Alchemie im 21. Jahrhundert

Abb.1: Ein Transmutationskreis von Fullmetal Alchemist: Brotherhood [1]

Menschen, die Anime sehen, können das oben abgebildete Bild als "Transmutationskreis" erkennen, von Fullmetal Alchemist Aber was ist Transmutation und was ist überhaupt "Alchemie"?

Alchemie ist eine Protowissenschaft, eine ältere Form dessen, was wir heute „Chemie“ nennen. Während es auf der ganzen Welt praktiziert wurde, gab es zwei grundlegende Dinge, die Alchemie erreichen wollte:

  1. Umwandlung von unedlen Metallen (wie Eisen) in Edelmetalle (wie Gold). Es wurde als Umwandlung von unedlen Metallen in Edelmetalle bezeichnet.
  2. Ableitung des Lebenselixiers, das dem Nutzer Unsterblichkeit verleiht.

Der heilige Gral der Alchemie war der Stein der Weisen, der jedes Metall in Gold verwandeln und jede Menge des Lebenselixiers herstellen konnte. Hört sich cool an, oder?

Nur hat es nicht funktioniert.

Die Grundidee für die Metalltransmutation lautet:

Alle Materialien bestehen aus den 5 Elementen: Erde, Wasser, Luft, Feuer, Äther. Wenn ein Metall in seine Bestandteile zerlegt werden kann, kann die Rekombination in einem anderen Verhältnis erfolgen, um jedes Metall in Gold umzuwandeln.

Großartige Idee. Heute wissen wir, dass Metalle nicht aus den 5 Elementen, sondern aus Atomen bestehen. Wenn es sich jedoch nur um Atome handelt, sollte eine Metalltransmutation möglich sein, wenn wir ein Stück Metall in seine Bestandteile zerlegen, oder?

Fast. Abgesehen davon haben Atome etwas, das als „Kern“ bezeichnet wird, was sich für verschiedene Elemente grundlegend unterscheidet. Ein Kern besteht im Wesentlichen aus einer Reihe von Neutronen (die keine Ladung haben) und Protonen (die positiv geladen sind). Verschiedene Elemente haben eine unterschiedliche Anzahl von Protonen, obwohl sie möglicherweise dieselbe Anzahl von Neutronen haben.

Können wir also Protonen zu unedlen Metallen hinzufügen oder entfernen und sie in Gold umwandeln?

Wahrscheinlich.

An einem Wintertag im Jahr 1938 strömten Lisa Meitner und ihr Neffe Otto Frisch über die Ergebnisse von Otto Hahn - er hatte Uranatome mit Neutronen beschossen. Hahn und Strassmann hatten das Vorhandensein von Barium als Produkt des Neutronenbeschusses entdeckt, aber diese beiden Herren waren Chemiker - sie verstanden die Physik hinter den Reaktionen nicht ganz. So identifizierten Meitner und Frisch mit George Gamows Liquid Drop Model den Kernspaltungsprozess, bei dem ein schwereres Element beim Bombardieren mit Neutronen in leichtere Elemente zerbricht. Im Wesentlichen können wir Protonen und Neutronen aus dem Kern entfernen, wodurch schwerere Elemente in leichtere Elemente umgewandelt werden [3].

Hans Bethe beschrieb 1939 den Prozess der Elementfusion in Sternen, um leichtere Kerne in schwerere Kerne umzuwandeln - um den Mechanismus der Energieerzeugung in Sternen zu erklären (obwohl Eddington eine viel ältere Version vorgeschlagen hatte). Dies geschah durch seine Theorie des p-p-Zyklus, bei der Wasserstoff - das leichteste Element - in sein Isotop Deuterium und dann in Helium umgewandelt wurde. So können wir leichtere Elemente mit schwereren Elementen verbinden [4].

Dies scheint ein kostenloses Mittagessen zu sein - wir wissen, wie man von leichteren zu schwereren Elementen geht und umgekehrt. Und wie wir wissen, gibt es in der Wissenschaft kein kostenloses Mittagessen. Gibt es irgendwelche Vorbehalte?

Ja. Die Bindungsenergiekurve:

Abb.2: Bindungsenergie pro Nukleon [5].

Die Abbildung oben zeigt eine so genannte Bindungsenergiekurve. Es ist ein Maß dafür, wie stabil ein gegebenes Element ist - je höher die Bindungsenergie pro Nukleon ist, desto stabiler ist ein Element. Das stabilste Element ist somit Eisen - das bedeutet, dass alle Fusions- und Spaltprodukte bei Eisen stehen bleiben und nicht mehr weitergehen.

Gold, von dem wir wissen, hat eine höhere Atommasse als Eisen und liegt daher rechts von der Handlung. Obwohl wir Gold wahrscheinlich in Eisen umwandeln könnten, können wir nicht andersherum gehen. Es scheint, als würde die Natur uns doch dazu bringen, kein Metall in Gold umzuwandeln!

Oder ist es? Wie entstand das Gold (das die Leute gerade verwenden)? Heck, wie hat sich das instabile Uran überhaupt gebildet?

Es ist so, dass dies eine sehr tiefe Frage ist. Um zu antworten, brauchen wir einen kurzen Abstecher in die Kosmologie.

George Gamow, ein berühmter russischer Physiker, beauftragte seinen Doktoranden Ralph Alpher damit, an den Elementen zu denken, die sich im Urknall gebildet haben könnten Welt glaubte dann an die Theorie des stationären Staates). Da das Universum bei Big Bang eine Partikelsuppe war, gab es an sich keine Elemente - nur eine Suppe aus Protonen und Neutronen. Alpher stellte fest, dass die Elemente geformt werden können, und dies wurde später so verfeinert, dass Elemente nur bis zur Bildung von Lithium gezeigt wurden - wiederum aufgrund von Stabilitätsproblemen [6]. So hatten wir ursprünglich nur leichte Elemente in unserem Universum - was das Rätsel weiter verstärkt: Wie in aller Welt haben sich Gold und Uran überhaupt gebildet?

Im Jahr 1957 berichteten Margaret und G.R. Burbridge, William Fowler und Fred Hoyle beschworen etwas, das als "r-Neutroneneinfang" bezeichnet wird. Abgesehen davon ist der Prozess sozusagen einfach: In einer Neutronen-reichen Umgebung fangen Kerne wie Eisen schnell Neutronen und wachsen zu schwereren Kernen, wodurch Elemente in der Lanthanid- und der Actinid-Reihe gebildet werden. Es gibt eine langsamere Version des Prozesses, den sogenannten "s-Prozess", der nur bis zu den Actinides fortschreitet [7]. Dies sind technisch keine Fusionsreaktionen und werden daher durch die Bindungsenergie in Abbildung 2 nicht eingeschränkt.

Die Erfassungsprozesse können im Kern eines kollabierenden Sterns stattfinden, der sich einer Supernova unterzieht. Manchmal kann die expandierende „Blase“ der Supernova aufgrund ihrer großen Geschwindigkeit einen „Schock“ erzeugen und eine Fusion durchführen, um Elemente zu erzeugen. Aber sind diese Ereignisse genug, um das Gold zu erzeugen, das wir heute um uns herum sehen?

Anscheinend gibt es bessere Methoden!

Wir wissen das. Wir haben diese Simulationen inzwischen so viel über das Internet gesehen, dass wir alle hier Sesselexperten für Gravitationswellenbeobachtung sein könnten (ohne dabei die immense Komplikation, die mit diesen Beobachtungen verbunden ist, unbedingt zu unterschätzen!).

Anhand von Daten des Beobachtungslaufs vom August 2017 untersuchten die Forscher von LIGO die Fusion zweier Neutronensterne (eine kurze Übersicht über den Kollaps finden Sie hier), sowohl in den emittierten Gravitationswellen als auch in der emittierten elektromagnetischen Strahlung - von der Gamma- bis zur Radiowellenlänge . Dort fanden die Forscher Hinweise auf die Bildung von Gold und Platin - nicht wenige Gramm, sondern etwa 3 bis 13 Golderden [8]. Das ist viel Gold!

Wie entsteht bei diesen Fusionen Gold? Offenbar folgt es dem in der Supernova formulierten „R-Prozess“ und erzeugt aufgrund der dichten Struktur der Neutronensterne genug Material! So führt die Natur Alchemie durch!

Bei diesen Entdeckungen ist das Periodensystem daher zu aktualisieren:

Abb.4: Wie jedes Element im Periodensystem gebildet wurde. Elemente nach Uran kommen nicht natürlich vor und werden im Labor erzeugt. Grafik von Jennifer Johnson [9].

Die Menschen kämpfen seit Jahrhunderten darum, unedle Metalle in Gold umzuwandeln - auf dem Weg zur Formulierung des gesamten Zweiges der Chemie. Einige große Namen wurden schon immer mit Alchemie in Verbindung gebracht - Isaac Newton (yep, der Schwerkraft-Typ - unter anderem), Robert Boyle (Boyles Gesetz, irgendjemand?), Usw. Aber hier sehen wir, wie schön die Natur Schwermetalle herstellt und Transmutationen herstellt Wasserstoff zu Eisen, Gold und bis hin zu Uran. Die Prozesse, die diese Elemente erzeugen, sind einige der gewalttätigsten Prozesse, die in unserem Universum vorkommen - denken Sie daran, wenn Sie das nächste Mal Gold tragen!

Aber können wir als Zivilisation diese Alchemie nach Lust und Laune ausbeuten? Nicht wir - zumindest nicht jetzt. Aber es könnte eine fortgeschrittene Zivilisation geben, die zwei Neutronensterne zusammenbringen und sie zu Gold zusammenschließen lässt - wahrscheinlich wäre es dieselbe Art von Zivilisation, die Cooper und die gesamte Menschheit in Interstellar rettet!

Beim Erstellen von Gold haben wir das Elixier der Unsterblichkeit und den Stein der Weisen völlig vergessen. Sag dir was, Leute sind nicht unsterblich - Ideen sind. Das ist im Wesentlichen das Elixier der Unsterblichkeit.

Und was den Stein der Weisen betrifft, existiert es einfach nicht. Noch.

Für Menschen, die mehr wissen möchten und durstig nach schmutzigen technischen Details sind, geben Sie bitte die untenstehenden Referenzen an!

Verweise

  1. Bild von: https://i.stack.imgur.com/dmAaD.jpg
  2. Alchemie: https://www.wikiwand.com/de/Alchemie
  3. https://www.aps.org/publications/apsnews/200712/physicshistory.cfm
  4. https://www.iter.org/mag/3/29
  5. https://www.mwit.ac.th/~physicslab/hbase/nucene/nucbin.html
  6. https://www.aps.org/publications/apsnews/200804/physicshistory.cfm
  7. https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/PT.3.3815
  8. https://www.sciencemag.org/news/2018/03/neutron-star-mergers-may-create-much-universe-s-gold
  9. http://blog.sdss.org/2017/01/09/origin-of-the-elements-in-the-solar-system/

Technische referenzen:

  1. Supernova-Nukleosynthese: http://www.int.washington.edu/PHYS554/2011/chapter7_11.pdf
  2. R-Prozess in der Nukleosynthese: http://jhguth1942.tripod.com/cosmofluorescence/id2.html
  3. Das Originalpapier von Burbridges, Fowler und Hoyle: Synthese der Elemente in Sternen: E. Margaret Burbidge, G.R. Mod. Phys. 29, 547 - Veröffentlicht am 1. Oktober 1957.
  4. NS-NS-Fusionsereignis: Vereinfachter Artikel - http://news.mit.edu/2017/ligo-virgo-first-detection-gravitational-waves-colliding-neutron-stars-1016
  5. NS-NS-Prozesspapier: Benoit Côté et al., 2018 855 99, Doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aaad67
  6. Funkbeobachtung des Zusammenschlussereignisses: Ein Gegenstück zu einem Zusammenschluss von Neutronensternen durch Hallinan.G et.al, Science 22 Dez 2017: 1579–1583.