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Goldsynthese

Goldsynthese

Unter Goldsynthese versteht man den uralten Traum der Alchemisten, die Erzeugung von Gold. Die Goldsynthese ist mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern oder Kernreaktoren möglich, aber in der Praxis viel zu aufwändig. Da es nur ein stabiles Goldisotop, Au 197, gibt, müssen Kernreaktionen zur Goldsynthese dieses liefern. Künstlich erzeugtes nicht radioaktives Gold kann daher nicht von natürlich gewonnenem Gold unterschieden werden.

Goldsynthese im Teilchenbeschleuniger

Eine Goldsynthese im Teilchenbeschleuniger ist auf vielen Wegen möglich. Da Teilchenbeschleuniger viel Energie verbrauchen und die Ausbeute gering ist, ist der Einsatz von Teilchenbeschleunigern hierfür generell ungeeignet.

Goldsynthese im Reaktor

In einem Kernreaktor kann durch Bestrahlung von Platin oder Quecksilber Gold hergestellt werden. Da Platin teurer als Gold ist, ist Platin als Ausgangsmaterial ungeeignet. Vom Quecksilber kann nur das Isotop Hg196, welches im natürlichen Quecksilber mit einem Gehalt von 0,15 % enthalten ist, durch Neutroneneinfang und anschließenden K+-Zerfall in stabiles Gold mit langsamen Neutronen umgewandelt werden. Die anderen Quecksilberisotope wandeln sich bei Bestrahlung mit langsamen Neutronen ineinander um oder bilden Quecksilberisotope, die durch Beta-Zerfall sich in Thallium umwandeln. Mit schnellen Neutronen kann das Quecksilberisotop 198, welches im natürlichen Quecksilber zu 9,97 % enthalten ist, durch Abspaltung eines Neutrons in das Quecksilberisotop 197 umgewandelt werden, welches dann zu Gold zerfällt. Allerdings besitzt diese Reaktion einen geringeren Wirkungsquerschnitt und ist nur mit unmoderierten Reaktoren durchführbar. Denkbar ist auch, mit sehr energiereichen Neutronen aus den anderen Quecksilberisotopen mehrere Neutronen herauszuschlagen, um so Quecksilber 197 zu erhalten. Allerdings können so energiereiche Neutronen nur mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Die Goldsynthese hat wegen ihrer geringen Effizienz keine technische Bedeutung, obwohl in den 50er Jahren zu Demonstrationszwecken in den USA durch Bestrahlung von Quecksilber im Atomreaktor nach oben erzeugten Reaktionen eine kleine Menge Gold erzeugt worden sein soll. Über die Möglichkeit der Synthese anderer Edelmetalle, Edelmetallsynthese.

Goldsynthese durch den Stein der Weisen

Alchimisten haben sich früher, um das siebzehnte Jahrhundert herum, der Transmutation der Elemente verschrieben und suchten den „lapis mineralibus“, den Stein der Weisen. Obwohl es sich dabei nicht wirklich im einen magischen Stein handelt, wie der Name suggeriert, sondern vielmehr um eine rote Substanz, die der Alchimist auch sympathetisches Pulver oder das Pulver der Projektion nannte. Kategorie:Kernphysik Kategorie:Gold

Traum

Der Traum ist eine Art von meist unbewusster geistiger Tätigkeit, deren biologischer Sinn noch nicht voll verstanden wurde. Sowohl Menschen als auch höhere Tiere träumen. Ohne Träume scheint die psychische und körperliche Gesundheit zu leiden. Man nimmt an, dass das Träumen eine Funktion des Gedächtnisses ist. Die meisten Träume bleiben unbewusst. Beim Aufwachen kann jedoch der letzte Trauminhalt ins Bewusstsein dringen. Der Traum wird meistens während des Schlafes erlebt, manchmal auch im Wachzustand als Wachtraum bzw. Tagtraum. In einer überwiegenden Zahl der Fälle ist der Träumer nicht in der Lage, zwischen Traum und Realität zu unterscheiden. Er akzeptiert den Traum als Realität, gleich wie absurd sich die einzelnen Traumelemente darstellen. Es ist jedoch möglich, sich während des Traumes bewusst zu werden, dass es sich um einen Traum handelt; dieser Zustand wird Klartraum oder auch "luzider Traum" genannt. Der Traum setzt sich über Grenzen von Zeit, Ort und Naturgesetzen hinweg; er ermöglicht die Begegnung mit Verstorbenen, Welt- und Zeitreisen, verleiht Tieren Sprache und dem Träumenden besondere Kräfte. Dabei findet der Traum nach Ansicht der meisten Menschen ausschließlich im Geiste des Träumers statt. Einige Menschen gehen allerdings davon aus, dass Träume eine eigene Realität besitzen. Kleine Kinder träumen meist von Spielen oder Tieren und sind dabei sehr aktiv. Bei Mädchen sind Kontaktaufnahme und "Happy End" häufiger als bei Jungen, die eher von unangenehmen, konflikthaften Themen träumen. Bei Heranwachsenden nehmen bizarre Züge in den Träumen zu. Während des Einschlafens verliert man zunächst die Kontrolle über den Gedankenablauf, dann entschwindet die Raum-Zeit-Orientierung, schließlich treten Traumbilder auf, die normalerweise als wirkliches Geschehen empfunden werden. Träume kommen in allen Phasen des Schlafes vor (Einschlafen, Aufwachen, REM-Schlaf und Non REM-Schlaf). Allerdings berichten Probanden am häufigsten von lebhaften Träumen wenn sie direkt aus dem REM-Schlaf geweckt werden. Erwacht man allerdings aus dem Tiefschlaf, mangelt es an Orientierung und am Erinnerungsvermögen. Die Erinnerung an die Traumgeschehnisse verblasst nach dem Erwachen üblicherweise binnen etwa 5-10 Minuten, sofern sie nicht durch eine Aufzeichnung festgehalten wird.

Albtraum

Tiefschlaf sieht im Traum den toten Siegfried, um 1805]] Der Albtraum spielt sich normalerweise in der zweiten Nachthälfte während der REM-Phasen ab und endet meist mit einem Aufschrecken. Man erinnert sich an ihn, ist sich aber sofort bewusst, dass es ein Traum war. Die Erinnerung an den Albtraum verschwindet. Erwacht man aus dem REM-Schlaf, ist man sofort präsent. Eine ebenfalls mögliche unangenehme Erfahrung ist hierbei auch, wenn man aus einem Albtraum aufwacht und sich nicht bewegen kann - man ist paralysiert. Etwas anderes ist der Pavor nocturnus (lateinisch die Nachtangst, der Nachtschreck), gekennzeichnet durch heftige Angstzustände, die, besonders bei Kindern, im ersten Drittel der Nacht in den Tiefschlafphasen auftreten, ohne dass sie sich an den Trauminhalt erinnern könnten. Sie äußern sich durch Schreien im Schlaf, verstörtes Erwachen, starkes Erregtsein sowie schnelles Atmen und gehen zuweilen mit Einnässen, Umherlaufen und Desorientiertheit einher. Eine EEG-Kontrolle zum Ausschluss einer latenten Epilepsie ist erforderlich, zumeist handelt es sich jedoch nach psychoanalytischer Deutung um Reaktionen ängstlicher Kinder auf aktuelle Konflikte oder aufregende Erlebnisse, nach schulmedizinischer Auffassung um eine Reifungsstörung des Systems der Regulierung der Schlafphasen. Bei einigen Patienten entwickeln sich aus Pavor nocturus-Anfällen später Angstneurosen oder ausgeprägte Phobien. In diesen Fällen ist eine Psychotherapie erforderlich. Der sogenannte Nachtschreck tritt bei 5% aller Kinder zwischen dem ersten und cirka siebten Lebensjahr auf. Zu erkennen ist er daran,dass das Kind während der ersten ein bis drei Stunden nach dem Einschlafen schreiend erwacht. Es wirkt ängstlich und erschreckt, schwitzt manchmal, stammelt vielleicht unverständliche Worte und schlägt und tritt eventuell um sich. Das Kind ist dabei nicht wach, lässt sich nicht beruhigen, oft auch nicht anfassen, und nach einigen, selten mehr als 30 Minuten, geht der Nachtschreck genauso plötzlich, wie er gekommen ist. Meist kann man das Kind in dieser Zeit nicht wecken, es kann sich später auch nicht an die Situation erinnern. Am besten ist: Das Kind nicht zu wecken und dafür zu sorgen, dass es sich nicht verletzen kann. Das Kind sollte in dieser Situation, wenn möglich, nicht unbeausfsichtigt sein. Das Auftreten des Nachtschrecks hängt mit der Entwicklung des Gehirns zusammen. In der Regel handelt es sich nicht um eine Gesundheitsstörung. Generalisierbar ist das Phänomen des regelrechten Aufspringens, wenn im Traum ein Sturz vorgestellt wird.

Wachtraum

Auch im Wachzustand ist Träumen möglich, sowohl mit geschlossenen als auch mit offenen Augen, wobei Entspannung den freien Gedankenfluss begünstigt. In einigen Fällen fällt dem Träumenden die Unterscheidung zwischen Wachtraum und Normalschlaf schwer. Absichtlich herbeigeführt ähnelt der Wachtraum einer Meditation und kann auch die erste Phase eines im Wachzustand eingeleiteten Klartraumes sein. Unabsichtliches Auftreten hingegen kann auf Müdigkeit, ein hohes Maß an (ggf. unausgelebter) Phantasie und in Extremfällen auch Realitätsflucht hinweisen.

Wahrtraum

Der Wahrtraum bezeichnet eine Art von Traum, dessen Inhalt „reale“ Ereignisse behandelt und dabei so offensichtlich ist, dass er keiner Traumdeutung bedarf.

Klartraum

Der Klartraum oder luzider Traum ist ein Traum, in dem der Träumer sich bewusst ist, dass er träumt.

Traumyoga

Mit dieser aus dem tibetischen Buddhismus (Vajrayana) und dem Bön stammenden Praxis kann man lernen Bewusstheit während des Träumens aufrecht zu erhalten und Träume gezielt zu lenken. Ein geübter Traumyoga-Praktizierender ist sich also während des Träumens bewusst, dass er träumt (Klartraum oder luzides Träumen) und nimmt auf die Entwicklung seines Traumes Einfluss, indem er Inhalte oder Richtungen des Traumes verändert. Ziel ist wie bei allen buddhistischen Praktiken das Gewahrsam des Geistes zu schärfen und es ins Alltagsbewusstsein einfließen zu lassen. Traumyoga stellt daher eine Ergänzung buddhistischer Meditationspraxis dar, auf einen Lebensbereich bezogen, der üblicherweise in weiten Teilen eher unbewusst und ohne die Möglichkeit zur Steuerung abläuft. Es geht bei Traumyoga also weniger um die Inhalte von Träumen im Sinne von "Traumdeutung", sondern um geistige Klarheit und Schulung des Geistes während des Schlafs.

Träume bei Tieren

Fast alle Säugetiere und Vögel zeigen Phasen von REM-Schlaf und träumen somit höchstwahrscheinlich. Hunde und Katzen bewegen z.B. ihre Pfoten so als würden sie jagen. Dabei verarbeiten sie möglicherweise Erinnerungen des vorangegangenen Tages. Es wurden auch Versuche an Ratten durchgeführt, die zeigen, dass die Gehirnaktivität, die sie bei einer Futtersuche zeigen, in der darauf folgenden Schlafphase ganz ähnlich wiederkehrt. Erstaunlich ist, dass der Ameisenbär das einzige Tier aus der Gruppe der Säugetiere ist, das keinen REM-Schlaf besitzt

Inhalt von Träumen

Klartraum, 1322-1326]] Die Trauminhalte können entweder indirekt oder im Klartraum direkt beeinflusst werden. Trinkt man beispielsweise vor dem Einschlafen sehr viel Flüssigkeit, dann bekommt man schon während der Nacht Harndrang. Das kann zu Träumen mit Verfolgungscharakter führen oder prosaischer zu Träumen von der dringenden Suche nach einer Toilette. Auch abendliche Filme, die einen sehr aufwühlen, können die eigenen Träume indirekt beeinflussen. Auch die letzten Gedanken vor dem Schlafengehen können zu entsprechenden Traumerlebnissen führen. Geht man immer zur selben Zeit ins Bett und steht immer zur selben Zeit auf, dann werden einem die eigenen Träume nur selten bewusst. Steht man zu unregelmäßigen Zeiten auf und schläft ab und zu länger, auch wenn man gar nicht mehr so müde ist, dann werden einem Träume deutlich öfter ins Bewusstsein dringen. Man sagt, dass es nicht möglich ist, sein eigenes Sterben zu träumen - was nicht heißt, dass man nicht Situationen erträumen kann, in denen das eigene Ich schon verstorben ist.

Die Bedeutung des Traumes

Der Traum ist ein biologisch sinnvoller Vorgang, der zur Unterstützung der Funktionalität des Nervensystems wesentlich beiträgt. Eine ebenso große Bedeutung des Traumes erkennt man heute auch für die Aufrechterhaltung der emotionalen Ausgeglichenheit und allgemein der psychischen Gesundheit. In vielen Kulturen nahm man an, dass die Seele im Schlaf den Körper verlässt. Seit der Neuzeit wird der Trauminhalt als Teil der Seele aufgefasst. Das Traumerleben kann für Wachtätigkeiten nützlich sein, daher kommt auch die Volksweisheit: Ein Problem zu "überschlafen". Außerdem eignen sich Träume sehr gut, um über sich selbst, seinen Körper, seine Begierden, seine Gefühle, seine Erinnerungen und sein intuitives Wissen mehr zu erfahren (Traumdeutung). Das Erkennen von Zusammenhängen und wiederkehrenden Traumelementen wird durch die Aufzeichnung in einem Traumtagebuch erleichtert.

Kritik

Die Traumforschung gilt allgemein als Pseudowissenschaft. Die einzigen Hinweise auf Träume scheinen kontrollierte - und nach dem Träumen - nachvollziehbare Augenbewegungen im REM-Schlaf innerhalb eines Klartraums zu sein. Aus den neurophysiologischen Untersuchungen lässt sich weder die Existenz eines besonderen Bewusstseinszustandes, noch die von irgendwelchen „bizarren Bewusstseinsinhalten“ ableiten. Wissenschaftler weisen darauf hin, dass alle Berichte über Träume damit einen rein subjektiven Charakter haben und es keine objektiven Beweise gibt. Alle Versuche so genannte „Trauminhalte“ experimentell zu erzeugen oder zu reproduzieren sind bisher gescheitert. Die verbreitete Annahme, dass auch höhere Tiere träumen, bestätigt zudem die Vermutung, dass im Schlaf lediglich unwillkürliche motorische und biochemische Prozesse ablaufen, die sich durch die Reizreduzierung im Schlafzustand ergeben. Die klinische Psychologie spricht hier von psychopathologischen Zuständen wie die Hypnose oder Halluzinationen.

Siehe auch

- Überdeterminiert
- Sigmund Freud
- Carl Gustav Jung
- Vajrayana

Weblinks

- [http://www.bbpp.de/aufgelesen/freudtraum.htm Traumdeutung]
- [http://dreamunit.net/blog-de/index.php?cat=14 Gedicht: Träume]
- [http://www.traumonline.de Traumonline]
- [http://www.audioreader.de/Intro.swf Vorlesung 'der Traum', E-Learning (audioreader® 2.0), TU-Darmstadt, Institut für Philosophie]
- [http://www.schlaf.de/was_ist_schlaf/1_30_20_traeumen.php Thema Traum / Träumen auf www.schlaf.de]

weiteres

- Traumnovelle, Arthur Schnitzler
- Zettels Traum, Arno Schmidt
- Samsas Traum deutschsprachiges Musikprojekt v. Alexander Kaschte
- Der Traum der roten Kammer v. Hóng Lóu Mèng
- Das Leben ist ein Traum 1636 - Calderon
- Der Traum des Joachim, Gemälde (1303/05)
- Franz Kafka, Ein Landarzt ! ja:夢

Gold

Gold (von indogermanisch ghel: glänzend, (gelb) ) ist ein chemisches Element und ein so genanntes Edelmetall, das chemische Kürzel Au für Gold ist auf die lateinische Bezeichnung Aurum zurückzuführen. Gold besteht aus nur einem stabilen Isotop. Das Schwermetall ist weich wie Zinn und von bemerkenswerter Farbigkeit. Es wird von Säuren im Allgemeinen nicht angegriffen; eine Ausnahme bildet das Säuregemisch „Königswasser“, eine Mischung aus Salzsäure und Salpetersäure. In wässrigen Cyanidlösungen ist Gold leicht unter Aufnahme von Sauerstoff als Komplexverbindung löslich. In sauren hydrothermalen Lösungen ist Gold relativ gut physikalisch löslich. Des Weiteren löst es sich leicht in vielen Metallen zu Legierungen. Einige der ungewöhnlichen Eigenschaften wie die goldgelbe Farbe und hohe Duktilität, lassen sich nach neueren Berechnungen am besten mit dem relativistischen Effekt erklären. Gold wird seit Jahrtausenden für Schmuck und in Form von Goldmünzen als Zahlungsmittel verwendet. Es gehört zu den Münzmetallen.

Goldsynthese

Gold entsteht bei Kernverschmelzungsprozessen in Supernovae. Die seit Mitte des 20. Jahrhunderts von Menschenhand initiierten Kernverschmelzungs- und -spaltungsprozesse bestätigen die Machbarkeit des langgehegten Traumes der Alchimisten. Die Ausführung der Goldsynthese ist jedoch in Anbetracht der Ausbeute und Kosten vollkommen unwirtschaftlich. So bezeichnet die Gewinnung von Gold eigentlich das Konzentrieren der natürlichen Vorkommen.

Gold als Mineral

Gold kommt in der Natur als gediegenes Mineral vor. Es kristallisiert im kubischen Kristallsystem, hat eine Härte von 2,5 bis 3, eine sattgelbe Farbe, die entsprechend als "goldgelb" bekannt ist, und ebensolche Strichfarbe. In feiner Verteilung ist es je nach Korngröße gelblich, ockerbraun bis purpurviolett und wird dann als Goldpurpur bezeichnet. Mit zunehmender Temperatur verliert Feingold an Farbintensität und ist hellgelb glühend, bevor es schmilzt. Das geschmolzene Metall ist zitronengelb, leicht grünlich und erhält seine intensive gelborange Farbe erst wieder, wenn es vollständig abgekühlt ist. Beimengungen von Kupfer lassen es rosa oder rötlich erscheinen, senken die Schmelztemperatur und steigern zugleich Härte, Festigkeit und Polierbarkeit beträchtlich. Steigende Silberanteile verändern die Farbe des reinen Goldes über hellgelb nach hellgrün und schließlich zu weiß; Schmelztemperatur und Härte verändern sich dabei nur sehr wenig. Die meisten Metalle, so auch die bekannten Platinmetalle, Quecksilber und die Eisenmetalle führen als Beimischungen dagegen in steigenden Anteilen zu einer Entfärbung in Form einer eher schmutziggelbgrauen bis grauweißen Legierung. Zugleich tragen sie aber auch zu einer erheblich größeren Härte und Festigkeit bei. Da Gold ein relativ reaktionsträges Element ist, behält es gewöhnlich seinen Glanz und Farbe und ist daher in der Natur leicht zu erkennen. Es wird manchmal mit Quarz vergesellschaftet in Hydrothermaladern gefunden, zuweilen auch zusammen mit Kupfererzen. Verwitterung und Erosion goldhaltiger Gesteine führen oft zur Ablagerung des relativ schweren Metalls am Boden fließender Gewässer. Dies kann zu relativ ausgedehnten Lagerstätten führen, die aus jedem geologischen Zeitalter stammen können. Der Bestandteil an der Erdkruste ist mit etwa 0,01 ppm (entsprechend 0,000001 Prozent) extrem gering. Aufgrund des hohen Preises, der für echtes Gold gezahlt wird, lohnt sich die Ausbeutung jedoch schon bei relativ niedrigem Goldgehalt.

Vorkommen

Die Vorkommen sind über die ganze Welt verstreut; circa 40 Prozent des heute bergmännisch geförderten Golderzes kommen aus den USA, Südafrika und Australien. Bisher wurden etwa 2/3 der bekannten Goldvorräte ausgebeutet. Die jährliche Förderung beträgt heute etwa 2300 Tonnen, etwa hundertmal mehr als im letzten Jahrhundert. Dies ist insbesondere auf die Verbesserung der Fördertechnik zurückzuführen, die wiederum durch die große Nachfrage nach Gold getrieben wurde. Inzwischen lohnt sich der Abbau von Gestein, das nur ein Gramm Gold pro Tonne Gestein enthält. So wurden auch alte Abraumhalden mittels neuer verfeinerter Goldgewinnungsmethoden nochmals ausgebeutet. Bedeutende Goldmengen fallen bei der Raffination anderer Metalle, wie Kupfer, Nickel oder der anderen Edelmetalle an, so dass unter Umständen erst diese "Verunreinigungen" ein Vorkommen interessant machen. In kleinen Mengen kommt Gold auch in Deutschland vor. So kann man zum Beispiel in Theuern im Thüringer Wald noch heute Gold waschen. Auch auf den Geröllbänken des Hoch- und Oberrheines wie beispielsweise bei Istein finden sich geringe Mengen, insbesondere Flitter. Deutschlands größte Goldlagerstätte mit historischem Goldbergwerk befindet sich im nordhessischen Korbach. Des weiteren sind in den Klärschlämmen der Städte bemerkenswerte Goldspuren enthalten, die von der Nutzung, Verarbeitung und Verschleiß von Goldlegierungen, (Abrieb von Zahnfüllungen, Schmuckkettenglieder, Verlust, etc.) stammen. Klärschlämmen In Europa sind die rumänischen Golderzvorkommen heute von wirtschaftlicher Bedeutung. Fast alle europäischen Flüsse führen Spuren von Gold mit sich. Die größte verfügbare Goldreserve ist jedoch das Salzwasser der Ozeane, worin es in geringsten Konzentrationen als Chlorid-Komplex gelöst ist. Dieses gigantische Volumen im Kubikkilometer-Maßstab stellt eine nicht uninteressante Größe dar und übertrifft das bisher bergmännisch geförderte Gold bei weitem. Nach dem ersten Weltkrieg versuchten einige deutsche Forscher, dieses Gold unter anderem durch elektrolytische Verfahren zu gewinnen. Wegen Unwirtschaftlichkeit wurden diese Versuche allerdings eingestellt. Nicht zu vergessen ist eine wichtige Quelle des Edelmetalls die Wiederverwendung aus alten edelmetallhaltigen Materialien, wie Elektronikschrott, Galvanikschlämmen, Pigmenten, Filterstäuben, Schlacken, Dental- und Schmuckverarbeitungsabfälle. Das Angebot an Gold unterliegt starken Schwankungen, zum Beispiel ist die Balance von Angebot und Nachfrage auch durch spekulative Erscheinungen ständig in Bewegung. Auf internationale Entwicklungen zum Beispiel die Öffnung des Ostblocks, kriegerische Spannungen, aktuell die wirtschaftliche Entwicklung Asiens oder Änderung der Währungsparitäten zueinander, reagiert das Goldangebot/Nachfrage-Verhältnis dynamisch, zum Teil mit erheblichen Preisveränderungen.

Verwendung

Asien Gold dient in Form von Goldmünzen und Barrengold als internationales Zahlungsmittel und wird von vielen Zentralbanken der Welt eingelagert, auch wenn heute die Stabilität einer Währung nicht mehr auf der Deckung durch Goldreserven beruht. Eine natürliche Anwendung findet Gold darüberhinaus in der Schmuckindustrie, die es zu Ringen, Ketten, Armbändern und anderem Schmuck verarbeitet. Der Edelmetallgehalt wird durch die Repunze beglaubigt. Wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und ästhetischen Qualitäten wird es in der Zahnheilkunde als Füll- oder Ersatzmaterial für kariöse Zähne eingesetzt. Auch die Elektronikindustrie setzt Gold aufgrund der Zuverlässigkeit der Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und guten Verarbeitbarkeit ein: So werden Verbindungsdrähtchen zwischen Chips und ihren Gehäusebeinchen aus hochraffiniertem Feingold gefertigt, wobei sich beispielsweise ein Gramm des Edelmetalls problemlos zu einem Drähtchen von mehr als drei Kilometer Länge ausziehen lässt. Goldfolie, auch Blattgold genannt, wird seit der Antike verwendet. Hergestellt aus hochgoldhaltigen Legierungen, wird es dünner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes gewalzt und geschlagen. Im Auflicht glänzt es goldgelb, im Gegenlicht scheint grünlich-blau die Lichtquelle durch und bildet auch das Schlagmuster des Metalls ab, weshalb es auch meistens auf einer entsprechend präparierten Unterlage aufgetragen wird. Verwendet wird es, um nichtmetallischen Gegenständen, hier Bilderrahmen, Büchern (Goldschnitt), Mobiliar, Figuren, Architekturelementen, Stuck, Ikonen etc., das Aussehen von echtem Gold zu verpassen. Gold reflektiert infrarote, rote und gelbe Wellenlängen des Lichts bedeutend besser als die energiereicheren blauen blauvioletten und ultravioletten Lichtstrahlen; deshalb werden wärmereflektierende Beschichtungen, Gläser, Optiken und Spiegel damit bedampft. Im Speisenbereich dient es in Form von Blattgold und Blattgoldflocken als Lebensmittelfarbe E 175 zum Vergolden von Speisen, zum Beispiel für Überzüge von Süßwaren und zur Verzierung von Pralinen, und in Getränken, zum Beispiel Goldwasser. Metallisches Gold gilt als ungiftig. Goldwasser Goldverbindungen können zum Teil sehr giftig wirken. Die farblosen Goldcyanide und die zitronengelbe Tetrachlorogoldsäure zählen dazu. Einige Goldsalze werden heilend zur Rheumatherapie eingesetzt. Goldinjektionen wurden früher gegen Rheuma verabreicht; in neuerer Zeit jedoch verdrängen preigünstigere Medikamente eine Behandlung mit Gold. Allerdings hat med. Gold nebenwirkungen - es schädigt die Leber, das Blut und die Nieren, bei unsachgemäßer, bzw. nicht ärztlich-kontrollierter Einnahme. Dekorativ findet Gold vielfältige Anwendungen, zum Beispiel in galvanischen Beschichtungen von Metallen und Kunststoffen. Auf Porzellanglasuren, Zahnersatzkeramiken und Glas lassen sich Goldpigmente einbrennen. Historisch war die Feuervergoldung von Metallen mit Hilfe der Gold-Quecksilber-Legierungen, so genannter Amalgame, nachweislich schon in der Antike die einzig brauchbare Methode, um dauerhafte Vergoldungen auf Silber, Bronze, oder anderen Unedelmetallen herzustellen. Diese Methode scheidet heute aufgrund der starken Giftwirkung der Quecksilberdämpfe aus. Die Feuervergoldung ist mittlerweile auf Grund gesetzlicher Bestimmungen zum Umwelt- und Gesundheitsschutz auch zur Restaurierung verboten. Mit der Entwicklung galvanischer Vergoldungsbäder im späten 19. Jahrhundert und 20. Jahrhundert wurde dieser Bereich in den Möglichkeiten qualitativ erweitert und ersetzt. Goldpigmente wurden historisch in der Glasherstellung seit dem 16. Jahrhundert eingesetzt (Goldrubinglas), sind allerdings heute weitgehend durch preiswertere Verfahren ersetzt.

Geschichte

galvanischer galvanischer Gold zählt zu den ersten Metallen, die von Menschen verarbeitet wurden. Dies liegt einerseits daran, dass Gold die auffallende gelbe Farbe zeigt, sehr oft gediegen, also als Element in der Natur vorkommt und nicht erst aus Erzen chemisch isoliert werden muss. Außerdem lässt sich Gold sehr gut mechanisch bearbeiten. Die leichte Legierbarkeit mit vielen Metallen, die moderaten Schmelztemperaturen und die günstigen Eigenschaften der Legierungen machten Gold als Werkstoff sehr attraktiv. Aufgrund seiner Farbigkeit, der Korrosionsbeständigkeit, der der Beständigkeit des Glanzes zugrunde liegt, und Seltenheit und auffallender Schwere, wurde es in vielen Kulturen vor allem für rituelle Gegenstände verwendet. Die Goldgewinnung begann vermutlich in der Kupferzeit. In Mitteleuropa lassen sich goldene Gegenstände seit dem Zweitem Jahrtausend vor Christus nachweisen. Es wurde etwa im Goldenen Hut von Schifferstadt oder der Himmelsscheibe von Nebra verarbeitet. Seit alters her war Gold in Europa, Asien und Afrika sehr begehrt. Die Fahrt der Argonauten zum Goldenen Vlies nach Kolchis stellt die wohl früheste dokumentierte weite Seefahrt der Griechen dar. Das Alte Testament spricht vom Goldenen Kalb, das sich die Israeliten als Götzenbild herstellten, während Moses die Zehn Gebote empfing, und vom Goldland Ophir. Die Gier nach Gold wurde zum Grund für Kriege und Eroberungszüge. Die Ägypter beuteten Vorkommen in Oberägypten und Nubien aus. Die Römer ihrerseits nutzten Fundstätten in Kleinasien, Spanien, Rumänien und Germanien. Der Traum der Alchemisten des Mittelalters war die Herstellung von Gold. Auch in Südamerika und Mesoamerika begannen die Menschen schon früh mit der Goldgewinnung und Goldverarbeitung. So verfügten beispielsweise die Mochica in Peru bereits Anfang des 1. Jahrtausends über eine hochentwickelte Kultur der Goldverarbeitung, die die Legierungsbildung (Tumbago und Vergoldung) einschloss. Für rituelle Zwecke wurden Gegenstände von mehreren Kilogramm Gold hergestellt. Die ersten Goldfunde in Mittel- und Südamerika lockten nach den Fahrten von Christoph Kolumbus europäische, insbesondere spanische Eroberer an, die die indigenen Kulturen zerstörten und das Gold in Galeonen nach Europa schafften. Spanien wurde so vorübergehend zur reichsten Nation Europas. Immer wieder lockten Goldfunde große Mengen an Abenteurern an. Im 19. Jahrhundert kam es auf verschiedenen Kontinenten zu Goldrausch genannten Massenbewegungen in die Fundgebiete großer Goldmengen. Beispiele sind der kalifornische Goldrausch im Jahre 1849 oder der Goldrausch 1897 am Klondike-River in Alaska. Auch in Australien und Südafrika kam es zum Goldrausch. Kaum einer der Goldsuchenden wurde jedoch durch bergmännischen Goldabbau oder Goldwäsche reich. In den 1920er Jahren versuchte der Chemiker Fritz Haber Gold aus Meerwasser zu gewinnen. Die durchschnittliche Ausbeute war mit 0,004 Milligramm Gold pro Tonne Meerwasser jedoch zu gering für eine wirtschaftliche Verwertung. Auch heute führt der schwankende Goldpreis oft zu sozialen Verwerfungen: So hat der fallende Goldpreis zu einer starken Verarmung der Bevölkerung in Afrika geführt, die von der Goldproduktion lebt. Im brasilianischen Amazonasraum ist der informelle Goldabbau durch Garimpeiros oft mit schwerwiegenden sozialen und ökologischen Folgen verbunden. Mit kerntechnischen Methoden kann man Gold in der Goldsynthese prinzipiell auch künstlich herstellen.

Wert

Garimpeiro Die Reinheit von Gold wird historisch in Karat angegeben. 24 Karat entsprechen purem Gold (Feingold). Mit Einführung des metrischen Systems wurde die Umstellung auf Promille-Angaben vorgenommen. So bedeutet der Stempeleindruck "750" in Goldschmuck, dass das Metall 750 von 1000 Gewichtsanteilen reines Gold enthält. Die Reinheit kann aber auch mit einer Dezimalzahl angegeben werden, zum Beispiel als 0,995. Der Preis des Goldes wird auf dem offenen Markt bestimmt, aber ein bestimmtes, unter dem Namen Gold Fixing in London bekanntes Verfahren, das 1919 erstmals angewandt wurde, ermöglicht die Herausgabe eines Goldpreises zweimal täglich.

Gold als Währung oder Währungsdeckung

Historisch wurde Gold als Währung eingesetzt. Eine Geldeinheit entsprach einer bestimmten Menge Gold. In Deutschland war während des Deutschen Reichs von 1871 bis 1918 das gesetzliche Zahlungsmittel die Goldmark, wobei einem Gramm Gold genau 4,20 Goldmark entsprachen. Dieses System konnte im Zuge des verlorenen ersten Weltkrieges und der damit verbundenen Reparationen nicht aufrecht erhalten werden. Siehe auch Goldwährungssystem Als Relikt aus dieser Zeit wird noch heute die Versicherungssumme und der Beitrag in der Gebäudeversicherung in Mark 1914 ausgedrückt und per Indexzahlen auf aktuelle Werte hochgerechnet. Lange Zeit entsprach in den Vereinigten Staaten von Amerika eine Unze Gold 20,67 Dollar. Später, im Bretton-Woods-System wurde diese Äquivalenz auf 35 Dollar angehoben. Am 17. März 1968 wurde der Goldpreis gespalten und ein zweigliedriges System wurde eingeführt. Der eine Preis konnte sich frei dem Markt anpassen, der andere war fix. Am 21. Januar 1980 war der Preis auf einem Rekordhoch von 850 US-Dollar, am 21. Juni 1999 auf einem Tiefstand von 252,90 US-Dollar (London Fixing). Eine steigende Nachfrage ließ den Preis 2004 über die 420-Dollar-Marke ansteigen.Im Jahr 2005 stieg der Goldpreis weiter und erreichte im September mehr als 475 Dollar und im November mehr als 492 Dollar. Viele Experten erwarten, daß Inflationsängste in Euroland und den USA den Goldpreis weiter deutlich in die Höhe treiben werden. Wegen der Funktion von Gold als Währungsreserve war der Goldbesitz in den USA zeitweise verboten. Von 1933 bis 1975 waren nur Schmuck und Münzsammlungen erlaubt. Präsident Franklin D. Roosevelt konfiszierte Gold über Executive Order 6102 und Präsident Richard Nixon unterband, dass nichtamerikanische Nationalbanken Dollars zu einem fixen Preis gegen Gold wechseln konnten. Gold wird oft als langfristige Wertanlage angesehen. Dies gilt speziell in Zeiten von Hyperinflation. Jedoch kann der Goldpreis von Marktteilnehmern mit großen Goldreserven, etwa Zentralbanken und Goldminen-Gesellschaften, erheblich beeinflusst werden. Soll der Goldpreis sinken, so wird Gold verliehen, um Leerverkäufe zu provozieren, oder verkauft; die Goldproduktion wird hochgefahren. Soll der Goldpreis steigen, so kaufen die Zentralbanken Gold auf, die Goldproduktion wird heruntergefahren. Da Gold einen geringen Nutzwert hat und seine Produktion sich daher kaum dem Verbrauch anpassen muss, ist der Goldpreis sehr volatil, dass heißt, er schwankt auch innerhalb kurzer Zeiträume beträchtlich. Aus diesem Grund gilt Gold heute als ungeeignet zur Währungsdeckung, zumal mit wachsender Geldmenge als Gegenreaktion der Zentralbank auf die normalerweise sinkende Umlaufgeschwindigkeit auch die Goldmenge als Deckung ständig mitwachsen müsste. Dies funktioniert normalerweise nicht. Wenn das kompensierende Geldmengenwachstum durch Goldmangel gestoppt würde, wäre entweder eine Deflation wegen Mangel an Zahlungsmitteln die Folge oder das Abrücken von der Golddeckung. Letzteres ist wie oben beschrieben in der Geschichte mehrmals passiert.

Deflation durch Gold

- Die Deflation ab 1929 in Europa wurde vor allem dadurch ausgelöst, dass aufgrund zurückgegangener Goldreserven (es handelte sich nur um geliehenes Gold) dazugehörige Geldscheine eingezogen und nicht wieder ausgegeben wurden.
- Im Mittelalter wurde Gold als Währung direkt eingesetzt. Da es kaum Goldminen gab, wuchs die Goldmenge kaum an. Dies hatte zur Folge, dass Gold selbst immer mehr wert wurde, es entstand eine Dauerdeflation. Man vermutet, dass erst durch die Entdeckung Amerikas 1492 und durch das von dort nach Europa strömende Gold der Goldwert wieder sank und somit diese Dauerdeflation beendete.

Die Bezeichnung Gold

Mit Gold, welches für wertvoll und kostbar steht, bezeichnet man auch andere wertvolle Sachen. Meist wird ein Adjektiv davor gesetzt, wie zum Beispiel "Schwarzes Gold" für Öl. Beispiele:
- Schwarzes Gold - Öl, Kohle
- Weißes Gold - Marmor, Kochsalz, Kokain, Baumwolle, Porzellan, Elfenbein
- Blaues Gold - Trinkwasser (bes. in armen Gebieten)
- Rotes Gold - Wein
- Flüssiges Gold - Whisky
- Gold des Meeres (Meeresgold) - Korallen
- Gold des Nordens - Bernstein
- Ackergold - Kartoffel
- Katzengold - Pyrit

Siehe auch

- Gold/Tabellen und Grafiken
- Goldstandard
- Goldschmied
- Kupellation
- Kolloidales Gold

Weblinks

Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gold Kategorie:Gruppe-11-Element Kategorie:Periode-6-Element Kategorie:Mineral Kategorie:Übergangsmetall Kategorie:Schwermetall ja:金 ms:Emas simple:Gold th:ทองคำ

Kernreaktor

Ein Kernreaktor (auch Atomreaktor oder Atommeiler) ist eine Maschine, in der eine Kernreaktion kontinuierlich abläuft. Weltweit verbreitet sind Kernreaktoren, die durch die Spaltung (Fission) von Uran oder Plutonium zunächst Wärme und daraus elektrische Energie gewinnen. Eine weitere Art von Kernreaktor ist der sich im Experimentierstadium befindliche Kernfusionsreaktor, der, wie die Sonne, aus der Verschmelzung (Fusion) von Wasserstoffkernen Energie gewinnt.

Kernspaltungsreaktor

Funktionsweise

Die Kernspaltung

Zwischen den Protonen und den Neutronen eines Atomkerns wirken sehr starke, anziehende Kräfte, die jedoch eine nur sehr kurze Reichweite haben. Daher wirkt diese Kernkraft im wesentlichen auf die nächsten Nachbarn, weiter entfernte Nukleonen tragen zu der anziehenden Kraft nur in geringem Maße bei. Solange die Kernkraft größer ist als die abstoßende Coulombkraft zwischen den positiv geladenen Protonen, hält der Kern zusammen. Schwere Kerne, wie beispielsweise das Uran oder Plutonium, enthalten sehr viele Protonen und benötigen daher einen Neutronenüberschuss, um den Kern stabil zu halten. Denn durch die anziehende Kernkraft der zusätzlichen Neutronen wird die abstoßende Coulombkraft der Protonen kompensiert. Trotzdem sind viele schwere Kerne radioaktiv, also instabil. Fängt einer dieser schweren Kerne, etwa des Uranisotops ²³⁵U beziehungsweise ein Kern des Plutoniumisotops ²³⁹Pu, ein Neutron ein, so wird ihm außer dem zusätzlichen Neutron auch Energie zugeführt. Dadurch wandelt er sich in einen hochangeregten, instabilen Zustand des Kerns ²³⁶U beziehungsweise ²⁴⁰Pu um. Beide hochangeregten Kerne regen sich mit extrem kurzen Halbwertszeiten durch Kernspaltung ab. Anschaulich gerät der Kern durch die Neutronenabsorption wie ein angestoßener Wassertropfen in Schwingungen und zerreißt in zwei meist ungleiche Bruchstücke mit einem Massenverhältnis von etwa 2 zu 3. Darüber hinaus werden bei jeder einzelnen Spaltung im Schnitt zwei bis drei weitere schnelle Neutronen frei, die dann für weitere Kernspaltungen zur Verfügung stehen - dies ist die Grundlage der Kettenreaktion. Die neu entstandenen Kerne mittlerer Masse, die so genannten Spaltprodukte, haben eine größere Bindungsenergie als der schwere Uran- beziehungsweise Plutoniumkern. Die Differenz der Bindungsenergien wird unter anderem in kinetische Energie und damit in Wärme der Spaltprodukte umgewandelt. Diese Wärme kann beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt werden.

Thermische Neutronen und der Moderator

Der Neutronenabsorptionsquerschnitt beispielsweise des Isotops ²³⁵U nimmt mit abnehmender Energie und damit gleichbedeutend mit abnehmender Geschwindigkeit des Neutrons zu, das heißt, je langsamer das Neutron ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es von einem U²³⁵-Kern eingefangen wird. Daher bremst man in einem Kernreaktor die schnellen Neutronen aus der Kernspaltung durch den Einsatz eines Moderators ab. Ein Moderator ist ein Material wie etwa Graphit, schweres oder normales Wasser, welches viele Atomkerne enthält, die nicht sehr viel schwerer als ein Neutron sind, und das einen sehr niedrigen Absorptionsquerschnitt für Neutronen hat. Die erste Eigenschaft führt dazu, dass die Neutronen durch Stöße mit diesen Atomkernen abgebremst werden. Die zweite Eigenschaft hat zur Folge, dass die Neutronen der Kettenreaktion weiter zur Verfügung stehen. Durch die Stöße mit den Atomkernen des Moderators können die Neutronen maximal auf die Geschwindigkeiten der Kerne des Moderators abgebremst werden. Die Geschwindigkeit der Moderatorkerne ist nach der Theorie der Brownschen Bewegung durch die Temperatur des Moderators definiert. Es findet also eine Thermalisierung statt. Man spricht daher nicht von abgebremsten, sondern von thermischen Neutronen, d. h., die Neutronen besitzen anschließend eine ähnliche Geschwindigkeitsverteilung wie die Moleküle des Moderators. Ein Reaktor, der zur Kernspaltung thermische Neutronen verwendet, wird dem entsprechend als "Thermischer Reaktor ezeichnet. Im Gegensatz dazu nutzt ein "Schneller Reaktor" die nicht abgebremsten, schnellen Neutronen zur Spaltung oder zum Erbrüten neuen Spaltmaterials (daher auch die Bezeichnung "Schneller Brüter").

Steuerung der Kettenreaktion

Damit die Kettenreaktion nicht unkontrolliert abläuft, muss sie gesteuert werden. Hierfür benutzt man Stoffe mit einem hohen Absorptionsquerschnitt für Neutronen. Beispiele für diese Stoffe sind Cadmium, Gadolinium und Bor. Aus chemischen Verbindungen dieser Materialien werden beispielsweise die Steuerstäbe eines Kernreaktors gefertigt. Durch Zugabe oder Entzug dieser Stoffe in oder aus dem Reaktorkern (beispielsweise durch das Herausziehen oder Hineinfahren der Steuerstäbe) kann der Reaktor geregelt werden. Zur leichteren Beschreibung der Vorgänge beim Regeln eines Kernreaktors sei nun der Multiplikationsfaktor k eingeführt. Er beschreibt das Verhältnis der Neutronenzahlen zweier aufeinander folgender Neutronengenerationen: k = Anzahl der Neutronen einer Generation / Anzahl der Neutronen der vorausgegangenen Generation
- Im stationären Betrieb ist der Multiplikationsfaktor k = 1, d.h. jede Neutronengeneration weist genau so viele Neutronen auf wie die ihr vorausgegangene. Das wird dadurch erreicht, dass sich gerade so viel Neutronen absorbierendes Material im Kern befindet, wie nötig ist, damit im Durchschnitt nur eines der pro Kernspaltung freiwerdenden Neutronen für eine weitere Kernspaltung zur Verfügung steht. Alle übrigen Neutronen werden beispielsweise durch Bor oder Cadmium absorbiert oder gehen der Kettenreaktion auf anderen Wegen verloren. In diesem Fall liegt eine stationäre Kettenreaktion vor. Die Zahl der Kernspaltungen pro Zeit bleibt konstant und es wird eine konstante Leistung in Form von Wärme abgegeben. Einen Reaktor in diesem Zustand bezeichnet man als kritisch.
- Will man die Leistung des Reaktors reduzieren, so führt man dem Reaktorkern Neutronen absorbierende Stoffe (beispielsweise durch das Einfahren der Steuerstäbe) zu. Dadurch werden mehr Neutronen absorbiert, als zur Aufrechterhaltung des stationären Betriebs nötig wären. Es stehen nun mit jeder Neutronengeneration weniger Neutronen für weitere Spaltungen zur Verfügung, als bei der vorhergehenden. Für den Multiplikationsfaktor gilt k < 1 und eine stationäre Kettenreaktion lässt sich nicht aufrechterhalten. Einen Reaktor in diesem Zustand bezeichnet man als unterkritisch. Die Wärmeleistung in einem unterkritischen Reaktor sinkt. Jedoch nur so lange bis sich erneut ein Gleichgewicht eingestellt hat. Denn eine bestimmte, zusätzliche Menge an Neutronen absorbierenden Material kann auch nur eine bestimmte Menge an Neutronen zusätzlich weg fangen. Daher stellt sich durch Zufuhr von beispielsweise einer bestimmten Menge an Bor erneut ein stationärer Betrieb ein, allerdings bei einer reduzierten Leistung. Durch die Zufuhr von genügenden Mengen an Neutronen absorbierendem Material lässt sich die Leistung des Reaktors auf Null reduzieren und der Reaktor damit abschalten.
- Um die Leistung eines Kernreaktors zu erhöhen, entzieht man dem Reaktorkern Neutronen absorbierendes Material (beispielsweise durch das Herausfahren der Steuerstäbe). Dadurch steht mehr als ein Neutron pro Kernspaltung für weitere Spaltungen zur Verfügung, die Anzahl der Spaltungen pro Generation nimmt zu und die Leistung des Reaktors ebenso. Für den Multiplikationsfaktor gilt k > 1. Einen Reaktor mit zunehmender Zahl an Kernspaltungen nennt man überkritisch. Um einen Kernreaktor jedoch vernünftig regeln zu können, nutzt man die Tatsache aus, dass zwar etwa 99% aller Spaltneutronen bei der Kernspaltung als prompte Neutronen innerhalb von 10^-14 Sekunden emittiert, jedoch ungefähr 1% der Neutronen verzögert um bis zu einigen Sekunden als so genannte verzögerte Neutronen freigesetzt werden. Der prozentuale Anteil der verzögerten Neutronen an der gesamten Neutronenzahl wird mit β bezeichnet. Der genaue Wert von β hängt vom Spaltstoff ab und beträgt beim ²³⁵U etwa 0,75%, beim ²³⁹Pu nur etwa 0,2%. Der Reaktorzustand mit 1 ≤ k ≤ 1+ β heißt prompt kritisch, der Zustand k≥1+β prompt überkritisch. Bei der Erhöhung der Leistung wird der Reaktor in den prompt kritischen Zustand gebracht, da er hier regelbar bleibt. Denn die Neutronenflussänderungen laufen hier zwar exponentiell, aber in einem Zeitrahmen ab, der durch die verzögerten Neutronen bestimmt ist und damit im Bereich mehrerer Sekunden liegt. Ein prompt überkritischer Reaktor ist nicht mehr regelbar und es kann zu schweren Unfällen kommen, denn der Neutronenfluss und damit die abgegebene Wärmeleistung des Reaktors steigen exponentiell im Bereich von 10^-14 Sekunden an. Bei wassermoderierten Reaktoren kommt es dabei zur Verdampfung des Moderators, welcher aber notwendig ist, um die Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Durch das schlagartige Ansteigen der Temperatur wird die Moderatordichte reduziert und damit der Fluss an thermischen Neutronen (denn nur diese tragen wesentlich zur Kernspaltung in diesem Reaktortyp bei) reduziert. Dadurch kehrt der Reaktor in den prompt kritischen, kritischen oder gar unterkritischen, in jedem Fall aber in den regelbaren Bereich zurück. Dieses Verhalten gilt nicht für beispielsweise Graphit-moderierte Reaktortypen, denn speziell Graphit verliert bei Hitze seine moderierenden Eigenschaften nicht. Gerät ein solcher Reaktor in den prompt überkritischen Bereich, so kommt die Kettenreaktion nicht zum Erliegen und binnen Sekundenbruchteilen führt dies zur Überhitzung und Zerstörung des Reaktors. Schlagartig verdampfende Flüssigkeiten und Metalle können dabei eine Explosion des Reaktors bewirken, wie in der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl geschehen. Die automatische Unterbrechung der Kettenreaktion bei wassermoderierten Reaktoren ist, anders als gelegentlich behauptet, kein Garant dafür, dass es nicht zu einer Kernschmelze kommt, da die Nachzerfallswärme bei Versagen aktiver Kühlsysteme ausreicht, um ebendiese herbeizuführen und im schlimmsten Falle, bei Erreichen der kritischen Masse, eine neue Kettenreaktion in Gang zu setzen. Als inhärent sicher gelten daher beim derzeitigen Stand der Technik nur bestimmte Hochtemperaturreaktoren geringerer Leistung, die eine Kernschmelze prinzipbedingt ausschließen.

Nachwärme

Wird der Reaktor abgeschaltet, so wird durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte weiterhin Wärme produziert. Um diese so genannte Restwärme oder auch Nachwärme auch in Notfällen sicher abführen zu können, besitzen alle westlichen Kernkraftwerke ein aufwändiges Not- und Nachkühlsystem. Sollte jedoch der unwahrscheinliche Fall eintreten und auch diese Systeme versagen, so kommt es auch in diesem Fall durch die steigenden Temperaturen zu einer Kernschmelze, bei der die Strukturen des Reaktorkerns und insbesondere der Kernbrennstoff schmelzen. In der Schmelze kann die Kettenreaktion unter Umständen wieder anlaufen und dadurch zusätzliche Wärme erzeugt werden. Aber auch ohne diese Rekritikalität wird der Fall der Kernschmelze als größter anzunehmender Unfall, kurz als GAU bezeichnet. Bei einem GAU ist davon auszugehen, dass radioaktive Stoffe in die Umwelt entweichen. Hält das Reaktorgebäude nicht stand, tritt eine sehr große Menge radioaktiver Stoffe aus, was auch als Super-GAU bezeichnet wird. Siehe auch: Kernspaltung

Reaktortypen

Reaktoren werden nach der Art der Kühlung, der Moderation und der Bauweise unterteilt. Mit normalem, leichtem Wasser moderierte Reaktionen finden im Leichtwasserreaktor statt, der als Siedewasserreaktor oder Druckwasserreaktor ausgelegt sein kann. Eine Weiterentwicklung des Druckwasserreaktors ist der European Pressurized Water Reactor (EPR). Eine russische Variante ist der WWER-Reaktor. Leichtwasserreaktoren benötigen angereichertes Uran, Plutonium oder Mischoxide (MOX) als Brennstoff. Mit schwerem Wasser moderierte Schwerwasserreaktoren erfordern eine große Menge des teuren schweren Wassers (Deuterium), können aber mit natürlichem, das heißt nicht angereichertem Uran, betrieben werden. Der bekannteste Vertreter dieses Typs ist der in Kanada entwickelte Candu-Reaktor. Gasgekühlte, graphitmoderierte Reaktoren wurden bereits in den 50er Jahren entwickelt und sind daher die ältesten kommerziell genutzten Kernreaktoren. Kühlmittel ist Kohlendioxid. In Großbritannien sind noch eine Reihe dieser wegen des Hüllrohrmaterials der Brennelemente (Magnesiumlegierung) als Magnox-Reaktoren bezeichneten Anlagen in Betrieb. Ähnliche Anlagen wurden auch in Frankreich eingesetzt, sind aber inzwischen alle bereits abgeschaltet. Ein Nachfolger der Magnox-Reaktoren ist der in Großbritannien entwickelte AGR-Reaktor (Advanced Gas-cooled Reactor). Im Unterschied zu den Magnox-Reaktoren verwendet er jedoch leicht angereichertes Urandioxid statt Uranmetall als Brennstoff. Dies ermöglicht höhere Leistungsdichten und höhere Kühlmittelaustrittstemperaturen. Ein Hochtemperaturreaktor (auch Kugelhaufenreaktor) nutzt ebenfalls Graphit als Moderator, als Kühlmittel wird Helium verwendet. Der Kernbrennstoff ist hier in Kugeln aus Graphit eingeschlossen. Dieser Reaktortyp gilt als einer der sichersten, da hier selbst bei einem Versagen der Not- und Nachkühlsysteme eine Kernschmelze aufgrund des hohen Schmelzpunktes des Graphit so gut wie ausgeschlossen ist. Die sowjetischen Reaktoren vom Typ RBMK nutzen ebenfalls Graphit als Moderator. Hier liegt das Graphit allerdings in riesigen Blöcken vor, durch die hunderte oder tausende (abhängig von der Leistung des Reaktors) Kanäle gebohrt sind in denen sich die so genannten Druckröhren mit den Brennelementen und der Wasserkühlung befinden. Diese Reaktortypen gelten aus verschiedenen Gründen als träge (was viel Zeit zum Regeln lässt), aber auch als extrem unsicher, da hier ein Kühlmittelverlust nicht mit einem Moderatorverlust gleichzusetzen ist. Die Reaktorblöcke in Tschernobyl waren von diesem Typ. Daneben gibt es Brutreaktoren (Schnelle Brüter), in denen ²³⁸U in ²³⁹Pu umgewandelt wird. Brutreaktoren arbeiten mit schnellen Neutronen, und verwenden flüssiges Metall, wie beispielsweise Natrium als Kühlmittel. Kleine, nicht brütende Reaktoren mit Metallkühlung (Blei-Bismut-Legierung) wurden in sowjetischen U-Booten eingesetzt. Eine Besonderheit stellt der Naturreaktor in Oklo dar, in dem vor Millionen Jahren eine Kettenreaktion durch das Eindringen von Wasser in eine natürliche Uranlagerstätte in Gang kam. Dies war möglich, da aufgrund der unterschiedlichen Halbwertszeiten von ²³⁵U und ²³⁸U der Anteil an ²³⁵U im Natururan bei etwa 3-5% lag. Heute liegt der Anteil bei nur noch etwa 0,7% und bei einem Anteil von 1,5-5% spricht man von angereichertem Uran. Es gibt auch einige Sondertypen für spezielle Anwendungen. So wurden kleine Reaktoren mit hochangereicherten Brennstoff für die Stromversorgung von Raumflugkörpern konstruiert, die ohne flüssiges Kühlmittel auskommen (diese Reaktoren sind nicht mit den Isotopenbatterien zu verwechseln). Auch luftgekühlte Reaktoren, die stets hochangereicherten Brennstoff erfordern, wurden gebaut, zum Besispiel für physikalische Versuche im BREN-Tower in Nevada. Es wurden auch Reaktoren für den Antrieb von Raumfahrzeugen konstruiert, bei denen flüssiger Wasserstoff zur Kühlung des Brennstoffes dient. Allerdings kamen diese Arbeiten über Bodentests nicht hinaus (Projekt NERVA, Projekt Timberwind). Ebenfalls nicht über das Versuchsstadium hinaus kamen Reaktoren bei denen der Brennstoff in flüssiger oder gasförmiger Form vorliegt (Gaskernreaktor). Derzeit wird weltweit aktiv an neuen Reaktorkonzepten gearbeitet, insbesondere mit Blick auf den erwarteten wachsenden Energiebedarf.

Natürlicher Kernreaktor

Kernspaltung kann nicht nur durch hochkomplexe technische Systeme erreicht werden, sondern kommt unter bestimmten, wenn auch seltenen, Umständen in der Natur vor. 1972 entdeckten französische Forscher in der Region Oklo des westafrikanischen Landes Gabun die Überreste eines natürlichen Kernreaktors, der vor ca. 2 Milliarden Jahren von selbst entstanden war. Die Forscher stellten fest, dass die Isotopenzusammensetzung des Urans aus der Oklo-Mine Unstimmigkeiten aufwies: es enthielt geringfügig weniger spaltbares Uran-235 als man aufgrund seines Gehaltes an Uran-238 erwarten konnte. Die Wissenschaftler haben auch verschiedene Edelgasisotope, die in einer Materialprobe der Oklo-Mine eingeschlossenen waren, mit einem Massenspektrometer untersucht. Aus der Verteilung der verschiedenen, bei der Uranspaltung entstehenden Xenonisotope in der Oklo-Probe ergab sich, dass der Reaktor in Pulsen gearbeitet hat. Die natürliche Anreicherung von Uran-235 setzte eine Kettenreaktion in Gang, die durch Wasser in den Spalten des Urangesteins moderiert wurde. Das Wasser in den Gesteinsspalten bremste die Neutronen auf die für die Kernspaltung notwendige Geschwindigkeit ab, so dass die Kettenreaktion einsetzen konnte (aktive Phase). Die dadurch freigesetzte Wärme im Urangestein erhitzte das Wasser in den Spalten bis es schließlich verdampfte und nach Art eines Geysirs entwich. Infolgedessen konnte das Wasser nicht mehr als Moderator (Neutronendämpfer) wirken, so dass die Kernreaktion zum erliegen kam (Ruhephase). Daraufhin sank die Temperatur wieder ab, so dass frisches Wasser nachfließen und die Spalten wieder auffüllen konnte. Somit war die Voraussetzung für eine weitere Kettenreaktion geschaffen und der Zyklus konnte von vorne beginnen. Berechnungen zeigen, dass auf die etwa 30 Minuten dauernde aktive Phase (Kettenreaktion) eine Ruhephase folgte, die mehr als zwei Stunden anhielt. Auf diese Weise wurde der natürliche Atommeiler für etwa 150.000 Jahre in Gang gehalten, wobei er über 5 Tonnen Uran-235 verbrauchte. Die Leistung des Reaktors lag bei im Vergleich zu den heutigen Megawatt-Reaktoren geringen 100 Kilowatt. Ein weiterer fossiler Reaktor wurde ebenfalls in Gabun, in Bangombe, etwa 35 km südöstlich der Oklo-Mine entdeckt. Amerikanische Forscher um Alex Meshik von der Washington University in St. Louis fanden jetzt heraus, dass ein natürlicher Kernreaktor im westafrikanischen Gabun mehr als 150 000 Jahre lang Wasser als Moderator nutzte. Trotz intensiver weltweiter Nachforschungen in über 200 Uranlagerstätten konnten bislang keine weiteren natürlichen Reaktoren mehr aufgespürt werden. Dies muss aber nicht bedeuten, dass in der Vergangenheit keine weiteren Reaktoren entstanden sind. Sie könnten z.B. im Laufe der Zeit durch geologische Prozesse tief in die Erdkruste abgesunken oder durch andere Vorgänge verschwunden sein. Ein Grund für das entstehen dieses natürlichen Atomreaktors war, dass zu der Zeit das natürliche Vorkommen von spaltbarem U-235 im Uran ca. 3% betrug. Aufgrund der kürzeren Halbwertszeit von U-235 gegenüber U-238 ist das natürliche Vorkommen von U-235 im Uran derzeit ca. 0,7%. Daher ist ein natürlicher Atomreaktor auf der Erde nicht mehr möglich. Lit.: A. P. Meshik et al.: Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon. Phys. Rev. Lett. 93, 182302 (2004). http://www.curtin.edu.au/curtin/centre/waisrc/OKLO/index.shtml Englischsprachige Web-Seite von Robert Loss mit ausführlichen Informationen zum Oklo-Reaktor

Anwendungen

Die meisten Kernreaktoren dienen der Erzeugung von elektrischer (und manchmal auch von thermischer) Energie in Kernkraftwerken. Daneben werden Kernreaktoren auch zur Erzeugung radioaktiver Substanzen verwendet, entweder, in dem diese aus den abgebrannten Brennstäben extrahiert werden, oder in dem Substanzen der im Kernreaktor herrschenden Neutronenstrahlung ausgesetzt werden (Transmutation, Kernreaktion, Neutronenanlagerung). Theoretisch könnte man in einem Reaktor auch Gold machen (Goldsynthese), was allerdings sehr unwirtschaftlich wäre. Die wichtigste im Reaktor durchgeführte Reaktion zur Stoffumwandlung ist die Erzeugung von Plutonium 239 aus Uran 238, den wichtigsten Uranisotop. Weiterhin dienen Kernreaktoren auch als intensive regulierbare Neutronenquelle für physikalische Untersuchungen aller Art. Eine weitere Anwendung von Kernreaktoren ist der Antrieb von Fahrzeugen (Kernenergieantrieb) und die Energieversorgung von manchen Raumflugkörpern. In letzteren Fall sind diese nicht mit den Isotopenbatterien gleichzusetzen.

Sicherheit und Politik

Das von Kernreaktoren ausgehende Gefahrenpotential sowie die bislang ungelöste Frage der Lagerung der anfallenden radioaktiven Abfälle haben nach Jahren der Euphorie seit den 70 Jahren des 20. Jahrhunderts in vielen Ländern zu Protesten von Atomkraftgegnern und zu einer Neubewertung der Kernkraft geführt. Während in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts allgemein der Ausstieg aus der Kernkraft propagiert wurde, findet in vielen Ländern momentan ein Umdenken statt. Gründe sind neben den hohen Kosten für regenerative Energiequellen und fossile Energieträger die Versorgungsunsicherheit bei Öl und Gas. Daneben stellt die inzwischen durch internationale Verträge gesicherte Reduktion des CO₂-Austoßes ein weiteres Hindernis für fossile Energieträger dar. Diesem Problem klassischer Energieträger steht ein wachsender Energiebedarf durch aufstrebende Volkswirtschaften wie etwa China gegenüber. Aus diesen Gründen entschlossen sich einige europäische Staaten, wieder in die Kernkraft zu investieren. So bauen derzeit der deutsche Konzern Siemens und die französische Gruppe Areva einen Druckwasserreaktor vom Typ EPR im finnischen Olkiluoto; er soll 2009 ans Netz gehen. Russland will seine alten und teilweise maroden Kernkraftwerke erneuern und für mindestens 10 Jahre pro Jahr einen neuen Reaktorbau beginnen. In Frankreich wird ebenfalls über den Neubau eines Reaktors verhandelt, als Termin für die Fertigstellung wird das Jahr 2010 genannt. Schweden stoppte seine Pläne zum Atomausstieg. Daneben gibt es kleinere und größere Neubauprojekte in Iran, China, Nordkorea, und anderen Staaten. Die Lebensdauer von Kernreaktoren ist nicht unbegrenzt. Besonders der Reaktordruckbehälter ist ständiger Neutronenstrahlung ausgesetzt, die zur Versprödung des Materials führt. Wie sehr das Material versprödet, hängt unter anderem davon ab, wie die Brennelemente im Reaktor angeordnet sind und welchen Abstand sie zum Reaktordruckbehälter haben. Die Kernkraftwerke Stade und Obrigheim wurden auch deshalb als erste vom Netz genommen, weil hier dieser Abstand geringer war als bei anderen, neueren Kernreaktoren. Zur Zeit versuchen die Betreiber von Kernkraftwerken, durch eine geschickte Beladung mit Brennelementen und zusätzlichen Moderatorstäben die Neutronenbelastung des Reaktordruckbehälters zu reduzieren.

Orte mit Kernreaktoren

- Liste der Kernkraftanlagen
- Liste der Kernkraftwerke in Deutschland
- Liste der Kernreaktoren in Österreich
- [http://www.world-nuclear.org/wgs/decom/database/php/reactorsdb_index.php Datenbank der World Nuclear Association mit allen Kernkraftwerken weltweit]
- [http://www.energie-fakten.de/html/oklo.html Kernreaktoren und nukleare Endlager - eine Erfindung des Menschen ?] Über natürliche Reaktoren in Oklo (Gabun)

Bekannte Nuklearunfälle

- 29. September 1957 Mayak im Russischen Ural
- 8. Oktober 1957 in Sellafield (früher Windscale) Vereinigtes Königreich - siehe Windscale-Brand
- 21. Januar 1969 in Lucens VD, Schweiz
- 28. März 1979 Three Mile Island bei Harrisburg, Pennsylvania, USA
- 26. April 1986 Tschernobyl, Ukraine Siehe auch: Reaktorphysik, Kernkraftwerk, Liste der nuklearen Unfälle, Kernenergieantrieb

Siehe auch

- [http://www.kernenergie-wissen.de Basiswissen zur Kernenergie] ja:原子炉 Kategorie:Kernenergie

Isotop

Isotope sind Nuklide mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl. Isotope stehen am gleichen Ort (griech. ισο [iso] – gleich, τόπος [topos] – Ort) im Periodensystem, aber an unterschiedlichem Ort in der Nuklidkarte. Ein Isotop umfasst also Atome eines Elements, die sich nur durch die unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Atomkern unterscheiden. In der Regel besitzt jedes natürlich vorkommende Element ein oder wenige stabile Isotope, während die anderen Isotope radioaktiv (das heißt instabil) sind und früher oder später zerfallen. Es gibt jedoch auch Elemente, bei denen alle Isotope instabil sind und zerfallen.

Stabile Isotope

Mit 10 stabilen Isotopen hat Zinn die meisten natürlich vorkommenden Isotope. Bei 20 sogenannten Reinelementen gibt es nur ein stabiles Isotop. Diese Elemente sind: Beryllium, Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Scandium, Mangan, Kobalt, Arsen, Yttrium, Niob, Rhodium, Iod, Cäsium, Praseodym, Terbium, Holmium, Thulium, Gold, Bismut. Thorium besitzt zwar nur ein natürliches Isotop, dieses ist aber nicht stabil. Die Halbwertszeit ist mit 1,4 · 10¹⁰ Jahren sehr lang. In einigen Lehrbüchern wird es als 21. Reinelement aufgeführt. Nach neueren Untersuchungen ist das bisher für stabil gehaltene Isotop des Bismuts ein Alpha-Strahler mit extrem langer Halbwertszeit (1,9 · 10¹⁹ Jahre). Streng genommen gibt es somit nur noch 19 Reinelemente mit stabilem Isotop.

Bekannteste Isotope

Ein bekanntes Isotop ist ¹⁴C, das zur Altersbestimmung von organischen Materialien (Archäologie) benutzt wird (Radiokarbonmethode). Kohlenstoff (C) liegt hauptsächlich als stabiles Isotop ¹²C vor. Das Isotop ²³⁵U wird aus dem Natururan angereichert und als Brennstoff in Kernkraftwerken oder stärker angereichert in Atombomben verwendet.

Chemische Reaktionen bei Isotopen

In ihren chemischen Reaktionen unterscheiden sich Isotope geringfügig. Ein Beispiel ist die Elektrolyse von Wasser, bei der vorzugsweise Wasser mit dem normalen ¹H reagiert und in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, während sich Wassermoleküle mit ²H (Schwerer Wasserstoff) im Restwasser anreichern. Grund hierfür sind die verschiedenen Nullpunktenergien der Isotope.

Isotope in der Analytik

Auch an ihren Spektrallinien können bei hoher Auflösung verschiedene Isotope eines Elements unterschieden werden (Isotopieverschiebung). Die Isotopenzusammensetzung in einer Probe wird in der Regel mit einem Massenspektrometer bestimmt. Isotope spielen ferner eine Rolle in der NMR-Spektroskopie. So werden beispielsweise in der NMR-Spektroskopie organischer Verbindungen ¹³C Isotope spektroskopiert, da sie im Gegensatz zum ¹²C einen detektierbaren Kernspin haben. Isotope werden auch in der Aufklärung von Reaktionsmechanismen oder Metabolismen mit Hilfe der sog. Isotopenmarkierung verwendet. Die Isotopenzusammensetzung des Wassers ist an verschiedenen Orten der Welt verschieden und charakteristisch. Diese Unterschiede erlauben es etwa bei Lebensmitteln wie Wein oder Käse, die Deklaration des Ursprungsortes zu überprüfen.

Benannte Isotope

Es gibt nur wenige Isotope, für die eigene Namen oder eigene Kürzel gebräuchlich sind:
- Das ²H-Isotop wird gewöhnlich als Deuterium (D) bezeichnet
- Das ³H-Isotop wird gewöhnlich als Tritium (T) bezeichnet

Siehe auch

- Isotopenuntersuchung
- Radioaktivität
- Halbwertszeit
- Radionuklid Kategorie:Kernphysik Kategorie:Kernenergie Kategorie:Chemie ja:同位体 ko:동위원소 simple:Isotope th:ไอโซโทป

Energie

Energie ist eine physikalische Zustandsgröße. Üblicherweise wird für die Energie das Formelzeichen E verwendet. Die Energie E eines Systems lässt sich selbst nicht messen, sie wird berechnet oder über die durch sie verrichtete Arbeit bestimmt. Der Begriff wurde von dem schottischen Physiker William John Macquorn Rankine im Jahr 1852 im heutigen Sinn in die Physik eingeführt und leitet sich aus dem Griechischen ab: εν = in, innen und εργον = Werk, Wirken. Energie bedeutet ganz allgemein also eine den in der Physik betrachteten Objekten innewohnende Wirksamkeit. Zuvorderst wird sie als etwas verstanden, das in Arbeit umgewandelt werden kann. Energie ist danach die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Vor 1852 wurde für Energie der Begriff Kraft, in Deutschland auch "lebendige Kraft", benutzt. Der neuerdings an Stelle von Wärmeenergie benutzte Begriff innere Energie ist ebenso pleonastisch gebildet wie etwa nasser Regen oder weißer Schimmel; philologisch korrekt müsste hier von innerer Energie gesprochen werden.

Energieformen

Bei den physikalischen Vorgängen treten viele verschiedene Energieformen auf, die hier zu 4 Gruppen zusammengefasst sind. Da diese Einteilung willkürlich ist, gibt es Sammelbegriffe für Energieformen, die spezielle Energieformen aus unterschiedlichen Gruppen kombinieren. Energie ist, unabhängig von der Energieform, eine charakterisierende Größe für den Zustand eines Systems, eine so genannte Zustandsgröße.

Mechanische Energie

Die Energie eines mechanischen Systems kann immer als Summe von kinetischer und potenzieller Energie dargestellt werden. Die beiden Begriffe werden über die klassische Mechanik und die Quantenmechanik hinaus in fast allen Bereichen der Physik verwendet.
- Kinetische Energie wird auch als Bewegungsenergie bezeichnet. Sie wird durch die Bewegung eines Systems gegenüber eines anderen Systems und durch seine Masse bestimmt und setzt sich aus Translationsenergie und Rotationsenergie zusammen.
- Potentielle Energie wird auch als Lageenergie bezeichnet. In der Mechanik ist sie die Energie eines Systems, die es durch seine Lage in einem Kraftfeld besitzt, zum Beispiel im Gravitationsfeld der Erde.
- Schwingungsenergie: Beim Pendel wechselt die potentielle Energie bei maximaler Auslenkung mit der gleich großen kinetischen Energie während des Durchgangs durch die Ruhelage ab. Über die Mechanik hinaus sind Schwingungen allgemein durch einen periodischen Wechsel zwischen zwei Energieformen charakterisiert.
- Elastische Energie ist die potentielle Energie der aus ihrer Ruhelage verschobenen Atome oder Moleküle in einem elastisch deformierten Körper, beispielsweise einer mechanischen Feder. Allgemein bezeichnet man die Energie, die bei der elastischen oder plastischen Verformung in dem Körper gespeichert (oder freigesetzt) wird, als Deformationsenergie.
- Schallenergie: Beim Schall schwingen die Atome in Folge der Elastizität eines Festkörpers oder der Kompression einer Flüssigkeit oder eines Gases im Takt der Frequenz zwischen der potenziellen Energie der Auslenkung aus ihrer Ruhelage und der kinetischen Energie beim Durchgang durch diese Ruhelage. Der Begriff akustische Energie bezieht sich auf alle akustische (teils nicht von Menschen wahrnehmbare) Schwingungen.
- Wellenenergie ist ein Sammelbegriff, der nicht nur auf die akustischen Wellen zutrifft, sondern auf alle räumlich ausgebreiteten Schwingungsphänomene wie z. B. Wasserwellen und elektromagnetische Wellen. Weder Schwingungs-, noch Schall- noch Wellen-Energie sind eigene Energien als Zustandsgrössen, denn Schwingung, Schall und Welle beschreiben in der Zeit ablaufende Vorgänge, also keine Zustände. In den Erläuterungen werden auch richtig die Energien (potentielle und kinetische) genannt, die als mechanische Energien alleine bei diesen Vorgängen wesentlich sind. Elastische Energie ist die potentielle Energie in der Ruhelage. Wird ein Körper aus der Ruhelage verschoben, so ergibt sich eine potentielle Energieänderung, die durch die Verschiebung bewirkt wird und die in die Energiebilanz gehört. Solche unscharfen Erläuterungen zu Energien erschweren ihre sorgfältigen Definitionen.

Thermische und innere Energie

Thermische Energie ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Thermische Energie wird umgangssprachlich oft auch fälschlicherweise als Wärmeenergie, Wärmeinhalt oder Wärmemenge bezeichnet. Die Erscheinungsformen der thermischen Energie werden durch die Thermodynamik beschrieben. Ein anschauliches Beispiel für die komplexen Abhängigkeiten der dabei zu beobachtenden physikalischen Phänomene ist das Schmelzen von Eis und das Entstehen von Wasserdampf aus Wasser durch Zufuhr von thermischer Energie. Die Summe aus thermischer Energie, Schwingungsenergie im Körper und Bindungsenergie bezeichnet man als Innere Energie (philologisch korrekt eigentlich innere Ergie; vgl. Einleitung des Artikels Energie).

Elektrische und magnetische Energie

- Elektrische Energie ist als potenzielle Energie im elektrostatischen Feld von elektrischen Ladungen gespeichert.
- Magnetische Energie ist im magnetischen Feld enthalten.
- Elektromagnetische Schwingungsenergie: Durch Induktion wechselt elektrische Energie im Takt der Frequenz mit magnetischer Energie. Dies findet in elektrischen Schwingkreisen statt, aber auch im Raum, in dem sich das elektromagnetische Feld ausbreitet. Dann spricht man von elektromagnetischer Strahlungsenergie oder Photonenenergie und speziell für den sichtbaren Frequenzbereich von Lichtenergie.

Bindungsenergie

- Chemische Energie: Energie, welche in der chemischen Bindung von Atomen oder Molekülen enthalten ist. Sie wird bei exothermen Reaktionen frei und muss für endotherme Reaktionen hinzugefügt werden.
- Kernenergie: Energie der Bindung der Protonen und Neutronen im Atomkern. Sie wird bei einer Kernreaktion in die Bindungsenergie der Reaktionsprodukte, also neuer Atomkerne umgesetzt, und in verschiedene Arten von Strahlung.

Materie

Masse und Energie sind äquivalent (Albert Einstein). :

E = m \cdot c^2

Dies wird z. B. bei der Kernspaltung und der Kernfusion ausgenutzt. Außer bei Experimenten in der Elementarteilchenphysik und manchen Kapiteln der Astrophysik ist jedoch die mit Energieänderungen des Systems einhergehende Massendifferenz weit unterhalb der Messgenauigkeit. In einigen Bereichen der Physik rechnet man in natürlichen Einheiten (

c\equiv 1, \hbar\equiv 1

), sowohl für Energie als auch für Masse benutzt man die Einheit Elektronenvolt.

Umwandlung der Energieformen und Energienutzung

Energie kann in physikalischen Vorgängen weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in verschiedene Energiearten umgewandelt werden. In einem geschlossenen System gilt der Energieerhaltungssatz, der einer der am genauesten experimentell gesicherten Sätze der Physik ist. Auch die Theorie unterstützt diese Überzeugung: In abgeschlossenen Systemen ist Energie eine Erhaltungsgröße. In offenen Systemen hat die Energie Neigung, den zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig auszufüllen. Die dabei auftretenden und zu beobachtenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten führen zur Entropie, einer thermodynamischen Zustandsgröße mit dem gleichen Stellenwert wie die Energie. Durch eine am System verrichtete Arbeit wird die Energie des Systems erhöht. Verrichtet das System selbst Arbeit, so wird seine Energie geringer. Die Arbeit verursacht hier also eine Zustandsänderung in Form einer Temperatur-, Form-, Lage- oder Beschleunigungsänderung. Der Begriff Energienutzung bezieht sich auf die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform (→ Arbeit). Eine Energieerzeugung ist aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Das gleiche gilt für Energieverbrauch, Energieverschwendung, Energiesparen und Energieverlust. In der Umgangssprache werden diese Worte oft mit moralischer Wertung für die Energieumwandlung verwendet. Weiterhin ist es nicht möglich, die Energieformen beliebig ineinander umzuwandeln. Insbesondere ist es unmöglich, dass ein System seine Wärmeenergie komplett als Arbeit abgibt. Beispiele für die Energieumwandlung sind die Erzeugung von Licht und Wärme aus elektrischer Energie über einen elektrischen Widerstand und die Umwandlung der elektrischen Energie mit Hilfe des Elektromagnetismus über magnetische Felder in einem Elektromotor in kinetische Energie. Chemische Energie eines Brennstoffs wird bei der Verbrennung in Wärmeenergie verwandelt oder in Verbrennungsmotoren (als Kraftstoff) in kinetische Energie umgewandelt. Abhängig vom Wirkungsgrad der Motoren wird ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie direkt in Abwärme umgewandelt. Kinetische Energie wird bei der Bewegung entgegen dem Schwerefeld der Erde, also bergauf, in potentielle Energie oder über Reibung in Wärmeenergie oder akustische Energie umgewandelt. In Elektrizitätswerken wird elektrischer Strom erzeugt. Entweder wird dabei vorhandene potentielle Energie (Speicherkraftwerk) oder kinetische Energie (Laufkraftwerk, Windenergieanlage) über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt oder es wird der Umweg über eine Wärmekraftmaschine gewählt, um aus Wärme Energie zu gewinnen. Beispiele dafür sind Wärmekraftwerke, die mit Kohle, Öl, Gas, Biomasse, Kernkraft oder auch Müll betrieben werden. Strahlungsenergie, auch in Form von akustischer Energie, wird beim Auftreffen auf eine absorbierende Fläche meistens in Wärmeenergie verwandelt.

Energieversorgung und -verbrauch

Mit Energieversorgung und -verbrauch(
- ) wird die Nutzung von verschiedenen Energien in für Menschen gut verwendbaren Formen bezeichnet. Die von Menschen am häufigsten benutzten Energieformen sind Wärmeenergie und Elektrizität. Die menschlichen Bedürfnisse richten sich vor allem auf die Bereiche Heizung, Nahrungszubereitung und den Betrieb von Einrichtungen und Maschinen zur Lebenserleichterung. Hierbei ist das Thema Fortbewegung und der Verbrauch z. B. fossiler Energieträger in Fahrzeugen nicht unerheblich. Die verschiedenen Energieträger können über Leitungen die Verbraucher erreichen, wie typischerweise elektrischer Energie, Erdgas, Fernwärme und Nahwärme, oder sie sind weitgehend lagerfähig und beliebig transportfähig, wie z. B. Steinkohle und Braunkohlen, Heizöle, Kraftstoffe (Benzine, Dieselkraftstoffe), Industriegase, Kernbrennstoffe (Uran), Biomassen (Holz u. a.). Der Energieverbrauch ist weltweit sehr unterschiedlich und in den Industrieländern um ein vielfaches höher als z. B. in der dritten Welt. In industriell hoch entwickelten Ländern haben sich seit dem 19. Jahrhundert Unternehmen mit der Erzeugung und Bereitstellung von Energie für den allgemeinen Verbrauch beschäftigt. Hierbei steht die zentrale Erzeugung von elektrischer Energie sowie die Übertragung an die einzelnen Verbraucher im Vordergrund. Weiterhin ist die Beschaffung, der Transport und die Verwandlung von Brennmaterial zu Heizzwecken ein wichtiger Wirtschaftszweig. Ca. 40 Prozent des weltweiten Energiebedarfes wird durch elektrische Energie gedeckt. Spitzenreiter im Verbrauch dieses Anteils sind mit ca. 20 Prozent elektrische Antriebe. Danach ist die Beleuchtung mit 19 Prozent, die Klimatechnik mit 16 Prozent und die Informationstechnik mit 14 Prozent am weltweiten elektrischen Energiebedarf beteiligt. (
- ) Energie kann nicht im eigentlichen Sinne verbraucht werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. (Energieerhaltungssatz)

Energieträger

Hauptartikel: Energieträger

Erschöpfliche Energieträger

Fossile Energieträger

- Kohle (Steinkohle, Braunkohle)
- Torf
- Erdöl
- Ölsande/Ölschiefer
- Erdgas
- Gashydrat (noch ungenutzt auf dem Meeresboden) (alles chemische Energie)

Kernbrennstoffe

- Uran (Kernspaltung)
- Plutonium (Kernspaltung)
- Wasserstoff (Deuterium und Tritium in Kernfusionsreaktoren) (alles Kernenergie)

Erneuerbare Energieträger

(siehe auch Erneuerbare Energie)
- Bioenergie/Biomasse (chemische Energie)
- Geothermie (thermische Energie)
- Solarenergie (Strahlungsenergie)
- Wasserkraft (potentielle und kinetische Energie)
- Windenergie (kinetische Energie)

Formeln

- Potenzielle Energie im Gravitationsfeld:

E_ \approx m \cdot g \cdot h = F_G \cdot h

ist gleich Gewichtskraft mal Höhe. Diese Formel ist im Schwerefeld eines Himmelskörpers mit Radius

R_p

nur eine Näherung, genauer ist:

E_ = mgh\frac

.
- Potenzielle Energie einer gespannten Feder:

E_ = \cdot D \cdot s^2

, wobei D die Federkonstante und s die Auslenkung der Feder aus der Ruhelage ist.
- Energie eines elektrischen Feldes:

E = \frac

, wobei Q die Ladung und C die Kapazität ist.
- Äquivalenz von Masse und Energie:

E = m c^2 = \frac

, wobei

m_0

die Ruhemasse des Körpers und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
- Nach dem Welle-Teilchen-Dualismus ist Strahlungsenergie

E = h \cdot f

, wobei h das Planck’sche Wirkungsquantum und

f

die Frequenz ist.
- Klassische kinetische Energie:

E_ = \frac \cdot m \cdot v^2

- Relativistische kinetische Energie:

E_ = E - E_0 = \frac - m_0 \cdot c^2 = m_0 c^2\left(\frac - 1\right)

- Energie eines Erdbebens:

E=10^

, wobei M die Magnitude auf der Richterskala ist und E die Einheit „Tonnen TNT“ besitzt.
- Arbeit (Energieänderung)

W = \Delta E = \int P(t)dt

, wobei P die Leistung und t die Zeit ist. Bemerkungen: 1. Die hier aufgeführten "Formeln" sind die Definitionen der verschiedenen Energien als Zustandsgrößen. Formeln, z. B. die für den freien Fall, sind die mathematische Darstellung für den Vorgang. 2. Für alle Energiedefinitionen wird ein großes E für Energie verwendet, obwohl in einigen Fällen nicht Energien E, sondern bezogene Energien e definiert werden. Die "Federenergie" ist die auf eine Feder bezogene Energie e =E/Feder. Die "Strahlungsenergie" ist die auf auf ein Photon bezogene Energie e = E/Photon. Jede Energieform Ej besteht aus einer Quantitätgröße Mj und der bezogenen Energie ej : Ej = Mj ej. Nur die so definierten Energieformen Ej treten primär in Energiebilanzen auf. 3. Arbeit ist keine energetische Zustandsgröße, wie die anderen hier definierten Energieformen. Arbeit ist eine Vorgangsgröße, die eine Energieänderung in einem System bewirken kann. Eine andere übliche Definition ist Arbeit ist

W =\int F dx

Einheit

Die SI-Einheit der Energie ist das Joule. 1 J = 1 Nm = 1 Ws = 10⁷ erg = 0,2388 cal = 0,102 kpm = 0,2778·10^-6 kWh

Größenordnungen

Die folgende Aufstellung soll helfen, ein Gefühl für die Größenordnungen von Energie zu erhalten. Der Hauptartikel findet sich unter Größenordnung (Energie). ; 1 J = 1 Ws = 1 Nm : potentielle Energie, die beim Anheben einer Schokoladentafel (ca. 100 g) um 1 Meter in dieser gespeichert wird. ; 1,0·10⁰ J = 10^-3 kJ : ungefährer täglicher körperlicher Energieumsatz eines Menschen. ; 3,6·10⁶ J = 3600 kJ = 3600 kWs = 1 kWh : Abrechungseinheit für Strom, Gas usw. ; 2,9·10⁷ J = 8,141 kWh = 1 kg SKE : eine Steinkohleeinheit entspricht der Energiemenge, die beim Verbrennen von 1 kg Steinkohle umgewandelt wird. Dies ist ein gängiges Maß bei der Angabe von Primärenergie-Mengen. (1998 betrug der weltweite Primärenergie-Umsatz 14,1 Gt SKE = 390·10¹⁸ J) ; 1 eV = 1,602 176 462(63) · 10^-19 J : Die Einheit Elektronvolt wird unter anderem in der Festkörper-, Kern- und Elementarteilchenphysik verwendet. Ein Photon von violettem Licht hat eine Energie von ca 3 eV, eines von rotem ca. 1,75 eV.

Siehe auch

- Größenordnung (Energie) - eine wertmäßige Zusammenstellung von alltäglichen und unalltäglichen Energien, die uns umgeben, ideal um Größenvergleiche aufzustellen.
- Energieerhaltung
- Energieeinsparung
- Energiemix
- Nutzpflanzen#Energie und Kraftstoffe liefernde Pflanzen

Weblinks

- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=021110.rm Was ist Energie?] Real Video (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph09/materialseiten/06_energie.htm Versuche und Aufgaben zur Energie]
- [http://www.energie-evolution.de/ Beschreibung von regenerativen Energiequellen]
- [http://www.rettet-unsere-welt.de/index.php?page=wissen&p2=geraete_leistungen Energiebedarf einiger typischer Haushaltsgeräte]
- [http://www.energie-zeitung.de/ Energie sparen, Heizung,Geothermie und Wärmepumpe]
- [http://www.hellfirez.de/web/referate/inhalte/Physik_Energie.htm Erzeugung von elektrischer Energie allgemein und anhand verschiedener Beispiele]
- [http://www.erdwaerme-zeitung.de/ Infos über Erdwärmeheizung und Geothermie]
- http://www.greenribbonpledge.com (engl.) Kategorie:Physik Kategorie:Erneuerbare Energie ja:エネルギー ko:에너지 ms:Tenaga simple:Energy th:พลังงาน

Platin

Platin ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Pt und der Ordnungszahl 78. Platin ist ein schweres, schmiedbares, dehnbares, edles, grau-weißes Übergangsmetall. Platin ist sehr korrosionsbeständig und wird zur Herstellung von Schmuckwaren, Laborgeräten, Zahnimplantaten, Kontaktwerkstoffen und Katalysatoren verwendet.

Geschichte

Platin wurde schon vor der Entdeckung Amerikas durch Kolumbus von den Indianern Südamerikas benutzt. Der Name leitet sich vom spanischen Wort platina, der Kleinerungsform von plata "Silber", ab. Die erste europäische Referenz stammt von dem italienischen Humanisten Julius Caesar Scaliger (1484-1558). Er beschreibt ein mysteriöses weißes Metall, das sich allen Schmelzversuchen entzog. Eine ausführlichere Beschreibung der Eigenschaften findet sich in einem 1748 veröffentlichten Bericht von Antonio da Ulloa. Das Problem der Platinschmelze wurde im 19. Jahrhundert von dem deutschen Chemiker Heraeus gelöst.

Vorkommen

Südafrika, Russland (vor allem nördlicher Ural), Kanada und Kolumbien.

Gewinnung und Darstellung

Metallisches Platin (Platinseifen) wird heute praktisch nicht mehr abgebaut. Platinbergwerke gibt es nur in Südafrika (Transvaal).
Platinquellen sind auch die Buntmetallerzeugung (Kupfer und Nickel) in Sudbury (Ontario) und Norilsk (Russland). Hier fallen die Platingruppenmetalle als Nebenprodukt an. Als Platinnebenmetall bezeichnet man fünf Metalle, die in ihrem chemischen Verhalten dem Platin so ähneln, dass die Trennung und Reindarstellung ursprünglich große Schwierigkeiten machte. 1803 wurden Iridium, Osmium, Palladium, Rhodium, und 1844 wurde Ruthenium entdeckt.

Eigenschaften

Das sehr korrosionsbeständige, schmiedbare und weiche Schwermetall zeigt im reinen, polierten Zustand den sog. Dunkelglanz. Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff und andere Gase werden von Platin im aktivierten Zustand gebunden. Es besitzt daher sehr bemerkenswerte katalytische Eigenschaften; Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in seiner Anwesenheit explosiv miteinander zu Wasser. Allerdings werden Platinkatalysatoren schnell durch Alterung und Verunreinigungen inaktiv (vergiftet).
Die hohe Haltbarkeit und Anlaufbeständigkeit und Seltenheit eignen Platin besonders zur Herstellung von hochwertigen Schmuckwaren.
Platin zeigt, wie auch die anderen Metalle der Platingruppe, ein widersprüchliches Verhalten. Einerseits ist es edelmetalltypisch chemisch träge, andererseits hochreaktiv, katalytisch-selektiv gegenüber bestimmten Substanzen und Reaktionsbedingungen. Auch bei hohen Temperaturen zeigt Platin ein stabiles Verhalten. Es ist daher für viele industrielle Anwendungen interessant.
In Salz- und Salpetersäure ist es unlöslich. Von Königswasser wird es unter Bildung von rotbrauner Hexachloroplatin(IV)-säure angegriffen. Auch von Alkali-, Peroxid-, Nitrat-, Cyanid- und anderen Salzschmelzen wird Platin angegriffen. Viele Metalle bilden mit Platin Legierungen, beispielsweise Eisen, Nickel, Kupfer, Kobalt, Gold, Wolfram, Gallium, Zinn, etc. Besonders hervorzuheben ist, dass Platin zum Teil unter Verbindungsbildung mit heißem Schwefel, Phosphor, Bor, Silicium, Kohlenstoff in jeder Form reagiert, das heißt auch in heißen Flammengasen. Auch viele Oxide reagieren mit Platin, weshalb auch nur bestimmte Werkstoffe als Tiegelmaterial eingesetzt werden können. Beim Schmelzen des Metalls mit beispielsweise Propan-Sauerstoff muss deshalb mit neutraler bis schwachoxidierender Flamme gearbeitet werden. Beste Möglichkeit ist das flammenfreie elektrisch-induktive Heizen des Schmelzgutes in Zirkonoxidkeramiken.

Verwendung

Aufgrund ihrer Verfügbarkeit und der hervorragenden Eigenschaften eignen Platin und Platinlegierungen sich hervorragend für zahlreiche unterschiedliche Einsatzgebiete. So ist Platin ein favorisiertes Material zur Herstellung von Laborgeräten. Da Platin keine Flammenfärbung erzeugt, werden z.B. dünne Platindrähte verwendet, um Stoffproben in die Flamme eines Bunsenbrenners zu halten. Platin wird darüber hinaus in einer nahezu unüberschaubare Anzahl von Bereichen verwendet:
- Schmuckwaren
- Thermoelemente
- Heizleiter
- Kontaktwerkstoffe
- Katalysatoren
- Wasserstoffspeicher
- Magnetwerkstoffe
- Chemischer Apparatebau
- Schmelztiegel für die Glasherstellung
- Glaseinschmelzlegierungen
- Medizinische Implantate, Zahnersatz
- Herzschrittmacher
- Schubdüsen, Verkleidungen für Raketen
- Arzneimittel gegen Krebs (Cytostatika, beispielsweise Cisplatin)
- Schreibfedern
- Spinndüsen
- Platinspiegel (Spiegel und Glasfenster die nur auf der vom Glas abgewandten Seite reflektieren.)
- Döbereinersches Feuerzeug (hist.) Das Internationale Kilogrammprototyp, das in einem Tresor des Internationalen Büros für Gewichte und Maße (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt wird, besteht aus einer Legierung von 90% Platin und 10% Iridium.
Aus der selben Legierung besteht das Internationale Meterprototyp von 1889, das bis 1960 das Meter definierte.

Sicherheitshinweise

Platin ist normalerweise nicht gesundheitsschädigend. Seine Verbindungen sollten als hochtoxisch angesehen werden. Einige Platinverbindungen (z.B. Cisplatin, Carboplatin) werden zur Chemotherapie gegen Krebs eingesetzt.

Verbindungen

- Platin(VI)-oxid (PtO₃)
- Platin(II)-chlorid (PtCl₂)
- Tetrachloroplatin(II)-säure (H₂PtCl₄)
- Hexachloroplatin(IV)-säure (H₂PtCl₆)
- Platin(IV)-fluorid (PtF₄)
- Platin(V)-fluorid (PtF₅)
- Platin(VI)-fluorid (PtF₆)
- Platin(II)-bromid (PtBr₂)
- Platin(IV)-bromid (PtBr₄)
- Platin(II)-iodid (PtI₂)
- Platin(IV)-iodid (PtI₄) Ein Beispiel für eine Verbindung mit Platin in der Oxidationstufe 0 ist
- Tetrakis(triphenylphosphin)platin (Pt(PPh₃)₄)

Weblinks

- [http://periodic.lanl.gov/elements/78.html Los Alamos National Laboratory - Platinum]
- [http://www.vanderkrogt.net/elements/elem/pt.html A balanced his