Jeder hat schon mal das Periodensystem der Elemente gesehen – eine Tabelle in der chemische Elemente nach ihrer Kernladungszahl nummeriert und nach bestimmten Eigenschaften in Perioden und Gruppen eingeteilt sind.
Momentan sind in der Tabelle 112 chemische Elemente erfasst. Weitere Elemente wurden nach eigenen Aussagen bereits in einem Kernforschungsinstitut bei Dubna hergestellt, aber noch nicht durch andere Forschungsgruppen bestätigt.
Nur weil es 112 Elemente in dem Periodensystem gibt, heißt es aber noch nicht, dass es nur 112 unterschiedliche Atome gibt. Die Ordnungszahl 112 gibt nur die Anzahl der Protonen im Atomkern an. Ein Atomkern besteht aber nicht nur aus Protonen, sondern auch aus Neutronen, so kommt zum Beispiel das stabile Element Eisen in der Natur in vier unterschiedlichen Formen vor: mit 28, 30, 31, 32 Neutronen. Man bezeichnet die unterschiedlichen Atome des gleichen chemischen Elements als Isotope. Eisen hat also 4 stabile Isotope und noch etwa 20 weitere instabile Isotope.
In der Natur gibt es also viel mehr unterschiedliche Atome (Nuklide) als nur 112. Laut Wikipedia gibt es 256 stabile und 80 instabile natürlich vorkommende Nuklide und über zwei Tausend künstlich erzeugte, die alle radioaktiv sind.
Um auch alle Nuklide in eine Tabelle zu bringen, benutzen Kernphysiker die Nuklidkarte. Die Nuklidkarte ist ein zweidimensionales Koordinatensystem mit der Protonenzahl auf der Y-Achse und der Neutronenzahl auf der X-Achse, auf der alle bekannten Nuklide (Atome mit unterschiedlichen Anzahl von Protonen und Neutronen) mit ihren wichtigsten Eigenschaften eingetragen sind.
Man erkennt, dass alle schwarzen Kästchen, die stabile Nuklide repräsentieren, auf einer etwas nach unten gekrümmten Geraden befinden, welche als das Stabilitätstal bezeichnet wird. Umringt werden diese stabilen Elemente von ihren Isotopen.
Doch warum ist diese Tabelle nicht komplett ausgefüllt? Sind es alles Plätze für nicht entdeckte Nuklide?
Nehmen wir einen beliebigen Atomkern und fügen immer mehr Neutronen dazu, so sinkt mit jedem zusätzlichen Neutron die Separationsenergie (dies kann man mit der Bethe-Weizsäcker-Formel zeigen). Die Neutronen-Separationsenergie ist die Energie, die man aufwenden muss um ein Neutron aus dem Kern rauszuholen. Wenn man also einem Atomkern immer mehr Neutronen zufügt, können diese auch leichter wieder entfernt werden. Ab einer gewissen Anzahl von Neutronen im Kern (die für jedes Element anders ist), kostet es überhaupt keine Energie mehr ein Neutron wieder aus dem Kern zu entfernen oder anders gesagt, jedes weitere Neutron wird nicht mehr an den Kern gebunden.
Aus diesem Grund können Kerne nur ein begrenzte Anzahl von Neutronen aufnehmen. Das gleiche gilt auch für Protonen. Dadurch bekommt man in der Nuklidkarte links und rechts von dem Stabilitätstal Grenzen jenseits derer keine Kerne existieren können. Diese Grenzen werden als Neutronen- bzw. Protonen Drip Line oder auf Deutsch Abbruchkante bezeichnet.
Um neue stabile Atome zu bekommen gibt es also rein theoretisch nur einen Weg und dieser führt entlang des Stabilitätstals. Aber auch hier gibt es eine Grenze. Mit zunehmender Nukleonenanzahl tritt spontane Kernspaltung auf (was man ebenfalls mit der Bethe-Weizsäcker-Formel zeigen kann), das heißt ein Kern zerfällt in zwei kleinere Kerne.
Aus diesem Grund endet auch das Stabilitätstal mit dem Nuklid 208Pb (Blei), alle Elemente mit höheren Protonenzahl als 82 sind instabil und nur wenige von ihnen kommen in der Natur vor.
Science-Fiction Fans sind an dieser Stelle wohl enttäuscht, keine neuen Supermetalle für Schutzschilde gegen Energielaser, keine neuen Treibstoffe wie Tylium ect.. Fiktion bleibt Fiktion oder gibt es vielleicht doch einen Ausweg?
Nun, die Kernphysik ist ein sehr kompliziertes Gebiet und die Betrachtung, die ich oben dargestellt habe, basiert auf einem sehr einfachen Tröpfchenmodell. Genaue Berechnungen können nicht mehr analytisch durchgeführt werden und müssen an Computern simuliert werden. Damit die Rechenzeit die Lebensdauer des Universums nicht übersteigt werden viele Näherungen gemacht. Diese Näherungen verfälschen aber im Endeffekt die endgültige Aussage.
Trotzdem, wie man es aber auch dreht, die Berechnungen zeigen, dass es keine weiteren stabilen Elemente geben kann. Es wird zwar eine Insel der Stabilität vermutet, aber dass die Elemente in diesem Bereich wirklich stabil sind ist sehr unwahrscheinlich.
Das letzte Wort wird immer noch das Experiment haben. In etwa 10 Jahren sollten die Physiker an der GSI bei Darmstadt oder in Dubna klären, welche Lebenszeit die Nuklide im Bereich der Stabilitätsinsel aufweisen.
Bis dahin heißt es abwarten und Tee trinken.
So und jetzt mache ich mir ein Tee…
Ich finde, man sollte die Suche dennoch nicht automatisch so sehr einschränken. Deine Ausführungen beziehen sich nämlich nur auf die Frage „Wieviele chemische Elemente gibt es auf der Erde“ und nicht auf die Frage „Wieviele chemische Eleemnte gibt es?“. Ich bin mir sicher, dass es in den Weiten des Universums noch mehr Material findet, welches auch als chemisches Element gezählt wird. Es gibt ganz sicher noch ganz andere Teilchen, die zusammen etwas – oder etwas anderes Bilden können. Nur weil wir es gerade nicht messen und/oder erklären können, ist das noch kein Beweis für die Nichtexistenz.
Nein, die Betrachtung bezieht sich auf jeden Winkel des Universums, wenn dort die gleichen Naturgesetze gelten wie bei uns, was bisherigen kosmologische Betrachtungen auch bestätigen.
Wenn man aber die Naturgesetze nicht als Fakt ansieht, dann begibt man sich in Reich der Spekulationen.
[Universums, wenn dort die gleichen Naturgesetze gelten wie bei uns, was bisherigen]
Ist es denn WIRKLICH sicher, das im Riesigen Universum überall die gleichen Gesetze herschen?
Wir, die Menschen haben doch gerademal ein winzigen Bruchteil gesehen. Von „Erforschen“, möchte ich noch nichtmal sprechen.
Ist es nicht so, das die Gesetze von z.B. Newton und Einstein nicht immer und überall anwendbar sind, weil die Ergebnisse dann nicht mehr stimmen?
Mit Spekulationen beginnt doch die Wissenschaft oder?
Warum sollte es nicht noch Elemente geben, die wir noch nicht entdeckt haben?
Vielleicht sogar hier…?
Man muss nicht zu einem Stern fliegen um zu beurteilen, ob dort die gleichen Gesetze herrschen wie hier. Alleine schon das Lichtspektrum und die Tatsache, dass der Stern den Gesetzen der ART gehorcht, sagt schon alles aus, was man wissen muss um zu entscheiden, ob die Gesetze dort die gleichen sind. Sie sind gleich.
Newton ist überholt. Einsteins ART ist bestens durch Experimente bestätigt und es gibt momentan kein Experiment, dass im Widerspruch dazu stehen würde.
Ja, aber Spekulationen alleine sind keine Wissenschaft.
Das habe ich doch im Artikel beantwortet :) Wenn es genauere Verständnisfragen gibt, dann kann ich versuchen sie zu beantworten.
[Newton überholt?… Einstein bestätigt?…]
Nun meine Frage dazu, warum gibt es dann bei der Quantenphysik, der Stringtheorie etc. soviele Ungereimtheiten, wo Einsteins ART versagt?
Es gibt sovieles, was unbestätigt ist und doch halten alle daran fest. Warum?
Manchmal komme ich mir vor wie im frühen Mittelalter.
Kirche ist Gesetz, alles andere darf es nicht geben.
Heute: Einstein ist Gesetz, alles andere ist falsch…
[Verständnisfragen…]
Bitte erkläre den Lesern und mir einem wie die Lichtgeschwindigkeit gemessen wird und warum nichts schneller sein darf.
Danke
Die ART versagt nicht. Was versagt ist die theoretische Verbindung zwischen ART und QT. Daran erkennt man, dass es noch etwas fehlt in einer oder beiden Theorien. Beide Theorien spielen auch in ganz anderen Räumen, d.h. sie haben unterschiedliche Annahmen über die Struktur der Raumzeit.
Also noch mal: es gibt Probleme die vorhandenen Theorien zu einer zusammen zu fügen. Aber: für beide Theorien gibt es kein Experiment, dass eine der beiden Theorien widerlegt. Das ist ja gerade das Problem, dass wir kein Experiment haben um die Probleme weiter einzugrenzen.
An was genau denkst du dabei?
Wir beobachten die Natur und leiten aus den Beobachtungen Regeln ab. Diese Regeln nennt man „physikalische Gesetze“. Das hat nichts mit der Autorität (wie bei der Kirche oder Religionen) zu tun, sondern mit der Beobachtung der Natur.
Dazu gibt es viele Methoden . Manche sind kompliziert und manche ziemlich einfach, z.b. Zahnradmethode und Drehspiegelmethode.
Das kommt automatisch aus der speziellen Relativitätstheorie, die aus einfachen theoretischen Überlegungen kommt und bestens bestätigt ist. Die SRT wird auch in den Quantentheorien berücksichtigt. Die Formel E=mc² ist eine direkte Folgerung daraus.
[Die ART versagt nicht. Was versagt ist die theoretische Verbindung zwischen ART und QT. Daran erkennt man, dass es noch etwas fehlt in einer oder beiden Theorien. Beide Theorien spielen auch in ganz anderen Räumen, d.h. sie haben unterschiedliche Annahmen über die Struktur der Raumzeit.]
Warum in anderen Räumen?
Ich habe immer angenommen, das diese „Theorien“ „Gestze“ überall gleich sein sollen???
Nun doch nicht? Gavitation zwischen Planeten oder Gravitation zwischen Atomen, Protonen &&&&&…
Was macht Ihr Physiker? Euch alles so zurechtlegen das es passt? Wurde nicht so die ART zur SRT abgewandelt damit so vieles „nichtpassende“ dann plötzlich passte?
Eine Frage: Lichtgeschwindigkeit zu erreichen.. Massenzuwachs…Energie…
Also im CERN werden Protonen auf nahezu c beschleunigt?
Wieviel Energie wird dazu benötigt? Ohne nun zu rechnen denke ich mal, laut Einstein unendlich viel?
Und warum denken die Physiker das der zusammenstoss der Protonen oder was auch immer die beschleunigen etwas mit dem „angeblichen“ umstrittenen Urknall gemein haben?
In meinem Kopf explodieren die Fragen…
Jede Theorie hat ihren Arbeitsbereich. Dieser kann durch verschiedene Parameter beschrieben werden, z.B. durch Energie, Größe(Abmessungen), Zeit, Beschaffenheit der Raumzeit etc. Je nach Größenskala treten die Fundamentalkräfte unterschiedlich stark in Erscheinung. Zum Beispiel ist auf Skalen der Atomkerngröße ist die starke Kernkraft dominierend und die Gravitation spielt keine Rolle, weil sie etwa 1040 (das ist 10000000000000000000000000000000000000000) mal schwächer als die starke Kraft ist. Bereits bei Größen mehr als ein Atomradius spielt die starke Kraft aber keine Rolle, dann dominiert die elektromagnetische Kraft, bei noch größeren Abmessungen dominiert die Gravitation, die Planeten und Galaxien formt. Die ART beschäftigt sich nur mit der Gravitation, die anderen drei Grundkräfte lässt sie aus. Die QT lässt aber die Gravitation aus. Beide arbeiten in ihren Bereichen super und gehen von verschiedenen Beschaffenheit der Raumzeit aus.
Raumzeit:
ART: dynamisch
QT: starr (unveränderlich)
Raum-Hintergrundabhängigkeit:
ART: unabhängig
QT: abhängig
Materie in der Theorie:
ART: ändert die Raumzeit
QT: ändert nicht die Raumzeit
Bitte keine Unterstellungen. Vor allem nicht, wenn man nicht das Wissen hat das zu beurteilen.
Dass nicht unendlich viel sein kann, ist doch klar… unendlich->kein Ende
Die Urknalltheorie ist nicht „angeblich“ und auch nicht umstritten, sondern eine logische Schlussfolgerung aus vielen Messungen.
Weil man dann eben hohe Energiedichten hat.
Ja kann ich verstehen, aber dann sollte man sich auch die nötige Literatur besorgen um sich etwas zu informieren, bevor man über Sachen urteilt, über die man nichts weiß.
Eine gute Anlaufstelle für Laien ist: http://www.weltderphysik.de/
Dunkle Materie?!
Behauptung:
Trotzdem, wie man es aber auch dreht, die Berechnungen zeigen, dass es keine weiteren stabilen Elemente geben kann. Es wird zwar eine Insel der Stabilität vermutet, aber dass die Elemente in diesem Bereich wirklich stabil sind ist sehr unwahrscheinlich.
Aus unendliches.net/german/index.htm?universum.htm
„Das Universum besteht weitgehend aus „UNBEKANNTER“ und unsichtbarer Materie. Normale Materie in Sonnensystemen, kosmischem Staub und interstellarem Gas macht nur 4% der Masse des Universums aus. Über ein Viertel des Universums besteht aus einer noch unbekannten Dunklen Materie. Die Dunkle Materie macht sich nur durch ihre Schwerkraft bemerkbar und wurde durch Messung von Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in rotierenden Galaxien entdeckt. Sterne rotieren weit schneller um ihre galaktischen Zentren, als durch die normale Materie der Galaxien erklärbar wäre.
Die noch rätselhaftere Dunkle Energie wurde postuliert, um die Euklidische Geometrie des Universums und zugleich seine beschleunigte Ausdehnung zu erklären. Diese Dunkle Energie macht fast drei Viertel – etwa 73% – des Universums aus. Im Gegensatz zur Dunklen Materie hat Dunkle Energie eine negative Schwerkraft.“
Das Universum ist groß, JA sehr groß.
ich würde mich nicht trauen zu behaupten das es kein Stabiles Element mit einer Protonenzahl > 82 gibt.
hast du das in swtor gepostet oder kopiert?
http://www.swtor.com/community/showthread.php?p=2325722
Die dunkle Materie besteht nicht aus Protonen und Neutronen aus denen alle Atomkerne bestehen. Was auch immer die dunkle Materie ist, sie hat keinen Einfluss auf die oberere Aussage. Das ist auch nicht einfach meine Behauptung, sondern der Standpunkt der Kernphysik.
Nein, das habe ich nicht kopiert und ich habe es dort nicht gepostet. Da hat wohl jemand nichts vom Urheberrecht gehört. Bist du im Forum angemeldet?
Jörg, du solltest dich als 1. mal mit dem Dunning-Kruger-Effekt beschäftigen und dann erst Maxim damit, dir deine Fragen zu beantworten.
Wenn du nichts von dem verstehst was er antwortet aber deine Vorstellung über die Welt nicht einen Millimeter ändern möchtest, dann ließ doch weiter in anderen Blogs, wo nicht so fundiert geschrieben wird, dann passen auch deine ganzen Aussagen wieder zueinander und du fühlst dich bestätigt, was dich dann wieder zum Dunninger-Kruger-Effekt führt.
Maxim, vorne weg erstmal danke, dass du dir so ausführlich und geduldig der Fragen von uns interessierten Laien Zeit widmest.
Ich hätte nämlich eine Frage zu Möglichkeit stabiler Atome jenseits von Blei:
Würde es physikalische Gesetze brechen, wenn es andere Wege zur Stabilität des Atomkerns gäbe, außer jetzt in ihrer Atomkernaußenschale vollkommen besetzt zu sein. (Hoffe habe das hier verstanden).
Kann es keine Molekülverbindungen geben, die das neu entstandende Atom hindert in Kernzerfall?
Ich weiß, dass man einen passenden Molekülpartner finden muss und das solche Molekülverbindungen recht schnell synthetisiert werden müssen, durch den schnellen Zerfallsprozess des instabilen Atomes. Aber wenn man es rechtzeitig binden und sichern könnte in einer festen Struktur vor dem Zerfall bewahrt werden oder?
Hallo und danke für den Honig! :)
Grundsätzlich könnte es natürlich immer irgendwas geben, dass unser Weltbild erweitert. Die neue Erkenntnis muss sich dann aber in das Gefüge der bereits bekannten Naturgesetze einfügen. Nach meinem Kenntnisstand gibt es keine handfesten Ansatzpunkte für eine neue Physik.
Ob chemische Bindungen die den Kernzerfall verhindern ist eine gute Frage und ist mit Nein zu beantworten.
Es gibt den Spezialfall bei dem sich ein Atomkern in einem angeregten Zustand befindet. Dann gibt es zusätzlich zum Normalfall, bei dem die Abregung über Gammastrahlung erfolgt, noch den Effekt der Inneren Konversion *. Dabei wird die Anregungsenergie des Atomkerns auf ein Hüllenelektron übertragen, so dass dieses den Atomkern verlässt. Es sieht nach einem Betazerfall aus, aber im Gegensatz dazu, ist das Energiespekrum des Elektrons diskret und die Zusammensetzung des Kerns ändert sich nicht. Dieser Prozess hängt von der Elektronenverteilung des Atomkerns ab und da diese durch die chemische Bindung geformt wird, hängt auch die Wahrscheinlichkeit für die Innere Konversion davon ab.
Wie bereits erwähnt, ändert sich dabei die Kernzusammensetzung nicht, es ist also kein Kernzerfall.
Auf die spontane Spaltung hat die chemische keinen Einfluss (wäre mir zumindest neu), was man sich durch die Energiebetrachtung plausibel machen kann. Chemische Bindungsenergien liegen im Bereich von einigen Elektronenvolt (z.B. H-H Bindung: 4,52 eV), Kernbindungsenergien liegen im MeV-Bereich.
*http://de.wikipedia.org/wiki/Innere_Konversion
Danke, wieder was neues gelernt.
Also bleibt der einzige Weg, nach der Theorie der Inseln der Stabilität zu gehen. Aber auch diese sind ja immer noch radioaktive Elemente und zerfallen oder?
Die Kernbildungsenergie lässt bei höheren Ordnungszahlen keine stabilen Bindungen zu.
Ich begebe mich natürlich ins Reich der Spekulationen, aber es wäre Interessant zu wissen, welche Eigenschaft diese Elemente der höheren Ordnungszahlen so haben.
Wohlmöglich besitzt ein ja Element die exotische Fähigkeit eben nicht zu zerfallen und stabil zu sein. Auch wenn es technisch nicht möglich wäre, weil sofern ich es richtig verstanden habe, die Kernbildungsenergie zwangsläufig den Kern zerfallen lässt.
Der Begriff „Insel der Stabilität“ ist wirklich etwas verwirrend, denn stabile Elemente werden in diesem Bereich nicht erwartet. Sie werden etwas längere Lebenszeit haben, als die benachbarten Isotope, aber mehr auch nicht.
Die Eigenschaften der neuen Elemente kann man sich grob über ihre Position (vor allem die Gruppe) im Periodensystem ableiten, da die chemischen Eigenschaften von den Elektronenkonfigurationen abhängen. Hier ist das erweiterte System dargestellt:
http://de.wikipedia.org/wiki/Erweitertes_Periodensystem
Bei deinem Link, gibt es eine interessante Folge von schweren Elementen: der relativistische Effekt
Dies würde exotische Eigenschaften begünstigen oder?
Wie hoch die Wahrscheinlichkeit wohl ist ein exotisches Element zu finden, welches als eines seiner grundlegenden Eigenschaften nicht radioaktiv ist oder zumindest eine langsame Kernzerfallsrate besitzt.
Die Wahrscheinlichkeit muss sehr gering sein, denn sie mit würde quantenmechanischen Aspekten in Konflikt tretten. Aber sie würde nicht zwangsläufig diesselbigen verletzen oder?
In Anbetracht der Tatsache, dass wenn man genug Energie zu Verschmelzung hat und neue Elemente synthetisiert und wir reden nicht von synthetiserung von 10-20 neuen Elementen sondern von 1000-2000 oder mehr (hypothetisch), steigt doch die Wahrscheinlichkeit diese gesuchte Elementeneigenschaft zu finden, die ein Kernzerfall stoppt oder zumindest verlangsamt?
Die erwähnten relativistischen Effekte beziehen sich auf die Elekronenhülle, nicht auf den Atomkern.
Nein, die Wahrscheinlichkeit steigt nicht, denn das würde bedeuten, dass eine stabile Konfiguration existiert und wir sie nur finden müssten. Das ist aber nicht der Fall.
Man kann ein längerlebiges Isotop schon deswegen ausschließen, weil wir es nicht in der Erdkruste finden. Zumindest Isotope mit einer Halbwertszeit von mehr als 100000 Jahren. Für die Forschung wäre aber ein Isotop mit einer Halbwertszeit von wenigen Jahren auf jeden Fall extrem interessant, obgleich auch eine solche Konfiguration schon unwahrscheinlich ist.
Vielen Dank, jetzt verstehe ich viel besser die natürlichen Grenzen dieser Thematik.
Hat mir sehr geholfen.
Kennst du eventuell andere Theorien oder Ansetze, die mögliche langlebige Isotope jenseits des derzeitigen Periodensystems ermöglichen?
Möchte hier nichts durchmischen, aber habe den Quanten-Zeno-Effekt im Kopf,
so könnte man die Zerfallsrate praktisch auf null senken oder?
Wäre dieses Atom dadurch auch von anderen Interaktionen, bspl. Aggregatzustandsveränderungen nicht mehr verwendbar, wenn es in diesem Zustand gesetzt würde?
Es gibt die Möglichkeit, dass es stabile seltsame Materie geben könnte. Um genaue Berechnungen durchzuführen wissen wir noch zu wenig über die Kernkräfte, es ist also eine extrem spekulative Geschichte und eher als Science-Fiction anzusehen. Experimentell wird danach auch gesucht. Habe mal schnell Google gefragt…das erste Paper das ich gefunden hab: http://arxiv.org/ftp/nucl-ex/papers/0402/0402015.pdf
Mehr weiß ich darüber auch nicht.
Über den Quanten-Zeno-Effekt weiß ich nur das, was auf Wikipedia darüber zu lesen ist. Man kann den Effekt also nicht beobachten. Aber auch wenn, bringt es kaum was, wenn nach dem Experiment der Kern trotzdem zerfällt. Für immer stabil bleiben wird es auf keinen Fall.