(Fortsetzung)
Zu den oben im Zusammenhang mit Julius Robert Mayer genannten Energiesorten kommen dann noch die Erkenntnisse der modernen Physik hinzu. Und das fing an im Jahre 1900 mit Max Plancks Wirkungsquantum h, der Geburtsstunde der Quantenphysik.
Wilhelm Röntgen hatte 1895 das Lichtspektrum mit seiner Röntgenstrahlung erweitert. Dann postulierten Antoon Lorentz und Henri Poincaré, daß elektromagnetische Energie einer elektromagnetischen Masse, oder auch "scheinbarer" Masse entspricht und führten die Formel m=E/c2 in die Physik ein.
Daß Licht (elektromagnetische Strahlung) Energie überträgt war schon klar und es war Albert Einstein, der endgültig feststellte, daß die übertragene Energie von der Lichtfrequenz abhängig war (Energie gleich Wirkungsquantum mal Frequenz oder E=h f) und daß jegliche träge Masse einem Vorrat von Energie entspricht, also E=mc².
Das war 1905. Daß die Sonne sehr heiß ist und Energie auf die Erde überträgt, war auch klar. Wie sie aber ihre Energie "produziert", war doch alles andere als klar.
Daß das Innere unserer Erde sehr heiß ist, hatte man ja seit Urzeiten praktische Erfahrung von. Heute weiß man, daß vielleicht 99% der Erdmasse heißer als 1000°C ist.
(Nebenbei: das erste Erdwärmekraftwerk baute ein Italiener 1913, um Strom zu erzeugen.)
Und eigentlich müßte sich die Erde ja langsam abkühlen, tut sie aber nicht. Jetzt entdeckte man mehr und mehr radioaktive Elemente und 1903 führte Ernest Rutherford die drei Begriffe Alpha-, Beta- und Gammastrahlung in die Physik ein und stellte die Vermutung an, daß Erdwärme durch radioaktiven Zerfall generiert wird. Er sah, daß die Gammastrahlung sich nicht durch Magnetfelder beeinflussen ließ und vermutete, daß das eine Art elektromagnetische Strahlung war, was er erst 1914 beweisen konnte.
Vom Atomkern hatte man keine Ahnung, von Elektronen aber doch. Die mußten in den Atomen gebunden sein und wurden 1897 als Träger der elektrischen Ladung identifiziert. 1909 stellte dann Rutherford ein Atommodell vor, in dem ein winziger Kern beinahe die gesamte Masse beinhaltete und die gleiche entgegengesetzte Ladung hatte wie die Elektronenhülle. Das waren die Voraussetzungen für das Wasserstoffatommodell von Nils Bohr, das die Energiestufen in der Elektronenhülle beschrieb.
Noch heute gelten drei Grundvoraussetzungen für das bohrsche Atommodell:
1. die Elektronen halten sich nur in bestimmten Schalen um den Atomkern herum auf,
2. sie können nur ganz bestimmte Energiewerte entsprechend ihrem Aufenthaltsbereich annehmen und
3. Energieaustausch ist nur möglich, indem ein Elektron sein Energieniveau (Aufenthaltsbereich) ändert.
Darauf aufbauend führte Rutherford 1917/18 für die kommende Atomphysik entscheidende Experimente durch und merkwürdigerweise waren das auch die ersten Kernfusionen von Menschenhand erzeugt lange vor der Kernspaltung. Eine Kernreaktion geschieht, wenn Teilchen auf Atomkerne oder Atomkerne auf Atomkerne stoßen und sich dabei deren Zustand oder Zusammensetzung ändert.
Er experimentierte mit Alphateilchen. Bohrs Wasserstoffatom hatte Masse1. Man wußte auch, daß es Atome mit Masse2 gab, und daß ein Alphateilchen ein Heliumatom mit der Masse4 war. Aus der Chemie war schon eine ganze Menge von den Elementen, dem Periodensystem und Atomen bekannt. Seine Versuche resultierten in sehr schnelle Atome. Er stellte fest, daß dies nur bei Beschuß mit Helium4 4He auf Stickstoff 14N geschah und daß die schnellen Atome keine Stickstoffatome sein konnten. Es mußten Wasserstoffatome 1H oder Atome mit der Masse2 sein.
Er schreibt: "Aus den bisher erhaltenen Ergebnissen ist es schwierig, die Schlussfolgerung zu vermeiden, dass die langreichweitigen Atome, die sich aus der Kollision von Alphapartikeln mit Stickstoff ergeben, keine Stickstoffatome, sondern wahrscheinlich Wasserstoffatome oder Atome der Masse2 sind."
Und weiter: "Wenn dies der Fall ist, müssen wir schließen, dass das Stickstoffatom unter den intensiven Kräften, die bei einer engen Kollision mit einem schnellen Alphateilchen entstehen, zerfällt und daß das freigesetzte Wasserstoffatom einen Bestandteil des Stickstoffkerns bildet."
Näher der "Kernfusion" kam er nicht. Was da geschah war, daß Stickstoff und Helium4 zu Sauerstoff fusioniert nach der heutigen Schreibweise:
14N + 4He = 17O + 1H - 1,2MeV und
Energie wird dabei nicht frei, was man an den -1,2MeV ablesen kann, sondern die müssen bei dem Prozess hineingesteckt werden.
Mit der alten Physik ließ sich sowas überhaupt nicht mehr erklären, doch die Quantenphysik etablierte sich mehr und mehr und 1926/1927 kam die Erklärung durch Friedrich Hund mit seinem später so genannten Tunneleffekt, dessen Entdeckung oft George Gamow zugeschrieben wird.
Rutherfords Rapport kann man nachlesen in:
"Collisions of Alphaparticles with Light Atoms. IV. An Anomalous Effect in Nitrogen"
By Professor Sir E. Rutherford: (Rutherford Rapport)
Dieser Rapport ist ein Paradebeispiel für den Werdegang, Schritt für Schritt, in der Atomphysik, denn Rutherfords nächste Schlußfolgerung war, daß der Kern von 1H ein Baustein aller Atome ist und gab ihm den Namen Proton (altgriechisch: das Erste). Fast gleichzeitig postulierte er wegen dem Atom mit der Masse2, daß es noch einen zweiten Baustein im Atomkern geben muß, der ungefähr so schwer wie das Proton ist, aber elektrisch neutral. Und weil das Atom mit der Masse2 nur ein Elektron hatte, sowas konnte man damals feststellen, wäre das auch ein Wasserstoffatom, aber jetzt 2H.
1920 sprach dann der Physiker Arthur Eddington, der 1919 den ersten Beweis für Einsteins ART geliefert hatte, erstmalig von Fusion als einer Möglichkeit, sich die Energieproduktion in Sternen zu erklären. Man wußte ja, daß die Sonne zu ihrem Hauptteil aus Wasserstoff bestand, und deshalb kam die Fusion Wasserstoff zu Helium in Betracht.
So entwickelte sich die Atomphysik, man fing an, Atome mit mehreren Elektronen zu verstehen, und 1932 konnte der zweite Baustein im Atomkern experimentell nachgewiesen werden und erhielt 1933 den Namen Neutron.
Die weitere Entwicklung mit Kernspaltung und Kernfusion gehört dann beinahe schon zur Neugeschichte. 1952 wurde mit der Explosion einer Wasserstoffbombe erstmalig Sonnenenergie auf der Erde "produziert" und gemeint mit "Sonnenenergie" sind natürlich die Kernprozesse im Inneren der Sonne. Diese wurden 1939 von Hans Bethe beschrieben.
Ansonsten verstehen wir unter Sonnenenergie meistens das, was hier auf Erden in Form von elektromagnetischer Strahlung ankommt. Und das ist enorm. Diese Strahlung besteht hauptsächlich aus sichtbarem Licht und Wärmestrahlung ausgesendet von der mehreren hundert Kilometer dicken Photosphäre der Sonne. Wir messen sie zu durchschnittlich 1,367 kW/m² , was man auch die Solarkonstante nennt. Das muß man sich mal vorstellen: eine Kugel mit 300 Millionen km Durchmesser um die Sonne herum empfängt auf jedem Quadratmeter mindestens 1,367 kW Strahlungsenergie von ihr. Auf dem Erdboden kommt aber deutlich weniger an, vielleicht 600-900 W/m².
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