Der Ursprung des Universums und der Elemente
Planet Erde
Aus was ist sie gemacht?
O 30%
Mg 14%
Si 15%
S 3%
Fe 32%
Ni2%
others 4%
Die Erde ist hauptsächlich (>90%) aufgebaut aus:
Sauerstoff (O), Magnesium (Mg), Silizium (Si) und Eisen (Fe)
“ Erd-Torte ”
Jedes dieser Elemente hat ein dominierendes Isotop.
Deshalb besteht die Erde hauptsächlich aus nur vier Isotopen:
16O, 24Mg, 28Si und 56Fe !
Das
Universum als ganzes
ist GANZ
anders
Unsere Sonne ist ein gewöhnlicher
Stern, mit einer Zusammen- setzung ähnlich wie der Grossteil
des Universums
others
< 2%
He 27%
H 71%
Die Sonne besteht hauptsächlich(>98%) aus:
Wasserstoff (H) und Helium (He)
“ Sonnen-Torte ”
Jedes dieser Elemente hat ein dominierendes Isotop.
Die Sonne (wie alle Sterne) besteht vor allem aus nur 2 Isotopen:
1H und 4He !
Warum hat das Universum so viel Wasserstoff und Helium?
Warum hat das Universum so
viel Wasserstoff und Helium?
Um dies zu beantworten, müssen wir zuerst
verstehen wie das
Universum
entstand.
Der BIG BANG
Das Universum
entstand vor 11 bis 18 Milliarden (109) Jahren in einer
heftigen Explosion, genannt Big Bang.
Fast aller Wasserstoff und alles Helium entstanden im Big Bang.
Der BIG BANG
Alles andere in unserem Sonnensystem
entstand nach dem Big Bang, in
den Sternen unserer Galaxis.
Die Bildung von neuen Elementen in Sternen wird Nukleosynthese genannt.
Wie produziert der Big Bang Wasserstoff und Helium?
Antworten finden wir durch das Studieren von fernen Galaxien. Diese zeigen, dass das Universum expandiert - als ob es explodieren würde.
Woher kennen wir das Alter des Universums ?
Woher wissen wir, das es einen Big Bang gab?
Die
Geschwindigkeiten von fernen
Galaxien können durch die
Wellenlänge des auf die Erde
treffenden Lichtes bestimmt werden.
Die Die
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von fernen von fernen
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auf die Erde auf die Erde
treffenden Lichtes treffenden Lichtes bestimmt werden.
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Der BIG BANG
Der BIG BANG
Der BIG BANG
Die Spektren sind gegen längere
Wellenlängen verschoben (eine Rot-Verschiebung)
aufgrund des Doppler Effekts der Galaxien, die sich von uns weg
bewegen.
Die Spektren sind Die Spektren sind
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bewegen.
bewegen.
Der BIG BANG
Der Der BIG BANG BIG BANG
Durch das Messen der Lichtspektren
von fernen
Galaxien können Wissenschaftler
bestimmen, wie schnell sie sich
bewegen.
Durch das Messen Durch das Messen
der Lichtspektren der Lichtspektren
von fernen von fernen
Galaxien können Galaxien können Wissenschaftler Wissenschaftler bestimmen, wie bestimmen, wie schnell sie sich schnell sie sich
bewegen.
bewegen.
Der BIG BANG
Der Der BIG BANG BIG BANG
Der BIG BANG
Edwin Hubble zeigte, dass fernere Galaxien sich
schneller bewegen.
Das ist genau das, was man erwartet, wenn das
Universum sich ausdehnt.
Das Alter des Universums kann durch die Beziehung zwischen Geschwindigkeit
(Vr) und Distanz (d) berechnet werden.
Der BIG BANG
Vr = Hd
H ist bekannt als die Hubble Konstante.
Das Alter des Universums ≈ 1012 / H (Jahre) ≈ 15 x 109 Jahre
10-5 Sekunden:
Hochenergie Photonen (Gammastrahlen) Temperatur > 1012 K
Dichte: > 5 × 1013 Gramm pro cm3
Die ersten 30 Minuten des Universums
Die ersten 30 Minuten des Universums
10-4 bis 4 Sekunden:
Protonen und Neutronen werden gebildet
Temperatur ~ 1012 K
Dichte: > 5 × 1013 Gramm pro cm3
Die ersten 30 Minuten des Universums
Bis 30 Minuten:
Nukleare Fusion von Protonen und Neutronen, die Wasserstoff (1H) und Helium (4He)
produzieren
Protonen sind Wasserstoffkerne.
Wasserstoff (1H) wird durch einen Prozess zu Helium (4He) umgewandelt, der Fusion genannt wird.
( wie er in unserer Sonne stattfindet)
Die Fusionsreaktionen sind wie folgt:
1H + 1H Æ 2D
2D + 1H Æ 3He
3He + 3He Æ 4He + 2 1H
Daher sind die Produkte des Big Bang 1H und 4He.
Dreissig Minuten nach dem Big Bang würde das Universum genügend abgekühlt sein, dass diese Fusionsreaktionen nicht mehr stattfinden könnten.
Erinnerung: die Erde besteht hauptsächlich aus 4 Isotopen:
16O, 24Mg, 28Si und 56Fe. Wie sind diese entstanden?
O 30%
Mg 14%
Si15%
S3%
Fe32%
Ni2%
others 4%
Und das Zeugs in der Erde?
Unsere Sonne ist ein normal grosser Stern.
Sie wandelt lediglich Wasserstoff
durch
nukleare
Fusion zu
Helium um.
others
< 2%
He 27%
H 71%
Schwerere Elemente sind unbedeutend in der Sonne.
Sonnen-Torte
Elemente die schwerer als Wasserstoff und Helium sind, werden in anderen Sternen gebildet.
Elemente die schwerer als
Wasserstoff und Helium sind, werden
in anderen Sternen gebildet.
Wasserstoff und Helium dominieren in der Sonne Alle stabilen Elemente sind vorhanden
Die Häufigkeiten variieren über 11 Grössenordnungen
Die Häufigkeiten nehmen mit zunehmender Masse ab
Elemente mit geraden Massen sind gewöhnlich häufiger
Lithium, Beryllium und Bor sind verarmt
Eisen ist angereichert
Die Proportionen der
verschiedenen Elemente in der Sonne kann man am besten zeigen, indem man eine
logarithmische Skala verwendet und alles relativ zu einer Million (106) Silizium (Si) plottet
Elemente
leichter als
Eisen
werden
durch
nukleare
Fusion in
Sternen
gebildet, die
grösser als
die Sonne
sind
.Elemente schwerer als Eisen werden in ROTEN RIESEN und
SUPERNOVAE
gebildet.
Es gibt deutliche Peaks bei 12C, 16O,
20Ne, 24Mg, 28Si, 32S, 36Ar und 40Ca Elemente leichter als Fe können durch Fusion gebildet werden.
Elemente schwerer als Fe können durch Neutroneneinfang gebildet werden.
Diese haben eine gerade Anzahl an Protonen und Neutronen und sind sehr stabil.
Sie werden durch Addition von 4He Kernen (α -Teilchen) gebildet.
nuclear fusion neutron capture α particle
nuclides
Iron peak
Die Summe der
Anzahl der Neutronen und der Anzahl der Protonen =
der Anzahl der Teilchen des Hauptisotopes des Elements.
Es gibt einen Peak bei 56Fe, da 56Fe die höchste Bindungsenergie pro
Nukleon hat und es daher sehr stabil ist.
nuclear fusion neutron capture α particle
nuclides
Iron peak
Es gibt starke Spitzen bei 12C, 16O,
20Ne, 24Mg, 28Si, 32S, 36Ar und 40Ca.
Es gibt eine Spitze bei 56Fe, da 56Fe die höchste Bindungsenergie pro
Nukleon hat und es daher sehr stabil ist.
Elemente leichter als Fe können durch Fusion gebildet werden.
Elemente schwerer als Fe können durch Neutroneneinfang gebildet werden.
Diese haben eine gerade Anzahl an Protonen und Neutronen und sind sehr stabil.
Sie werden durch Addition von 4He Kernen (α -Teilchen) gebildet.
Die Summe der
Anzahl der Neutronen und der Anzahl der Protonen =
der Anzahl der Teilchen des Hauptisotopes des Elements.
Jedes dieser Elemente hat ein dominierendes Isotop.
Deshalb besteht die Erde hauptsächlich aus nur vier Isotopen:
16O, 24Mg, 28Si und 56Fe !
Die Erde ist hauptsächlich (>90%) aufgebaut aus:
Sauerstoff (O), Magnesium (Mg), Silizium (Si) und Eisen (Fe)
O 30%
Mg 14%
Si 15%
S 3%
Fe 32%
Ni2%
andere 4%
“ Erd-Torte ”
• Wasserstoff und Helium wurden in den ersten 30 Minuten gebildet
• Die Häufigkeiten in der Sonne variieren über 11 Grössenordnungen
• Die Häufigkeiten nehmen mit zunehmender Masse ab
• Elemente mit geraden Massen sind häufiger als Elemente mit ungeraden Massen
• Eisen ist angereichert, weil die Bindungsenergie ein Maximum hat
• Die Erde besteht aus >90% Sauerstoff, Eisen, Magnesium und Silizium
• Wasserstoff und Helium dominieren das Universum und die Sterne (inkl. unsere Sonne)
• Edwin Hubble zeigte, dass das Universum expandiert Æ Big Bang
• Alle Elemente schwerer als Helium wurden in Sternen gebildet.
• Elemente leichter als Eisen werden durch Kernfusion gebildet.
• Elemente schwerer als Eisen entstehen durch Addition von Neutronen