#002 - Was sind Elemente?

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Bevor wir mit dem zweiten Teil beginnen, ein kleiner Hinweis. Es wird immer wieder passieren, dass ich vorgreifen muss. Ich werde Begriffe erwähnen, dessen genaue Erklärung in einem späteren Teil folgt. Wenn manche Bezeichnungen nicht klar sind, einfach weiter schauen. Der Erfahrung nach erschließt sich mit der Zeit der ganze Zusammenhang. Irgendwann macht es „Klick“ und man hat es verstanden.

Nun zum eigentlichen Thema. Was sind Elemente? Woher kommen sie? Warum gibt es sie?

In meinen ersten Chemiestunden, die ich in etwa so hasste wie Lebertran, beschäftigte mich genau diese Frage. Im Chemieraum hing ein riesiges Periodensystem und er Lehrer erklärte, was die einzelnen Elemente tun und wie sie miteinander reagieren. Was aber ist der Unterschied zwischen Wasserstoff und Nickel? Woher kommen die Elemente? Das alles wollte uns der Dozent nicht erklären, weshalb für die meisten Schüler die Chemiestunde wie eine Fremdsprache wirkte. Im Prinzip hätte der Lehrer auch Mandarin sprechen können, das Resultat wäre das Gleiche geworden.

Das Wort „Element“ bezeichnet in den meisten Fällen einen Grundstoff oder einen Grundbestandteil. Die Vier-Elemente-Lehre der Antike, also Feuer, Wasser, Luft und Erde, wird den meisten Zuschauern bekannt sein. Im fernen Osten hat sich zu dieser Zeit, teilweise schon vorher, also etwa 1500 vor Christus, die Fünf-Elemente-Lehre etabliert. Gemeint sind damit vorwiegend Holz, Feuer, Metall, Wasser und Erde. Im Buddhismus kennt man die Elemente Erde, Wasser, Feuer, Luft und Leere.

Wenn wir heute von Elementen reden, meinen wir chemische Elemente. Ein chemisches Element ist ein Reinstoff, der chemisch nicht weiter zerteilt werden kann. Wir befinden uns also in der Welt der Atome. Das Wort „Atom“ kommt vom griechischen „átomos“ und bedeutet „Unteilbar“. Es entsprang der Vorstellung, dass wir alle Dinge teilen können, bis am Ende etwas unteilbares übrig bleibt. Das Wort „Element“ wiederum kommt vom lateinischen „elementum“.

Als die Atome „entdeckt“ wurden, dachte man, dies gefunden zu haben. Mittlerweile wissen wir, dass Atome physikalisch weiter teilbar sind. Deshalb gilt die Unteilbarkeit lediglich für den Bereich Chemie. Die Elementarteilchen, das sind die Bestandteile der Atome, sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Materie wiederum ist alles, woraus physikalische Körper aufgebaut sein können.

Derzeit sind 118 Elemente bekannt, von denen 94 auf der Erde natürlich vorkommen. Beispielsweise Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff oder Gold.

Nach allem, was Menschen heute wissen oder zu wissen glauben, begann alles mit dem Urknall. Die Zeit und der Raum entstanden in diesem winzigen Augenblick, die erste Materie, in Form von Elementen, entstand kurz darauf. Der Urknall bezeichnet keine „Explosion“ in einem bestehenden Raum. Er beschreibt die gemeinsame Entstehung von Materie, Raum und Zeit. Davor gab es keinen Raum, keine Materie und keine Zeit sondern nur eine Singularität. Das ist ein Zustand, bei dem die betrachteten Massen und die Raumzeit in einem einzigen Punkt oder in einem nicht näher bekannten physikalischen Zustand sehr geringer Ausdehnung, aber extrem hoher Dichte zusammenfallen. Alles, was wir im Universum kennen, war auf einem winzigen Punkt zusammen gepresst.

Das Universum war am Anfang unglaublich dicht und heiß. Damals waren alle vier bekannten Grundkräfte der Natur, die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung und die Gravitation in einer einzigen Urkraft vereint. Mit dem Beginn der Expansion spaltete sich die Gravitation als eigenständige Kraft ab. Die anderen Kräfte spalteten sich mit wachsender Ausdehnung ebenfalls nach und nach ab. Aus einer symmetrischen Singularität entwickelte sich ein asymmetrisches Universum. Dies alles geschah vor etwa 13,81 Milliarden Jahren.

Die Zahlen, die ich erwähne und zeige, können, je nach Quelle, schwanken. Beispielsweise wird der Zeitpunkt des Urknalls manchmal mit 13,82 oder 13,79 Milliarden Jahren angegeben. Das Probleme ist, dass von uns damals niemand dabei war und diese Zahlen anhand neuster Erkenntnisse immer wieder neu berechnet werden.

Bereits nach 10 Sekunden, bei Temperaturen unterhalb von 10^9 K, vereinigten sich Protonen und Neutronen durch Kernfusion zu ersten Atomkernen (Nukleosynthese). Dabei bildeten sich 25% Helium sowie Spuren von Lithium und Beryllium. Die restlichen 75% stellten Protonen, die späteren Wasserstoffatomkerne. Die ersten Elemente waren entstanden.

Durch die rasche Expansion hatte schon nach 5 Minuten die Dichte der Materie soweit abgenommen, dass die Entstehung von Atomkernen zum Erliegen kam. Die übriggebliebenen freien Neutronen waren nicht stabil und zerfielen im Verlauf der nächsten Minuten in Protonen und Elektronen. Die Temperatur war immer noch so hoch, dass die Materie als Plasma vorlag, einem Gemisch aus freien Atomkernen, Protonen und Elektronen.

Der Raum dehnte sich immer weiter aus, doch die entstandenen Elemente, überwiegend Wasserstoffatome welche Gaswolken bildeten, ballten sich zu Sternen, Kugelsternhaufen und ganzen Galaxien zusammen. In den Sternen entstanden nun durch Kernfusion alle schwereren Elemente bis zum Eisen. Die Kernfusion ist eine Kernreaktion, bei der zwei Atomkerne zu einem neuen Kern „verschmelzen“. Die Kernfusion ist die natürliche Energiequelle von Sternen, so wie auch bei unserer Sonne. In der ersten Stufe wird Wasserstoff zu Helium umgewandelt. Ist der Wasserstoff verbraucht und die Masse des Sterns ausreichend, wird Helium zu Lithium, Lithium zu Beryllium usw. bis zum Eisen oder bis die Masse des Sterns nicht mehr für eine weitere Kernfusion ausreicht.

Die ersten schwereren Sterne explodierten bereits nach wenigen Millionen Jahren als Supernova. Während der Explosion wurden durch Neutroneneinfang Elemente schwerer als Eisen gebildet und gelangten in den interstellaren Raum. So entstanden alle natürlichen Elemente welche die Grundlage für unsere Existenz bilden. Es ist also nicht nur poetisch gemeint, wenn man sagt, dass wir alle durch Sterne entstanden sind.

Nun wissen Sie, woher unsere Elemente stammen. Im nächsten Teil klären wir die grundsätzliche Frage, was chemische Reaktionen sind.

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