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Rechnen: Kernenergie

Ein Atomkern ist leichter als die Summe seiner Bausteine. Der fehlende Teil, der Massendefekt, steckt als Energie im Kern — E = Δm · c².

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Einstieg — Wenn Masse verschwindet

Die kürzeste Formel der Physik — und die mit den größten Zahlen.

Ein Atomkern ist leichter als die Summe seiner einzeln gewogenen Bausteine.

  • Massendefekt:So heißt die fehlende Masse, sie bekommt das Zeichen Δm (sprich „Delta m“).
  • Wo sie bleibt:Genau dieser fehlende Teil steckt als Energie im Kern.
  • Einsteins Aussage:Masse und Energie sind zwei Seiten derselben Sache.
  • Größenordnung:Aus einem Gramm Masse wird so viel Energie, wie ein Haushalt in Jahrtausenden verbraucht.
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Erklärung — E = Δm · c² — und warum die Zahlen so groß werden

Zwei Größen, ein Quadrat — und eine Konstante, die alles sprengt.

Die Formel

Albert Einstein zeigte 1905, dass Masse selbst eine Form von Energie ist.

  • Masse weg:Verschwindet ein Stück Masse, erscheint dafür Energie.
  • Und umgekehrt:Wird Energie gespeichert, nimmt die Masse zu.
  • Umrechnung:Den Wechselkurs zwischen beiden liefert die folgende Formel.
Energie aus einem Massendefekt
E = Δm · c²
E

Freiwerdende Energie in Joule (J).

Δm

Massendefekt, also die fehlende Masse, in Kilogramm (kg).

c

Lichtgeschwindigkeit, gerundet 300 000 000 m/s.

Der eigentliche Grund für die riesigen Zahlen ist das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit.

Der Faktor c²
c² = (3 · 108 m/s)² = 9 · 1016 m²/s²

90 000 000 000 000 000 — jedes Kilogramm Massendefekt liefert diese Zahl an Joule.

Ein Vergleich mit der Bewegungsenergie macht den Unterschied deutlich.

  • Dort:Bei E = ½ · m · v² ergibt schon v = 30 m/s den Faktor 900.
  • Hier:Statt v steht die Lichtgeschwindigkeit in der Formel.
  • Folge:Sie ist zehn Millionen Mal größer, darum sprengen die Ergebnisse jede Alltagsgröße.

Rechnen mit Zehnerpotenzen

Mit so großen Zahlen rechnet man nicht ausgeschrieben, sondern mit Zehnerpotenzen.

  • Aufbau:Jede Zahl besteht aus einer Vorzahl und einer Zehnerpotenz.
  • Multiplizieren:Vorzahlen malnehmen, Exponenten addieren.
  • Dividieren:Vorzahlen teilen, Exponenten subtrahieren.
Beispiel
2 · 10−3 · 9 · 1016 = 18 · 1013 = 1,8 · 1014

Wird die Vorzahl größer als 10, verschiebt man das Komma und erhöht den Exponenten um 1.

Die Einheitenprobe

Einheiten einsetzen
kg · m²/s² = (kg · m/s²) · m = N · m = J

Kilogramm mal Beschleunigung ergibt Newton — am Ende bleibt also wieder Joule.

Woher kommt der Massendefekt?

Ein Massendefekt tritt immer dann auf, wenn Atomkerne umgebaut werden.

  • Kernspaltung:Ein schwerer Kern zerbricht in zwei leichtere Kerne.
  • Kernfusion:Zwei leichte Kerne verschmelzen zu einem schwereren Kern.
  • Gemeinsam:Die Produkte wiegen zusammen etwas weniger als die Ausgangsstoffe.
  • Ergebnis:Genau dieser Massenunterschied wird als Energie frei.

Musterrechnung in drei Stufen

Erst vollständig vorgerechnet, dann mit Lücken, dann allein.

Stufe 1 · vollständig vorgerechnet

Aufgabe: Bei einem Vorgang verschwindet 1 g Masse. Wie viel Energie wird frei?

1Gegeben und gesucht: Δm = 1 g; gesucht: E
2Einheiten prüfen: Gramm müssen in Kilogramm.Δm = 1 g : 1000 = 0,001 kg = 1 · 10−3 kg
3Einsetzen:E = 1 · 10−3 kg · 9 · 1016 m²/s² = 9 · 1013 J
4In Kilowattstunden:9 · 1013 J : 3 600 000 = 25 000 000 kWh
5Antwort: Ein einziges Gramm liefert 9 · 1013 J — genug, um rund 8000 Haushalte ein ganzes Jahr lang mit Strom zu versorgen.
Stufe 2 · zwei Schritte fehlen

Aufgabe: In der Sonne verschwinden durch Kernfusion jede Sekunde etwa 4 · 109 kg Masse. Welche Leistung strahlt die Sonne dadurch ab?

1Gegeben: Δm = 4 · 109 kg pro Sekunde; gesucht: E pro Sekunde
2Vorzahlen: 4 · 9 = ?
3Exponenten addieren:E = ? · 10(9 + 16) J = ? · 1026 J
4Kontrolle: Es müssen 3,6 · 1026 J herauskommen. Denk daran, aus 36 · 1025 wird 3,6 · 1026.
Stufe 3 · jetzt du allein

Aufgabe: Ein Kraftwerk liefert in einem Jahr 1,8 · 1016 J. Welchen Massendefekt bräuchte man, um genau diese Energie zu erzeugen?

!Stelle die Formel nach Δm um: Δm = E : c². Bei der Division werden die Exponenten subtrahiert.
Lösung anzeigen

Δm = 1,8 · 1016 J : (9 · 1016 m²/s²) = 0,2 · 100 kg = 0,2 kg

Es wären 200 Gramm nötig — weniger als eine Tafel Schokolade, für ein ganzes Kraftwerksjahr.

Aus dem Unterricht

E = m · c² mit ausgeschriebenen Zahlen

Im Unterricht haben wir die Ergebnisse bewusst einmal komplett ausgeschrieben.

  • Gerundet:Wir haben mit c = 300.000.000 m/s gerechnet.
  • Ausgeschrieben:So sieht man, wie groß die Zahlen wirklich sind.
  • Später:In der Klassenarbeit sind Zehnerpotenzen die kürzere Schreibweise.
Schreibweise aus dem Unterricht
E = m · c²
E

Energie in Joule (J).

m

Umgewandelte Masse in Kilogramm (kg).

c

Lichtgeschwindigkeit, im Unterricht gerundet auf 300.000.000 m/s.

Die beiden Rechnungen von der Tafel

1 g = 0,001 kg:  E = 0,001 · 300.000.000² = 90.000.000.000.000 Jdie 9 mit 13 Nullen
5 mg = 0,000005 kg:  E = 0,000005 · 300.000.000² = 450.000.000.000 Jdie 45 mit 10 Nullen

Umstellen nach der Masse

E = m · c²| : c²
m = E : c²
Beispiel: m = (1,8 · 1013 J) : (300.000.000 m/s)² = 0,0002 kg = 0,2 g
Die Masse gehört in Kilogramm — Gramm und Milligramm zuerst umrechnen, sonst ist das Ergebnis tausend- oder millionenfach zu groß.
Quadriert wird c, nicht m — 300.000.000² = 9 · 1016, und diese Zahl ist der Grund für die riesigen Ergebnisse.

Unterrichtsmitschrift 1.3.5 Kernenergie

Interaktiv: Die Massen-Skala

Zahlen wie 9 · 1013 sagen erst einmal gar nichts. Auf der Skala im Applet siehst du dagegen sofort, wo eine Energie landet: Jeder Strich weiter rechts bedeutet das Zehnfache. Die grünen Punkte sind Vergleichswerte aus dem Alltag.

Die Massen-Skala

Der Zeiger wandert über eine Energieskala, auf der jeder Schritt nach rechts das Zehnfache bedeutet.

Δm = 0,001 kg · c² = 9 · 10⁶ m²/s²
Der Massendefekt steht auf dem Startwert.

Zwei Dinge fallen auf. Erstens: Schon ein Mikrogramm — eine Masse, die keine Küchenwaage anzeigt — liegt energetisch bei mehreren Litern Benzin. Zweitens: Die Skala ist keine gewöhnliche Achse. Von 1 mg auf 1 g ist es nur ein kurzes Stück nach rechts, obwohl die Energie tausendmal größer wird. Genau deshalb rechnet man hier mit Zehnerpotenzen statt mit ausgeschriebenen Zahlen.

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Hinweise — Damit nichts schiefgeht

Drei Stellen, an denen es bei E = Δm · c² oft hakt:

Hinweis

Der Massendefekt gehört in Kilogramm in die Formel: Gramm : 1000, Milligramm : 1 000 000.

Hinweis

Prüfe, ob c wirklich quadriert wurde: Der Faktor ist 9 · 1016, nicht 3 · 108.

Hinweis

Beim Malnehmen werden die Exponenten addiert, beim Teilen subtrahiert; die Vorzahl steht am Ende zwischen 1 und 10.

Videos zur Kernenergie