welchen Stadien sie sich gerade befinden und wie lange sie wohl noch leben werden. Während des Schreibens der Jahresarbeit fiel mir zunächst auf, dass dieses Thema sehr breit gefächert ist und ich mich auf spezielle Aspekte vom Sternenleben konzentrieren musste. Das Thema einzugrenzen und eine sinnvolle Gliederung zu finden, war für mich nicht ganz einfach. Aus meiner Sicht habe ich die wichtigsten Details zu diesem Thema mit eigenen Worten beschrieben und auch für den Laien verständlich dargestellt. Da wir das Thema Kernfusion noch nicht im Unterricht behandelt haben, habe ich mir das Thema zum größten Teil mit Hilfe von Internetquellen und unserem Physikbuch selbst erarbeitet. Abschließend möchte ich erwähnen, dass mir die intensive Auseinandersetzung mit diesem Thema sehr viel Spaß gemacht hat und ich viel Wissen daraus ziehen konnte. Ich bin jetzt in der Lage zu verstehen, was hinter den „hellen Punkten“ am Himmel steckt und kann meinem Patenkind stolz seine Fragen kindgerecht beantworten. Neben den inhaltlichen Aspekten habe ich Erfahrungen sammeln können, wie man eine wissenschaftliche Arbeit verfasst, aufbaut und sie am Computer umsetzt. Die vorgegeben Formalitäten habe ich dabei angewandt. 17 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? 6. Fremdwortverzeichnis Äquivalenz von Masse und Energie : Masse und Energie bedingen einander diffundieren : in einen anderen Stoff eindringen interstellar : zwischen den Sternen befindlich kontrahieren : sich zusammenziehen Neutrino : elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr geringer Masse Photonen : das Elementarteilchen (Quant) des elektromagnetischen Feldes, (elektromagnetische Strahlung besteht aus Photonen) Planetarer Nebel : Gase, aus denen sich Gaswolken bilden können, aus denen wiederum neue Sterne entstehen können Positron : positives Elementarteilchen Spektralklasse : Klassifizierung der Sterne nach dem Aussehen ihres Lichtspektrums thermischer Druck : der Druck, der auf Grund der Bewegung der Teilchen entsteht 18 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? 7. Quellenverzeichnis Bücher: Bader, Prof. Dr. Franz (2010), Physik Gymnasium Sek 2, Bildungshaus Schulbuchverlage, Braunschweig, S. 428/432/433/436 Zeitschrifte n: Blume, Patrick (2014), Werden und vergehen im Kosmos, in: Die Milchstraße, in GEO kompakt, Nr. 39, Gruner+Jahr, Hamburg, S. 98-104 Internetquelle n: de Boer, K.S. (2014), Physik des Monats Januar – Thema 2: Physik der Sterne, , aufgerufen am 22.03.2015 Decker, Dr. Johanna (2009), Kernfusion, http://www.djds.de/projekte/einstein/kernfusion/, https://astro.unibonn.de/~deboer/pdm/pdmastrostar.html aufgerufen am 17.03.2015 DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (2015), Sind wir aus Sternenstaub gemacht, http://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid-6587/10808_read-24392/, aufgerufen am 09.04.2015 Lehwand, Mario (2015), Hertzsprung-Russell Diagramm http://www.andromedagalaxie.de/html/sterne_hrd.htm, aufgerufen am 17.03.2015 Müller, Andreas (2011), Woher wir kommen, http://www.scilogs.de/einsteinskosmos/woher-wir-kommen/, aufgerufen am 10.04.2015 Müller, Andreas (2014), Lexikon der Astronomie - Roter Riese http://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/roter-riese/415, aufgerufen am 22.03.2015 19 Das Leben der Sterne – woher kommen die Elemente? NASA and The Hubble Heritage Team (AURA/STScI) (2003), Firestorm of Star Birth in Galaxy M33, http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2003/30/image/a/, aufgerufen am 22.03.2015 Salzmann, Wiebke (2008), Entstehung und Lebensweg von Sternen, http://www.physik.wissenstexte.de/sterne.htm, aufgerufen am 21.03.2015 Westram, Heike (2015), STERNE - WIE VIEL STERN' AM HIMMEL STEHEN, http://www.br-online.de/wissen-bildung/spacenight/sterngucker/deepsky/sterne.html, aufgerufen am 22.03.15 Wikipedia (2015), Schematischer Ablauf der Proton-Proton-Reaktion, http://de.wikipedia.org/wiki/Proton-Proton-Reaktion, aufgerufen am 22.03.2015 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Ein aktives Sternenentstehungsgebiet (NASA, 2003).................................4 Abbildung 2: Ausdehnung der Sonne als roter Riese (Müller, 2014, S. 2).......................6 Abbildung 3: Hertzsprung-Russell- Diagramm (Lehwand, 2015, S. 1).............................8 Abbildung 4: Die Reihenfolge der verschiedenen Fusionsreaktionen eines Sterns (von außen nach innen) (Salzmann, 2008, S. 6, eigene Ergänzungen)..........................11 Abbildung 5: Äquivalenz von Masse und Energie (eigene Abbildung)..........................13 Abbildung 6: Proton-Proton-Kette (Wikipedia, 2015, ergänzt durch eigene Erläuterungen).........................................................................................................................14 Abbildung 7: Periodensystem der Elemente (eigener Scan, Klett Verlag, 2008)............16 20
