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Exotherm

Exotherm

Exotherm nennt man in der Chemie solche chemischen Reaktionen, bei denen Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Man nennt auch Reaktionen, bei denen Energie freigesetzt wird, exotherm (Wärme ist thermische Energie, die eine Systemgrenze überschreitet). Typische exotherme Reaktionen sind die Verbrennung fossiler oder nachwachsender Brennstoffe. In der Kernphysik bezeichnet man eine Kernfusion oder eine Kernspaltung, die Energie in Form von Wärme abgibt, als exotherm. Eine klassische exotherme Kernfusion ist das Wasserstoffbrennen, wie es in der Sonne geschieht. Siehe auch: endotherm, exergon ---- Unterscheide: ektotherm :In der Biologie nennt man Poikilotherme (Wechselwarme) Pflanzen und Tiere auch ektotherm. Das sind Lebewesen, deren Körpertemparatur durch die Außentemperatur gesteuert wird. Dazu gehören hauptsächlich Reptilien, Insekten, n Amphibien, fast alle Fische und praktisch alle Pflanzen. Siehe dazu auch Thermoregulation. Kategorie:Chemie Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Ökologie Kategorie:Physiologie

Chemie

Die Chemie (von arabisch al-kimiya' ) ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung der chemischen Elemente und ihren Verbindungen sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten. Die Chemie entstand in ihrer heutigen Form als exakte Naturwissenschaft im 17. und 18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Schlußfolgerns auf Beobachtungen und Experimente der Alchemie. Einige der ersten großen Chemiker waren Robert Boyle, Humphry Davy, Jöns Jacob Berzelius, Joseph Louis Gay-Lussac, Joseph-Louis Proust, Marie und Antoine Lavoisier und Justus von Liebig. Justus von Liebig

Was ist Chemie?

Definition

Die Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit Stoffen (Substanzen), deren Umsetzung(en) (chemischen Reaktionen), sowie der Darstellung (Synthese), der Bestimmung und der Anwendung dieser Stoffe (bzw. deren Eigenschaften) beschäftigt. Da die für die Chemie relevanten Eigenschaften der Atome fast ausschließlich in ihrer elektronischen Struktur (Elektronenhülle) begründet liegen, können grundlegende Aufgabengebiete der Chemie auch als „Physik der äußeren Elektronenhülle“ betrachtet werden. Der Atomkern hat praktisch keinen Einfluss auf chemische Prozesse. Untersuchungen zum Aufbau von Atomkernen fallen nicht in den Bereich der Chemie, sondern sind Bestandteil der Kernphysik.

Stoff und Stoffumsetzung

Die chemisch kleinsten Grundbausteine, aus denen alle uns umgebenden Materialien bestehen, sind die Elemente, welche sich zu chemischen Verbindungen zusammenschließen. Eine Stoffumsetzung nennt man chemische Reaktion; sie steht im Zentrum der Chemie. In einer chemischen Reaktion kommt es niemals zu Elementumwandlungen, was die Chemie als Naturwissenschaft grundsätzlich von der mittelalterlichen Vorstellung der Alchemie abgrenzt. Elementumwandlungen sind rein physikalische Prozesse (z.B. radioaktiver Zerfall).

Atom und Molekül

Alchemieen umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen]] Atome sind für den Chemiker die Grundbausteine der Materie, da sie sich chemisch nicht in kleinere Einheiten spalten lassen. Ein chemisches Element besteht aus Atomen mit einer bestimmten Anzahl an Protonen im Kern. Chemische Elemente können dennoch aus verschiedenen Atomen (Isotope) bestehen, die sich in der Anzahl an Neutronen im Kern unterscheiden. Verschiedene Isotope zeigen gleiches chemisches, aber unterschiedliches physikalisches Verhalten (z.B. Siedepunkt, Schmelzpunkt). Die chemischen Elemente können in mannigfaltiger Weise chemische Bindungen untereinander eingehen. Dann spricht man von einer chemischen Verbindung. Je nach Polarität der Bindung zwischen den Elementen unterscheidet man unpolare kovalente Bindungen, polare kovalente Bindungen und ionische Bindungen, in denen mindestens ein Elektron der miteinander eine chemische Verbindung eingehenden Elemente oder Moleküle ganz bei einem Bindungspartner lokalisiert ist. Verbindungen, in denen die Elemente kovalent miteinander gebunden sind nennt man Moleküle. Verbindungen, die ionisch aufgebaut sind, nennt man Salze. Von Molekülionen spricht man, wenn elektrisch geladene Moleküle vorliegen. Des weiteren spricht man von einer metallischen Bindung, wenn die äußeren Elektronen, die für eine chemische Bindung zur Verfügung stehen, zwischen den Atomen delokalisiert und frei beweglich sind. Die chemischen Elemente selbst liegen als Metalle, als Moleküle (z.B. die zweiatomigen Gase der 2. Periode: O₂, N₂, F₂) oder als Atome (ausschließlich die Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe und Rn) vor. Die Art und Weise, wie sich die Atome eines Elementes verbinden, kann dabei immer noch unterschiedlich sein und zu so unterschiedlichen Substanzen wie Graphit und Diamant führen, beides Modifikationen elementaren Kohlenstoffs. Auch kann ein Element als eine metallische und als eine Modifikation mit kovalenten Bindungen vorliegen, z.B. Zinn. Für die chemischen Eigenschaften einer Verbindung ist es jedoch nicht nur entscheidend, welche Atome sie enthält, sondern wie diese miteinander verbunden sind (siehe Chemische Bindung). Bei bestimmten chemischen Verbindungen, vor allem bei Proteinen, sind nicht nur die Bindungen zwischen den Atomen maßgeblich für die chemischen Eigenschaften sondern auch die räumliche Ausrichtung dieser Bindungen. Die Herausforderung bei der chemischen Synthese besteht in der Regel darin, selektiv Bindungen zwischen einzelnen Atomen der Reaktandmoleküle zu lösen und/oder zu knüpfen, um dadurch eine gewünschte Substanz (Reaktionsprodukt) herzustellen.

Bedeutung der Chemie

Geschichte der Chemie

Hauptartikel: Geschichte der Chemie Die Chemie entwickelte sich aus der Alchemie, die in China, Europa und Indien schon seit Jahrtausenden praktiziert wurde. Alchemie war die Untersuchung von Materie, wobei die Vorstellungswelt der Alchemisten nicht auf wissenschaftlichen Untersuchungen basierte, sondern auf Erfahrungstatsachen und empirischen Rezepten. Das Ziel ihrer Untersuchungen war eine Substanz mit dem Namen Stein der Weisen, die Stoffe wie Blei in Gold verwandeln sollte. Alchemisten führten eine große Auswahl Experimente mit vielen Substanzen durch, um diesen Stoff zu finden. Sie notierten ihre Entdeckungen und verwendeten für ihre Aufzeichnungen die gleichen Symbole, wie sie auch in der Astrologie üblich waren. Die mysteriöse Art ihrer Tätigkeit und die dabei fabrizierten farbigen Flammen, Rauch oder Explosionen führten dazu, dass sie als Magier und Hexer bekannt und teilweise verfolgt wurden. Für ihre Experimente entwickelten die Alchemisten die gleichen Apparaturen, wie sie heute noch in der chemischen Verfahrenstechnik verwendet werden. Ein bekannter Alchemiker war Albertus Magnus. Er befasste sich als Kleriker mit diesem Themenkomplex und fand bei seinen Experimenten ein neues chemisches Element, das Arsen. Kein Alchemiker hat allerdings je den Stein der Weisen entdeckt und im 17. Jahrhundert wurde die alchemistische Arbeitsweise durch wissenschaftliche Methodik ersetzt. Einiges vom Wissen der Alchemisten wurde von den ersten Chemikern verwendet, die ihre Arbeit auf logische Schlussfolgerungen ihrer Beobachtungen gründeten und nicht auf der Idee, beispielsweise Blei in Gold zu verwandeln. wissenschaft Entscheidende Impulse erhielt die Chemie als Wissenschaft im 19. Jahrhundert. Die Arbeiten von Justus von Liebig über die Wirkungsweise von Dünger begründeten die Agrarchemie und lieferten wichtige Erkenntnisse über die anorganische Chemie. Die Suche nach einem synthetischen Ersatz für den Farbstoff Indigo zum Färben von Textilien waren der Auslöser für die bahnbrechenden Entwicklungen der organischen Chemie und der Pharmazie. Auf beiden Gebieten hatte man in Deutschland bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts eine absolute Vorrangstellung. Dieser Wissensvorsprung ermöglichte es beispielsweise, den zur Führung des ersten Weltkrieges notwendigen Sprengstoff statt aus importierten Nitraten mit Hilfe der Katalyse aus dem Stickstoff der Luft zu gewinnen (siehe Haber-Bosch-Verfahren). Die Autonomiebestrebungen der Nationalsozialisten gaben der Chemie als Wissenschaft weitere Impulse. Um von den Importen von Erdöl unabhängig zu werden, wurden Verfahren zur Verflüssigung von Steinkohle entwickelt (Fischer-Tropsch-Synthese). Ein weiteres Beispiel war die Entwicklung von synthetischem Kautschuk für die Herstellung von Fahrzeugreifen. In der heutigen Zeit ist die Chemie ein wichtiger Bestandteil der Lebenskultur geworden. Chemische Produkte umgeben uns überall, ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Allerdings haben Unfälle der chemischen Großindustrie wie beispielsweise die von Seveso und Bhopal der Chemie ein sehr negatives Image verschafft, so dass Slogans wie "Weg von der Chemie!" sehr populär werden konnten. Die Forschung entwickelte sich um die Wende zum 20. Jahrhundert soweit, dass vertiefende Studien des Atombaus nicht mehr zum Bereich der Chemie gehören, sondern zur Atomphysik bzw. Kernphysik. Diese Forschungen lieferten dennoch wichtige Erkenntnisse über das Wesen der chemischen Stoffwandlung und der chemischen Bindung. Weitere wichtige Impulse gingen dabei auch von Entdeckungen in der Quantenphysik aus (Elektronen-Orbitalmodell).

Chemie im Alltag

Chemische Reaktionen im Alltag finden zum Beispiel beim Kochen, Backen oder Braten statt, wobei oft gerade die hier ablaufenden, recht komplexen Stoffumwandlungen zum typischen Aroma der Speise beitragen. Weiterhin wird Nahrung chemisch zerlegt und mit körpereigenen Abbauvorgängen in Bestandteile und auch Energie umgewandelt (Biochemie). Eine gut beobachtbare chemische Reaktion ist die Verbrennung. Haarfärbung, Verbrennungsmotoren, Handy-Displays, Waschmittel, Dünger, Arzneimittel u.v.m. sind weitere Beispiele für Anwendungen der Chemie im alltäglichen Leben. Im Alltag wird der Begriff 'Chemie' oft in einem eingeschränkten Sinn als Abkürzung für 'Produkt der chemischen Industrie' verwendet, zum Beispiel bei der 'Chemischen Reinigung': Diese reinigt Textilien mit (synthetischen) Lösungsmitteln. Der Reinigungsvorgang selbst ist in der Regel ein Lösen der Verunreinigung (beispielsweise eines Fettflecks) im Lösungsmittel und damit kein chemischer Prozess (Stoffumwandlung) im eigentlichen Sinne, sondern ein physikalischer Vorgang (Lösen)! Im Gegensatz dazu ist das manchmal als 'Putzen ohne Chemie' gepriesene Auflösen von Kalkflecken mit Essig oder Zitronensaft sehr wohl ein chemischer Vorgang, da dabei festes Calciumcarbonat (Kalk) durch die Säuren zu löslichem Hydrogencarbonat bzw. Kohlenstoffdioxid umgesetzt wird.

Chemie als Wissenschaft

Die Chemie befasst sich mit den Eigenschaften der Elemente und Verbindungen, mit den möglichen Umwandlungen eines Stoffes in einen anderen, macht Vorhersagen über die Eigenschaften für bislang unbekannte Verbindungen, liefert Methoden zur Synthese neuer Verbindungen und Messmethoden um die chemische Zusammensetzung unbekannter Proben zu entschlüsseln. Obwohl alle Stoffe aus vergleichsweise wenigen "Bausteinsorten", nämlich aus etwa 80 bis 100 der 118 bekannten Elemente aufgebaut sind, führen die unterschiedlichen Kombinationen und Anordnungen der Elemente zu einigen Millionen sehr unterschiedlichen Verbindungen, die wiederum so unterschiedliche Materieformen wie Wasser, Sand, Pflanzen- und Tiergewebe aufbauen. Die Art der Zusammensetzung bestimmt schließlich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Stoffe und macht damit die Chemie zu einer recht umfangreichen Wissenschaft.
Wie in allen Naturwissenschaften ist auch in der Chemie das Experiment die tragende Säule. An ihm werden Theorie über die Art der Umwandlung eines Stoffes in einen anderen Stoff entworfen, überprüft, erweitert und wenn nötig auch verworfen. Fortschritte in den verschiedenen Teilgebieten der Chemie sind oftmals die unabdingbare Voraussetzung für neue Erkenntnisse in anderen Disziplinen, besonders in den Bereichen Biologie und Medizin, aber auch im Bereich der Physik (zum Beispiel Herstellung neuer Supraleiter). An der Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie hat sich als weites Fachgebiet die Biochemie etabliert, die für das Verständnis der Lebensvorgänge, die untrennbar mit Stoffumsätzen verbunden sind, unentbehrlich ist. Dieser Sachverhalt wird manchmal mit dem Satz "Alles Leben ist Chemie" zum Ausdruck gebracht, da die meisten 'greifbaren' und messbaren Vorgänge im lebenden Organismen auf chemischen Reaktionen beruhen. Für die Medizin ist die Chemie bei der Suche nach neuen Medikamenten und bei der Herstellung von Arzneimitteln unentbehrlich. Die Ingenieurwissenschaften suchen häufig je nach Anwendung nach maßgeschneiderten Materialien (leichte Materialien im Flugzeugbau, beständige und belastbare Baustoffe, hochreine Halbleiter...). Hier hat sich als Schnittstelle zwischen Chemie und den Ingenieurswissenschaften die Materialwissenschaft entwickelt.

Wirtschaftliche Bedeutung der Chemie

Die chemische Industrie ist - gerade auch in Deutschland - ein sehr bedeutender Wirtschaftszweig: In Deutschland liegt der Umsatz der Chemieindustrie bei über 100 Milliarden Euro, die Zahl der Beschäftigten lag nach der Wiedervereinigung Deutschlands bei über 700 000 und ist jetzt unter 500 000 gesunken. Sie stellt einmal Grundchemikalien wie beispielsweise Schwefelsäure oder Ammoniak her - oft im Maßstab von Millionen von Tonnen jährlich -, die sie dann zum Beispiel zur Produktion von Düngemitteln und Kunststoffen verwendet. Andererseits produziert sie viele komplexe Stoffe, insbesondere Medikamente, maßgeschneidert für spezielle Zwecke. Auch die Herstellung von Computern, Kraft- und Schmierstoffen für die Automobilindustrie und vielen anderen technischen Produkten ist ohne industriell hergestellte Chemikalien unmöglich.

Ansehen der Chemie

Die Chemie hat in der Öffentlichkeit - auch aufgrund von Chemiekatastrophen und Umweltskandalen - ein relativ schlechtes Ansehen. Viele Fachleute empfinden dies angesichts des Nutzens und der allgemeinen Bedeutung der Chemie und bezogen auf die heutige Situation in Europa für nicht gerechtfertigt, weil hier unter anderem durch eine ziemlich strikte Gesetzgebung (Chemikaliengesetz, Gefahrstoffverordnung) eine vergleichsweise sichere Handhabung von Chemikalien gewährleistet ist. Um dem entgegenzuwirken, wurde das Jahr 2003 von verschiedenen Trägerorganisationen zum "Jahr der Chemie" ([http://www.jahr-der-chemie.de Netseite]) erklärt.

Fachrichtungen

Üblicherweise wird die Chemie in drei große Bereiche eingeteilt.
- Anorganische Chemie (Chemie der Elemente und der Verbindungen ohne Kohlenstoffkette)
- Organische Chemie (Chemie der Kohlenstoffverbindungen)
- Physikalische Chemie (Anwendung mathematisch-physikalischer Methoden auf chemische Problemstellungen) Die traditionelle aber auch etwas willkürliche Unterscheidung zwischen anorganischer und organischer Chemie wird auch heute noch beibehalten. Ein Grund besteht darin, dass die organische Chemie stark vom Molekül bestimmt wird, die anorganische Chemie oft von Ionen, Kristallen, Komplexverbindungen und Kolloiden. Ein Gebiet, in dem sich die beiden Fachbereiche stark überlappen, ist die Organometallchemie. Die Physikalische Chemie unterscheidet sich von Anorganik und Organik nicht durch das Untersuchungsobjekt, sondern dadurch, dass hier versucht wird, selbiges mittels physikalischer Modelle zu beschreiben. Neben diesen drei großen Bereichen gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Fachgebiete, die oft in einem Grenzbereich zu einer anderen Wissenschaft angesiedelt sind.
- Die Allgemeine Chemie befasst sich mit den Grundlagen der Chemie
- Die Technische Chemie beschäftigt sich mit der Umsetzung von chemischen Reaktionen im Labormaßstab auf großmaßstäbliche Industrieproduktion.
- Die in lebenden Organismen vorkommenden und umgesetzten Stoffe sind Thema der Biochemie
- Die für lebende Organismen schädlichen Substanzen werden in der Toxikologie behandelt
- Die Kernchemie, auch Radiochemie genannt, behandelt die Eigenschaften und Umsetzungen radioaktiver Stoffe
- Die Theoretische Chemie versucht durch Rechnung und/oder Computersimulation Eigenschaften von Stoffen vorherzusagen und physikalische Modelle zu entwickeln.
- Die Makromolekulare Chemie befasst sich mit Polymeren
- Die Chemie im Weltall wird von der Kosmochemie behandelt
- Das Hauptziel der Computerchemie ist es, Software zu erstellen und anzuwenden, um Eigenschaften von Molekülen zu berechnen.
- Die Geochemie beschäftigt sich mit dem stofflichen Aufbau der Erde
- ... Eine weitere Möglichkeit ist es, die Chemie nach der Zielrichtung in die untersuchende, 'zerlegende' Analytische Chemie und in die aufbauende, produktorientierte Präparative- oder Synthetische Chemie aufzuspalten. In der Lehrpraxis der Universitäten ist die Analytische Chemie oft als Unterrichtsfach vertreten, während die Synthetische Chemie im Rahmen der organischen oder anorganischen Chemie behandelt wird.

Chemie in der Wikipedia

Das Wikipedia-Chemie-Portal

Chemische Grundbegriffe

- Chemische Grundbegriffe

Chemischer Formalismus

- chemischer Formalismus

Berühmte Chemiker

- Bedeutende Chemiker (chronologisch) (nach Geburtsdatum geordnet)
- Bedeutende Chemiker (alphabetisch)
- Bedeutende Chemiker (Kategorien) (nach den Fachgebieten geordnet, dort alphabetisch)
- Liste der Nobelpreisträger für Chemie, Nobelpreisträger

Literatur

- Eine Zusammenstellung von ausgewählten Beiträgen aus Spekturm der Wissenschaft: Digest: Moderne Chemie. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg, Juni 1995,
- Pedro Cintas: Der Weg zu chemischen Namen und Eponymen: Entdeckung, Priorität und Würdigung. Angewandte Chemie 116(44), S. 6012 - 6018 (2004),
- Joachim Kranz; Manfred Kuballa: Chemie im Alltag, Berlin, 2003, 3-589-21692-1

Weblinks

- [http://dc2.uni-bielefeld.de Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie]
- [http://www.versuchschemie.de Chemieforum und Experimente]
- [http://www.chemikalien.de Portal mit Forum zur Chemie]
- [http://www.chemie-lk.de Chemie-Portal mit Forum für den Chemie-Leistungskurs]
- [http://www.TOMCHEMIE.de Chemie-Portal mit Forum und einem Chemiechat, Tomchemie]
- [http://www.chemie.de Deutsches Chemie-Portal]
- [http://www.Netchemie.de Netchemie - Chemie für Schule Studium und Alltag: Lexika, Versuche, Software und Forum]
- [http://www.cci.ethz.ch/de/start.html Chemische Experimente auf dem WEB] - Ziel dieses Angebotes der ETHZ ist es, den Studierenden und Dozierenden auf Video aufgezeichnete Experimente jederzeit bereitzustellen
- [http://www.experimentalchemie.de Experimentalchemie.de] - Chemische Experimente für Unterricht und zu Showzwecken ---- ! als:Chemie ja:化学 ko:화학 ms:Kimia simple:Chemistry th:เคมี

Wärme

Wärme kann sowohl mikroskopisch durch die Kinetische Theorie, als auch makroskopisch durch die Thermodynamik beschrieben werden. Wärme in der Thermodynamik ist über eine Systemgrenze hinweg transportierte thermische Energie. Wärme tritt als Vorgangs- oder Prozess-Größe nur bei dem Vorliegen eines Temperaturgradienten auf. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff Wärme aber häufig mit der thermischen Energie selbst verwechselt. Wärme ist wie Arbeit an Transportvorgänge gebunden und daher eine Vorgangs- oder Prozessgröße, im Gegensatz zu einer Zustandsgröße. Dabei wird thermische Energie aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik immer vom System mit der höheren Temperatur in Richtung des Systems mit der geringeren Temperatur übertragen. Dies gilt solange, wie eine Temperaturdifferenz zwischen zwei thermisch gekoppelten Systemen besteht und sich diese noch nicht im thermischen Gleichgewicht befinden. Die übertragene Wärme Q ist meist mit einer Temperaturänderung

\mathrmT

verbunden: :

Q= C_V \; \mathrmT \!

Hierbei ist C_V die Wärmekapazität bei konstantem Volumen V. Es existieren jedoch auch Systeme, bei denen eine Wärmezufuhr zur Phasenumwandlung und nicht zur Temperaturerhöhung führt, zum Beispiel beim Verdampfen von Flüssigkeiten. Als thermodynamische Größe ist die Wärme eindeutig über den ersten Hauptsatz definiert. Die Einzelheiten der physikalischen Vorgänge, die zum Transport von thermischer Energie führen, sind damit allerdings nicht genau festgelegt. In der Theorie der Wärmeübertragung wird der Wärmestrom nach Jean Baptiste Joseph Fourier mit Hilfe eines Temperaturgradienten definiert. Bei der Wärmeabgabe bzw -aufnahme hat die Masse des Körpers einen direkt proportionalen Einfluss, so dass die Wärme mit Q = c
- m
- dT berechnet werden muss.

Siehe auch

Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleitungsgleichung, Wärmedurchgangswiderstand, Kälte, Wärmebad, Wärmezähler, Abwärme, Gasenergie Kategorie:Thermodynamik Kategorie: Eigenschaft ja:熱 Kategorie:Thermodynamik

Wärme

\mathrmT

verbunden: :

Q= C_V \; \mathrmT \!

Siehe auch

Verbrennung

Eine Verbrennung kann bezeichnen
- eine exotherme Redoxreaktion, bei der ein Stoff durch Sauerstoff oxidiert wird. Siehe Verbrennung (Chemie)
- eine Schädigung der Haut durch große Hitze, heiße Flüssigkeiten (Verbrühung) oder starke Sonneneinstrahlung (Sonnenbrand), siehe Verbrennung (Erste Hilfe)
- die Komplikationen als Folge von großflächigen Verbrennungen nennt man Verbrennungskrankheit
- Das Umsetzen der Nährstoffe durch die Körperzellen zur Energiegewinnung mittels Sauerstoff, siehe Atmung

Brennstoff

Brennstoff ist ein brennbares Material, das gespeicherte Energie durch Oxidation, meist in Form einer Verbrennung, in nutzbare Energie umwandelt. Kernbrennstoffe wie Uran oder Plutonium werden nicht chemisch verbrannt, sondern Energie wird durch eine nukleare Kernspaltung oder eine Kernfusion gewonnen. Brennstoffe werden zur Wärmegewinnung eingesetzt, während Kraftstoffe (Treibstoffe) in Verbrennungsmotoren verwendet werden. Diese Definition der Begriffe ist unabhängig von der chemischen Zusammensetzung, so ist 'Heizöl EL' ein Brennstoff, der unter der Bezeichnung Diesel als Kraftstoff vertrieben wird. Brennstoffe sind Rohstoffe. Die meisten derzeit genutzten Brennstoffe sind Kohlenstoffverbindungen. Sie werden unterschieden in fossile Rohstoffe und nachwachsende Rohstoffe. Hinzu kommen Wasserstoff und Kernbrennstoff. Weiterhin unterscheidet man natürliche und künstliche Brennstoffe. Natürliche Brennstoffe werden in der Form eingesetzt, in der sie der Umwelt entnommen werden. Künstliche Brennstoffe werden durch einzelne Verfahrensschritte aus den natürlichen Brennstoffen gewonnen. Die Beurteilung der Qualität eines Brennstoffes hinsichtlich seines Vermögens Wärme zu liefern erfolgt durch seinen Heizwert, in manchen Fällen auch durch seinen Brennwert. Brennwert

Brennstoffpreise

Der Weltmarktpreis ist bedingt durch das Auf und Ab der Konjunktur erheblichen Schwankungen unterworfen. Gemessen an der Steinkohleeinheit schwankte der Preis im Zeitraum 1970 bis 2004:
- bei Erdöl um 900 %
- bei Erdgas um 700 %
- bei Steinkohle um 200% Die Preise für die marktgängigen Brennstoffe haben einen erheblichen Einfluss auf die nationalen Volkswirtschaften, stark steigende Preise können eine bereits vorhandene Inflation verstärken.

Verwendung der Brennstoffe

Die auf der Erde vorhandenen Brennstoffe werden verschiedensten Verwendungszwecken zugeführt.
- Festbrennstoffe dienen heutzutage in erster Linie der Erzeugung von Elektrischen Strom im Dampfkraftwerk. Daneben werden Festbrennstoffe für die Verfahrenstechnik und die Erzeugung von Metall bei der Verhüttung von Eisen und Stahl benötigt. Festbrennstoffe haben zur Zeit nur noch einen geringen Anteil an der Beheizung von Gebäuden.
- Flüssigbrennstoffe haben einen erheblichen Anteil im Verkehrswesen und zur Heizung von Gebäuden, weiterhin dienen sie als Rohstoff für Produkte in der Chemischen Industrie.
- Gasförmige Brennstoffe werden hauptsächlich zur Gebäudebeheizung sowie zur Stromerzeugung genutzt. Sie werden in der Chemischen Industrie ebenfalls als Brenn- und Rohstoff verwendet.

Herkunft der Brennstoffe

Die meisten der in Deutschland verwendeten Brennstoffe müssen importiert werden. Das gilt in erster Linie für die flüssigen und gasförmigen Brennstoffe, da Mitteleuropa auf diesem Gebiet nur geringe eigene Ressourcen besitzt. Feste natürliche Brennstoffen werden dagegen in diesem geographischen Gebiet als Bodenschatz in größeren Mengen gefördert, wobei die bei der Förderung anfallenden Kosten durch Subventionen unterstützt werden, um den heimischen Brennstoff gegenüber den auf dem Weltmarkt gezahlten Preisen konkurrenzfähig halten zu können. Die Bereitstellung von Brennstoffen aus Nachwachsenden Rohstoffen hat für die Energiewirtschaft nur eine geringe Bedeutung.

Einteilung und Kennzahlen der Brennstoffe

Feste Brennstoffe

Nachwachsenden Rohstoffen Nachwachsenden Rohstoffen

Flüssige Brennstoffe

Nachwachsenden Rohstoffen

Gasförmige Brennstoffe

Nachwachsenden Rohstoffen Anmerkung:
- bedeutet z. Zt nicht bekannt

Weitere Brennstoffe

Im Bereich der Kernenergie werden radioaktive Elemente mit spaltbarem Material Kernbrennstoffe genannt. Siehe auch: Kraftstoff, Fossiler Brennstoff, Brennstofftechnische Gesellschaft ! Kategorie:Erneuerbare Energie

Kernphysik

Die Kernphysik ist der Teilbereich der Physik, der sich mit dem Aufbau und dem Verhalten von Atomkernen beschäftigt. Die Kernphysik kann sowohl theoretisch als auch experimentell betrieben werden. Neben der Kernstruktur, also dem Aufbau der Atomkerne, sind auch Kernreaktionen Gegenstand der Untersuchungen. Typische Größenordnungen im Bereich der Kernmaterie sind
- Längen: 1 Fermi = 1 fm =

10^

m
- Energie: 100 keV bis 100 MeV Bei der Beschreibung von Kernreaktionen ist der Begriff des Wirkungsquerschnitts von Bedeutung. Der Wirkungsquerschnitt misst die Wahrscheinlichkeit für die Reaktion beim Einfall von Teilchen auf Materie. Dabei können Streuvorgänge von Elementarteilchen an Atomkernen oder an andere Elementarteilchen ausgelöst werden. Die Bausteine der Kerne sind die Nukleonen: Neutronen und Protonen. Die Anzahl Z der Protonen in einem Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen im neutralen Atom. Z bestimmt die chemischen Eigenschaften der Atome und heißt deshalb Ordnungszahl (oder bezogen auf den Atomkern auch Kernladungszahl). Die Masse des Atomkerns wird durch die Anzahl A aller Nukleonen bestimmt und wird deshalb auch Massenzahl genannt. Wie man sehen kann, ist die Neutronenzahl N = A - Z. Atome mit der gleichen Ordnungszahl und unterschiedlicher Massenzahl werden Isotope genannt, da sie sich chemisch gleich verhalten. Die physikalischen Eigenschaften des Kerns dagegen sind sowohl von der Ordnungszahl als auch von der Neutronenzahl beeinflußt. Näheres siehe unter dem Hauptartikel Atomkern.

Geschichte

Antoine Henri Becquerel, Pierre Curie und Marie Curie erhielten für ihre Versuche zur Radioaktivität, die man als den historischen Beginn der modernen Kernforschung bezeichnen könnte, 1903 den Nobelpreis in Physik. Radioaktivität ist immer mit einer Kernumwandlung verbunden, so dass sich Stoffe beim Zerfall in andere Stoffe umwandeln. Dies wurde von Ernest Rutherford entdeckt, wofür er 1908 den Nobelpreis in Chemie erhielt. Der Rutherfordsche Streuversuch, bei dem Alpha-Teilchen an Goldfolie gestreut werden, von Hans Geiger, Ernest Marsden und Ernest Rutherford im Jahr 1909 markiert einen Wendepunkt in der modernen Vorstellung vom Aufbau der Atome. Aus den Rutherfordschen Interpretationen der Ergebnisse war die Idee vom Atomkern geboren. Im Kern ist fast die gesamte Masse des Atoms vereinigt, jedoch nimmt er einen ausgesprochen kleinen Volumenanteil des Atoms ein. Die Kenntnis der Bindungsenergie der Atomkerne, halb-empirisch zuerst in der Bethe-Weizsäcker-Formel formuliert, zählt zu den großen Fortschritten in der Geschichte der Kernphysik. Otto Hahn und Lise Meitner entdeckten 1938, dass unter Bestrahlung mit Neutronen Urankerne gespalten werden. Später wurde nachgewiesen, dass bei diesem Prozess Energie und weitere Neutronen freigesetzt werden, wodurch eine Kettenreaktion möglich wurde. In Los Alamos forschten unter der Regie von Robert Oppenheimer die Physiker Enrico Fermi, Hans Bethe, Edward Teller, Felix Bloch, um nur die bekanntesten zu nennen. In Deutschland forschten unter anderem Carl Friedrich von Weizsäcker und Werner Heisenberg an der Weiterentwicklung eines Reaktors zunächst in Berlin und später in Haigerloch mit dem umstrittenen Fernziel einer militärischen Nutzung der Forschungsergebnisse. Die Erkenntnisse der Kernspaltung fanden von Beginn an auch eine zivile Nutzung in der Energiegewinnung aus den Kernreaktoren (auch Atomreaktor genannt). Kaum ein Gebiet der Physik hat durch seine Ambivalenz der friedlichen als auch zerstörerischen Nutzung die öffentliche Diskussion mehr angeheizt: für Fortschrittskritiker war die Kernphysik die Büchse der Pandora, für Fortschrittsgläubige eine der wichtigsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. Man kann sicher zurecht sagen, dass die Kernphysik der Auslöser einer neue Wissenschaftsethik war (Hans Jonas, Carl Friedrich von Weizsäcker). Die politische Auseinandersetzung um den vernünftigen und verantwortbaren Umgang mit der Kernenergie findet bis heute in der Auseinandersetzung um den Kernenergieausstieg Deutschlands statt. Da Protonen sich aufgrund ihrer positiven elektrischen Ladung abstoßen, benötigt man ein neues Konzept für die Stabilität von Kernen. Die Kraft, die den Kern zusammenhält, nennt man starke Wechselwirkung. Die Wechselwirkung, die für

\beta

-Zerfälle verantwortlich ist, heißt schwache Wechselwirkung. Da die Atomkerne subatomar klein sind, unterliegen sie den Gesetzen der Quantenphysik. Die einzelnen Zerfallarten werden im Artikel Kernchemie behandelt Zur Kernphysik gehören unter anderem die Themenbereiche Radioaktivität, Kernfusion und Kernspaltung.

Siehe auch

- Portal:Physik
- Mößbauer-Effekt
- Atomphysik

Weblinks

- http://cdsweb.cern.ch/ Dokumentenserver zur Kernphysik mit 360 000 Volltextdokumenten und 800 000 Einträgen
- [http://www.nndc.bnl.gov/index.jsp National Nuclear Data Center (engl.)] umfangreiche Homepage des Brookhaven National Laboratory zu verschiedensten Aspekten der Kernphysik (besonders interessant: die "Nuclear Wallet Cards")
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m11_kerne.htm Versuche und Aufgaben zur Kernphysik]
- http://atom.kaeri.re.kr/ton/index.html sehr umfangreiche Nuklidkarte mit Zerfallsarten, Massen, Bindungsenergien und anderen charakteristischen Werte für alle bekannten Nuklide kategorie:Kernphysik ko:핵물리학 ja:原子核物理学

Kernspaltung

Die Kernspaltung bezeichnet in der Kernphysik einen Prozess, bei dem ein Atomkern in zwei oder mehrere Bestandteile zerlegt wird. Seltener wird die Kernspaltung auch als Kernfission (lat. fissio, »das Spalten«) bezeichnet, ein Begriff, der nicht mit Kernfusion, dem Verschmelzen zweier Atomkerne, verwechselt werden darf. Einige Atomkernarten zerfallen spontan, andere nur unter Einwirkung äußerer Kräfte. Typische Methoden zur Induzierung einer Spaltung sind der Beschuss eines Atomkerns mit anderen Elementarteilchen oder Neutronen; der Spaltungserfolg hängt von der geeignet gewählten Energie des Projektils ab. Bei einer Kernspaltung werden enorme Energiemengen in Form von Wärme und Gammastrahlung freigesetzt. Es entstehen dabei neue leichtere Kerne (Spaltprodukte). Das Verblüffende dabei ist, dass die Masse des ursprünglichen Atomkernes größer als die Summe der Massen der Spaltprodukte ist. Die scheinbar fehlende Masse ist nicht verloren, sondern erscheint in veränderter Form, als freigesetzte Energie. Sie lässt sich mit der Einstein'schen Formel E=mc² berechnen. Die Spaltprodukte selbst sind oft radioaktiv, und setzen bei ihrem Zerfall weiter Energie frei. Isotope der Elemente Uran, Plutonium und Thorium lassen sich durch Neutronen geeigneter Energie besonders leicht spalten. In Kernreaktoren werden Kernspaltungen dieser Elemente kontrolliert durchgeführt, um Wärme und daraus Elektrizität zu erzeugen. In einer Atombombe setzen Kernspaltungen von Uran oder Plutonium in kurzer Zeit viel Energie, Radioaktivität und radioaktive Zerfallsprodukte frei.

Bau des Atomkerns

Atomkerne bestehen aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Die sogenannte Kernladungszahl entspricht der Anzahl der Protonen im Atomkern. Die Summe aus Protonenzahl und Neutronenzahl (die Masse der Elektronen kann vernachlässigt werden, da sie nur einen Bruchteil der gesamten Masse ausmacht) ergibt die sogenannte Massenzahl, und korrespondiert mit der Kernmasse. Je nach Anzahl der Protonen und Neutronen entsteht aus der Kombination dieser Kräfte ein stabiler oder ein instabiler Atomkern. Allgemein kann man sagen, dass eine stabile Konfiguration gegeben ist, wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen etwa gleich ist. Allerdings wird bei Atomkernen mit hoher Kernmasse (>100) ein Übergewicht an Neutronen notwendig. Oberhalb einer Kernladungszahl von 90 finden sich überhaupt keine stabilen Atomkerne mehr; die Atomkerne zerfallen in der Regel durch radioaktiven Zerfall. Die Kernspaltung kann auftreten, wenn die Bindungsenergie des Atomkerns kleiner ist als die der entstehenden Bestandteile, bei denen es sich auch wieder um Atomkerne handelt. Dabei ist die Reibungsenergie nicht zu vernachlässigen. Die Bindungsenergien lassen sich durch Vergleich der Massen der beteiligten Atomkerne berechnen.

Spontane Spaltung

Ein instabiler Atomkern befindet sich in einem lokalen Energieminimum (das aber noch höher ist, als die Ruhe-Gesamtenergie aller Bruchstücke) bevor er mittels des quantenmechanischen Tunneleffekts spontan zerfällt. Jeder Zerfall für sich ist zufällig, aber für eine große Zahl an Atomkernen kann die Häufigkeit des Zerfalls durch die Halbwertzeit (d.h. die Zeit in der die Hälfte der Atome zerfallen) charakterisiert werden. Die Kerne ein und desselben Nuklid spalten sich dabei auf vielfältiger Weise. Hier sind vier Beispiele von Plutonium 239 : Alternativ kann der Atomkern durch eine Aktivierungsenergie in einen Zustand höherer Energie angehoben werden, um schneller zu zerfallen.

Induzierte Kernspaltung

Halbwertzeit Einige der Isotope von Uran (U), Plutonium (Pu) und Thorium (Th) haben eine relativ niedrige Aktivierungsenergie, so dass neben dem typischen radioaktiven Zerfall (Alpha-, Betazerfall und Elektroneneinfang) auch in geringer Häufigkeit ein Kernzerfall auftritt. Der Anteil des Kernzerfalls bei ²³⁵U ist nur 7×10^-9% und bei ²³⁹Pu ist er 3×10^-10%. Bei all diesen Isotopen kann die Aktivierungsenergie durch Beschuss des Atomkerns mit einem Neutron geliefert werden. Die Anwesenheit des Neutrons regt den Kern über die Bindung so stark an, dass der Zerfall schnell stattfindet. Dabei muss die Energie des Neutrons so gewählt sein, dass einmal genügend Anregungsenergie vorhanden ist, andererseits aber das Neutron nicht so schnell ist, dass es vom Kern gar nicht eingefangen werden kann (Siehe auch: Wirkungsquerschnitt). Im Tröpfchenmodell des Atomkerns stellt man sich vor, dass die Anregung durch das Neutron den Atomkern in Schwingungen versetzt, bei denen der Kern lang gestreckt wird, und sich etwa in der Mitte einschnürt. Die elektrische Abstoßung überwiegt gegenüber der Anziehung der kurzreichweitigen Kernkraft, und die Spaltprodukte werden durch die elektrische Abstoßung voneinander weg bewegt. Die vom Neutron gelieferte Bindungsenergie an den Atomkern reicht bei ²³³U, ²³⁵U, ²³⁷Np und ²³⁹Pu aus, um den Kern zu spalten. Isotope wie ²³²Th, ²³⁸U und ²⁴⁰Pu benötigen eine zusätzliche Energie, die als Bewegungsenergie der (schnellen) Neutronen geliefert werden kann. Im Gegensatz zu 'schnellen' spricht man bei erstgenannten 'langsamen' Neutronen auch von thermische Neutronen. Bei der Spaltung eines Thorium-, Uran- oder Plutoniumkerns wird eine Energie von etwa 200 Mega-eV freigesetzt. Der größte Teil davon ist die Bewegungsenergie der Spaltprodukte.

Typische Spaltprodukte

- ⁴He Kerne - auch α-Strahlung genannt.
- Neutronen.
- ⁸⁹Kr, ⁹⁰Sr, ⁹³Zr, ¹³¹I, ¹³²Te, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴⁴Ce und weitere instabile Kerne, bekannt sind insgesamt über 200 verschiedene von ³⁰Zn bis ⁶⁵Tb. Die Spaltprodukte sind in aller Regel selbst radioaktiv.

Technische Aspekte

Kettenreaktion

Bei der Spaltung schwerer Kerne werden zwei bis drei Neutronen freigesetzt (prompte Neutronen), die weitere Kernspaltungen hervorrufen können und so zu einer Kettenreaktion führen. Etwa 1% der Neutronen wird erst durch radioaktiven Zerfall aus den Spaltprodukten freigesetzt (verzögerte Neutronen). Diese verzögerten Neutronen machen die Regelung von Kernkraftwerken möglich. Die Freisetzung von Neutronen bei einer Kernspaltung erlaubt eine kontinuierlich ablaufende Folge von Kernspaltungen. Zur stabilen Aufrechterhaltung einer solchen Kettenreaktion ist es notwendig, dass im Mittel eines der bei einer Kernspaltung freigesetzten Neutronen einen weiteren Atomkern spaltet. Falls mehr als eines der freigesetzten Neutronen eine Kernspaltung bewirkt, nimmt die Anzahl der Reaktionen mit der Zeit exponentiell zu: Eine Explosion findet statt. Falls weniger als eines der freigesetzten Neutronen eine Kernspaltung bewirkt, nimmt die Anzahl der Reaktionen mit der Zeit exponentiell ab: Die Reaktion endet. Technisch ist es notwendig, genau den Mittelpunkt zu finden. Dabei sind folgende Faktoren von Bedeutung:
- Anordnung des Materials,
- Geschwindigkeit der Neutronen, und
- Materialien im Reaktionsbereich. Die Anordnung des spaltbaren Materials im Raum hat Einfluss darauf, ob freigesetzte Neutronen, die sich in alle Raumrichtungen bewegen, überhaupt spaltbares Material treffen. Ein dünn ausgewalztes Blech verliert fast alle Neutronen nach außen, wogegen in einem kompakten Objekt (z. B. einem Würfel) die meisten Neutronen Gelegenheit haben, andere Atomkerne zu treffen. Die kleinste kompakte Masse eines Materials, die eine Kettenreaktion aufrecht erhalten kann, wird als "kritische Masse" bezeichnet. Die Geschwindigkeit der Neutronen hat Einfluss auf die Spaltwahrscheinlichkeit. Dabei besitzt jedes spaltbare Material eine optimale Neutronengeschwindigkeit, unter der eine Kernspaltung auftritt. Die Geschwindigkeit der entstehenden Neutronen kann durch Moderatoren auf eine geringere Geschwindigkeit gebracht werden. Neben Moderatoren, die zur Geschwindigkeitsregulierung der Neutronen im Reaktionsbereich eingebracht werden, gibt es auch neutronenabsorbierende Materialien. Diese verringern die Anzahl der verfügbaren Neutronen, und regulieren somit die Kettenreaktion. Neutronenabsorbierende Materialien werden teils direkt zur Regulierung der Reaktion eingebracht. Daneben sind viele Spaltprodukte, die sich nach einer gewissen Reaktionszeit ansammeln, Neutronenabsorber. Spaltbare Materialien sind spezielle Isotope eines oder mehrerer chemischer Elemente. Die anderen Isotope sind oft nicht zur Kernspaltung geeignet, und stellen oft unerwünschte Neutronenabsorber dar. Durch den Prozess der Anreicherung wird der Anteil spaltbarer Atomkerne erhöht. Ein Neutron kann also entweder
- das spaltbare Material verlassen,
- absorbiert werden, ohne dass eine Spaltung stattfindet, oder
- eine Spaltung bewirken.

Kritische Masse

Die kritische Masse bezeichnet die geringste Menge eines spaltbaren Materials, die notwendig ist, eine Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Allerdings ist die kritische Masse auch abhängig von Parametern wie der Kompression des Materials, so dass im Allgemeinen keine untere Grenze angegeben werden kann. Diese kritische Masse reagiert allerdings nur, wenn sie kompakt zusammen vorliegt. Bei der Bearbeitung spaltbaren Materials ist es daher eine Voraussetzung, nur Mengen, die geringer sind als die kritische Masse, zu einer Zeit handzuhaben. Alternativ werden etwa chemische Reaktionen in flachen Wannen durchgeführt, wo das Material über weite Flächen verteilt ist.

Moderatoren

Die Wahrscheinlichkeit für eine Kernspaltung nimmt in der Regel mit wachsender Neutronenenergie ab. Bei ²³²Th und ²³⁸U ist die Wahrscheinlichkeit für Konkurrenzprozesse wie die inelastische Streuung und Neutroneneinfang so hoch, dass eine Kettenreaktion mit schnellen Neutronen nicht zustande kommen kann. Anders verhält es sich mit ²³³U, ²³⁵U und ²³⁹Pu. Hier ist Kernspaltung mit schnellen Neutronen möglich, was in Atomwaffen und im schnellen Brüter ausgenutzt wird. In gewöhnlichen Reaktoren werden die Neutronen jedoch mit einem Moderator abgebremst. Kernreaktoren arbeiten meistens mit U-235 oder Plutonium, welche vorzugsweise durch langsame (thermische) Neutronen gespalten werden. Bei einer Kernspaltung entstehen aber schnelle Neutronen, welche nur selten eine Spaltung hervorrufen. Daher muss die Geschwindigkeit der Neutronen reduziert werden. Das Abbremsen der Neutronen geschieht mittels elastischen Stoßes mit anderen leichten Atomkernen, die allerdings keine Neutronenabsorption aufweisen dürfen. Von den leichten Elementen sind dadurch Lithium und Bor ausgeschlossen. Theoretisch denkbar sind Wasserstoff, Deuterium, Helium, Beryllium und Kohlenstoff. Technisch genutzt werden Wasserstoff (Leichtwasserreaktor), Deuterium (Schwerwasserreaktor) und Kohlenstoff in Form von Graphit (Brutreaktor, Kugelhaufenreaktor). Gleichzeitig findet jedoch auch eine Absorption (Verschlucken) von Neutronen in Materialien statt, die zur Kernspaltung nicht beitragen, etwa U-238 oder das Reaktorbaumaterial; diese Absorption findet vorzugsweise für mittelschnelle Neutronen statt. Insofern besteht das Aufrechterhalten der Kernreaktion darin, genügend Neutronen abzubremsen, die eine Kernspaltung bewirken.

Anreicherung

Uran, das bevorzugte Spaltmaterial, kommt in der Natur als Gemisch dreier Isotope vor: etwa 0.006% U-234, 0.7% U-235 und 99.3% U-238. Die Eigenschaften dieser Isotope unter Neutronenbeschuss unterscheiden sich grundlegend:
- U-238 absorbiert thermische Neutronen, es entsteht U-239, welches sich durch radioaktiven Zerfall in Plutonium-239 umwandelt.
- U-235 wird bei Absorption eines thermischen Neutrons in der Regel gespalten, kann aber auch durch schnelle Neutronen gespalten werden. Durch Anreicherung des Anteils von U-235 kann eine Isotopmischung erreicht werden, die geeignet zur Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion ist.

Anwendungen

Kernreaktor

Verschiedene Typen von Kernreaktoren, die unterschiedliche Spaltmaterialien, Bauweisen und Moderatoren nutzen, sind entwickelt worden. Die heute auf dem Markt befindlichen Reaktoren unterteilen sich wie folgt: # Thermische Reaktoren ## Leichtwasserreaktoren ### Druckwasserreaktoren ### Siedewasserreaktoren: Die neusten Typen sind inhärent ausgelegt und weisen einen Sicherheitsstandard auf, der bei Anomalien die Kettenreaktion automatisch unterbindet. Die gängigen Leistungsgrößen liegen bei 1000 MW bis 1500 MW. Die Industrie wäre auch in der Lage Anlagen bis 2000 MW zu liefern. Die Leistungsgröße wird aber letztlich von der Versorgungssicherheit des Verbundnetzes vorgegeben. ## Gasgekühlte Graphit-moderierte Reaktoren ## Leichtwassergekühlte Graphit-moderierte Reaktoren ## Schwerwasserreaktoren # Schnelle Brüter

Kernwaffen

Die exponentielle Kernspaltung dient als Energiequelle für "normale" Kernwaffen. Die Energie wird in verschiedenen zerstörenden Formen wie Lichtstrahlung, Hitze usw. freigesetzt. Bei Wasserstoffbomben dient die Kernspaltung als Zünder für eine Kernfusion, dem Verschmelzen von Atomkernen, bei denen zusätzliche Energie freigesetzt wird.

Geschichte

Die induzierte Kernspaltung des Urans wurde 1934 durch Enrico Fermi erstmals experimentell durchgeführt und Vermutungen [Nature 133 (1934), S. 898 - 899: Possible production of element of atomic number higher than 92] bezüglich der Interpretation der Ergebnisse geäußert. Besonders Ida Noddack [Angewandte Chemie 47 (1934), S. 653 - 655: Über das Element 93] vertrat die richtige Vermutung des Zerfallens des neugebildeten Kerns ("Es wäre denkbar, daß bei der Beschießung schwerer Kerne mit Neutronen dies Kerne in mehrere größere Bruchstücke zerfallen, die zwar Isotope bekannter Elemente, aber nicht Nachbarn der bestrahlten Elemente sind."). Allerdings galten diese Vermutungen 1934 noch als unseriös. Die induzierte Kernspaltung des Urans wurde 1938 durch die Deutschen Otto Hahn und Fritz Straßmann am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut erstmals experimentell durchgeführt und durch den chemischen Nachweis eines der Spaltprodukte (radioaktives Barium) nachgewiesen. Lise Meitner klärte im selben Jahr (gemeinsam mit Otto Frisch) den theoretischen Hintergrund des Experiments auf. Seit den Rutherford'schen Streuversuchen (1919) ist bekannt, dass Atomkerne durch den Beschuss mit schnellen Teilchen verändert werden können. Mit der Entdeckung des Neutrons im Jahre 1932 durch James Chadwick ergaben sich vielfältige neue Möglichkeiten der Umwandlung von Atomen. So erwiesen sich die Ergebnisse des Beschusses von Uran mit Neutronen als sehr interessant. Erstmals von Enrico Fermi 1934 untersucht, konnten sie erst Jahre später richtig eingeordnet werden. Am 16. Januar 1939 reiste Niels Bohr in die USA, um einige Monate zusammen mit Albert Einstein physikalische Probleme zu erörtern. Kurz vor seiner Abreise aus Dänemark berichteten ihm Otto Robert Frisch und Lise Meitner von ihrer Vermutung, dass die Absorption eines Neutrons durch einen Urankern manchmal zu dessen Zerfall in zwei annähernd gleichgroße Teile unter Freisetzung von Energie führt. Der Grund für diese These war eine sensationelle Entdeckung von Otto Hahn und Fritz Straßmann. Sie beobachteten, dass beim Beschuss von Uran mit langsamen Neutronen der o.g. Zerfall des Urans eintritt, bei dem u.a. ein zu dieser Zeit noch nicht bekanntes radioaktives Barium entsteht, ein Isotop des natürlichen Bariums. Bohr berichtete nach seiner Ankunft in den USA seinem früheren Schüler John Archibald Wheeler sowie anderen Interessierten. Durch sie verbreitete sich die Neuigkeit unter anderen Physikern, unter ihnen auch Enrico Fermi von der Columbia Universität. Als ein Ergebnis der Diskussion des Themas zwischen Fermi, J. R. Dunning und G. B. Pegram kam es zu einer Untersuchung der vermuteten Ionisierungsimpulse, die von den auseinander fliegenden Urankernfragmenten erwartet wurden. Die Untersuchung fand an der Columbia-Universität statt. Kategorie:Kernphysik ja:核分裂反応 ko:핵분열 th:ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิซชัน

Wärme

\mathrmT

verbunden: :

Q= C_V \; \mathrmT \!

Siehe auch

Kernfusion

Fusions-Reaktion wird als vielversprechende Reaktion für die Energieerzeugung in einem Kernfusionsreaktor angesehen.]] Kernfusion bezeichnet den Prozess des Verschmelzens zweier Atomkerne zu einem schwereren Kern. Je nachdem, welche Ausgangskerne beteiligt sind und welches Element daraus entsteht, wird bei diesem Prozess Energie freigesetzt oder aufgewendet. Die Energiebilanz ist positiv, wenn das Fusionsprodukt eine Massenzahl von weniger als etwa 60 bis 80 hat, negativ bei noch schwereren Kernen. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Verteilung des Massendefekts über das Periodensystem. In der Regel wird bei einer Kernverschmelzung neben dem Reaktionsprodukt ein leichtes Teilchen wie ein Neutron, ein Proton, ein Alpha-Teilchen oder ein Gamma-Teilchen erzeugt. Dieses ist wegen Energie- und Impulserhaltung erforderlich, da der neu erzeugte Kern nur fest definierte Energieniveaus annehmen kann, während die kinetische Energie, die die beiden Ausgangskerne vor der Verschmelzung haben, variabel ist. Besonders viel Energie wird frei, wenn schwerer und überschwerer Wasserstoff (Deuterium und Tritium) miteinander verschmelzen. Hier beträgt der Massendefekt fast 4 Promille, das heißt, die Reaktionsprodukte Helium und ein Neutron haben entsprechend weniger Masse als die Ausgangsprodukte. Die fehlende Masse wird aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie als kinetische Energie auf die Reaktionsprodukte übertragen oder in Form von Gammastrahlung freigesetzt. Die Kernfusion ist die Energiequelle der Sterne, etwa unserer Sonne. Die meisten Sterne fusionieren dabei beim so genannten Wasserstoffbrennen von Wasserstoff über mehrere Zwischenschritte zu Helium, die dafür nötige Temperatur liegt bei ca. 10 Millionen Kelvin. Am Ende ihrer Lebenszeit, wenn der Wasserstoff aufgebraucht ist, kommt die Energie aus der Fusion von Helium oder noch größerer Atome. Diese Fusion liefert weniger Energie und hat eine höhere Fusionstemperatur. Größere Sterne können mit ihrer Masse auch einen stärkeren Gravitationsdruck erzeugen, wodurch diese am Ende auch schwerere Elemente fusionieren. Die für die Fusion notwendige Temperatur hängt unter anderem vom Druck ab. Da auf der Erde ein ähnlich starker Druck wie auf der Sonne nicht erzeugt werden kann, liegt hier die für die Wasserstofffusion nötige Temperatur bei etwa 100 Millionen Kelvin.

Nutzung auf der Erde

- Im Labor zur Grundlagenforschung. Hier werden mittels eines Teilchenbeschleunigers energiereiche Atomkerne auf ein Ziel geschossen, wo es zu Verschmelzungsreaktionen kommen kann.
- In Kernwaffen (Wasserstoffbombe). Während Kernspaltungswaffen wie die Hiroshima-Bombe (»Little Boy«) eine Sprengkraft von bis zu 400 Kilotonnen TNT haben, entfalten Kernfusionswaffen mehrere Megatonnen TNT. Da man noch keine kontrollierte Reaktion hervorrufen kann, wird im Innern einer Wasserstoffbombe eine Atombombe platziert, um eine hohe Temperatur von 100 Millionen Kelvin zu erreichen, welche nötig ist, um die Kernfusion zu initiieren.
- Zur billigen Erzeugung von Neutronen mittels des Farnsworth-Hirsch-Fusors.
- Zur geplanten zivilen Energie- und Stromerzeugung durch Kernfusionsreaktoren. Am weitesten fortgeschritten ist hier das Projekt Joint European Torus (kurz JET), das für einige Sekunden ein Plasma aus Deuterium und Tritium am Brennen halten konnte, und dabei einige Megawatt produzierte. Ab 2016 soll voraussichtlich der internationale Versuchsreaktor ITER in Südfrankreich in Betrieb gehen. Experten erwarten jedoch nicht vor 2030 bis 2050 den Bau eines kommerziell verwendbaren Fusionskraftwerkes. Es gab auch immer wieder Versuche, Fusion ohne aufwändige Vorrichtungen zur Erzeugung eines geeigneten Plasmas zu erzeugen, z. B. mittels kalter Fusion oder Bläschen-Fusion.

Kalte Fusion und verwandte Verfahren

Kalte Fusionen und verwandte Verfahren haben gemein, dass bei ihnen der Energiebedarf, um eine Fusion anzuschieben, äußerst gering und somit auch das Verfahren relativ leicht durchzuführen ist. Ein US-amerikanischer Artikel zur Bläschen-Fusion titelte passend „Star in a Jar?“ – sinngemäß „Die Sonne im Wasserglas?“. Nach der gescheiterten ursprünglichen Kalten Fusion von 1989 richtet sich die Aufmerksamkeit derzeit auf die Bläschen-Fusion, bei der Deuterium mittels Ultraschall und unter Neutronenbeschuss in Schwingungen versetzt wird. Dabei entstehende Gasbläschen kollabieren (Kavitation) unter bestimmten Umständen äußerst energiereich unter Aussendung von Lichtblitzen (Sonolumineszenz) und bei sehr hohen Temperaturen von an der Bläschenoberfläche gemessen über 10.000 °C. Die Vermutung ist, dass innerhalb der Bläschen weitaus höhere Temperaturen und Drücke zustande kommen, die eine Kernfusion ermöglichen. Der Versuch zur Bläschen-Fusion soll bislang dreimalig mit Erfolg durchgeführt worden sein, 2002 und 2004 von Gruppen um den Entdecker Rusi P. Taleyarkhan und 2005 mit sogar deutlich vereinfachter Apparatur von einer Gruppe um Yiban Xu und Adam Butt. Trotzdem ist die Realisierbarkeit dieser Art von Fusion, sowie die kalte Fusion allgemein, selbst unter Wissenschaftlern nach wie vor höchst umstritten. Eine „lauwarme“ Kernfusion ist den Wissenschaftlern um Seth Putterman von der Universität von Kalifornien mit Lithiumtantalat, einem pyroelektrischem Kristall, gelungen. Das Verfahren tauge aber nicht zur Stromerzeugung, sondern ließe sich, etwas überarbeitet, recht simpel zur Produktion von hochenergetischen Neutronen nutzen, um Gepäckstücke an Flughäfen zu durchleuchten...

Reaktionen (Auswahl)

- D + T → ⁴He + n + 17,588 MeV (größter Wirkungsquerschnitt)
- D + D → ³He + n + 3,268 MeV
- D + D → T + p + 4,03 MeV
- ³He + D → ⁴He + p + 18,34 MeV Es wird aber niemals Tritium als Endprodukt entstehen. In der Sonne findet u.a. folgende so genannte Proton-Proton-Reaktion statt: # p + p → D +

e^+

\nu_e

+ 0,42 MeV (langsamste, und damit begrenzende Reaktion)

e^+

e^-

→

2\gamma

(mit Energie E(2

\gamma

) = 2

\cdot

511keV) # D + p → ³He +

\gamma

+ 5,49 MeV # ³He + ³He → ⁴He + 2 p +

\gamma

+ 12,86 MeV In obigen Formeln steht D für Deuterium (schwerer Wasserstoff

^2\rm H

), T für Tritium (überschwerer Wasserstoff

^3\rm H

), ³He und ⁴He für die Isotope des Heliums mit 1 bzw. 2 Neutronen,

\gamma

für Gammaquant,

e^-

für Elektron,

e^+

für Positron,

\nu_e

für Elektron-Neutrino, n für Neutron und p für Proton. Die jeweils angegebenen Energien verteilen sich als Bewegungsenergie auf die Reaktionsprodukte. Zudem findet in der Sonne ein Kohlenstoff-katalysierter Fusionszyklus statt, der Bethe-Weizsäcker-Zyklus, der etwa 1,6% der Energie des Sonnenhaushalts ausmacht.

Weblinks

- [http://www.ipp.mpg.de/ Max-Planck-Institut für Plasmaphysik] in Garching und Greifswald (Informationen zu den verschiedenen Typen der Fusionsreaktoren(Stellarator und Tokamak, sowie deren konkrete Untersuchungen)
- [http://www.marcus-haas.de/Wissenschaft/technologie/kernfusion.html Kernfusion - eine Energiequelle der Zukunft?]; Marcus Haas

Siehe auch

- ASDEX Upgrade
- Lawson-Kriterium
- ITER
- Tokamak
- Z-Maschine
- Forschungsanlage in Greifswald, genannt Wendelstein 7-X Kategorie:Plasmaphysik Kategorie:Kernphysik Kategorie:Kernenergie Kategorie:Astrophysikalischer Prozess ja:原子核融合

Wasserstoffbrennen

Mit Wasserstoffbrennen wird die Kernfusion von Wasserstoff in Helium im Inneren von Sternen bezeichnet. Diese Reaktion stellt in normalen Sternen während des Großteils ihres Lebenszyklus die wesentliche Energiequelle dar. Sie hat trotz ihres historisch bedingten Namens nichts mit einer chemischen Verbrennung zu tun. Der Prozess der Kernfusion kann beim Wasserstoffbrennen auf zwei Arten ablaufen, bei denen auf verschiedenen Wegen jeweils vier Protonen, die Atomkerne des Wasserstoffs, in einen Heliumkern ⁴He umgewandelt werden:
- die relativ direkte Proton-Proton-Reaktion
- der schwere Elemente (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) nutzende Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus) Ein Proton hat eine Masse von 1,007276 u, ein Neutron von 1,008665 . Zusammen haben zwei Protonen und zwei Neutronen also eine Masse von 4,031882 u. Ein Heliumkern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, hat aber nur ein Atomgewicht von 4,002602 u, es wird bei seiner Bildung also etwa 0,73 % der Masse in Energie umgewandelt, was man als Massendefekt bezeichnet. Die aus der Massendifferenz erzeugte Energie ergibt sich aus der einsteinschen Beziehung E = mc². Sie entspricht der Kernbindungsenergie der Nukleonen, der Kernbausteine. Die Fusion von Wasserstoff zu Helium ist am ergiebigsten; die nächste Stufe stellarer Fusionsreaktionen, das Heliumbrennen, setzt pro erzeugtem Kohlenstoffkern nur noch etwa ein Zehntel dieser Energie frei. Siehe auch: : Nukleosynthese, Kohlenstoffbrennen, Neonbrennen, Sauerstoffbrennen, α-Teilchen Kategorie:Astrophysikalischer Prozess

Endotherm

Der Begriff Endotherm (griechisch éndon, „innerhalb“, „innen“, thérme, „Wärme“) hat unterschiedliche Bedeutungen.

Chemie

Endotherm bezeichnet man in der Chemie solche chemischen Reaktionen, bei denen während der Reaktion Energie zugeführt werden muss, welche in chemische Energie umgewandelt wird. Wenn man die Energiezufuhr unterbricht, kommt die Reaktion zum Erliegen. Das Gegenteil sind exotherme Reaktionen.

Biologie

Endotherm bezeichnet man in der Biologie Tiere, die ihre Körpertemperatur von innen her regulieren können.
- Säugetiere und Vögel sind endotherm und homoiotherm, denn sie erzeugen durch ihre Stoffwechselaktivität eine gleichmäßige Körpertemperatur. Auch einige Dinosaurier waren dazu offenbar in der Lage. Das erhöht prinzipiell den Energieverbrauch dieser Tiere im Vergleich zu beispielsweise ektothermen Reptilien, reduziert die möglichen Bauformen (Energieverlust durch Abstrahlung), ermöglicht andererseits aber eine weitestgehend wetterunabhängige Aktivität.
- Kolibris, Schnabeltiere, große Fluginsekten und große Fische dagegen kann man als endotherm und mehr oder weniger poikilotherm bezeichnen, denn ihre Körpertemperatur wechselt zwar, ist aber bis zu einem gewissen Grad von der Stoffwechselintensität abhängig. Unterscheide: ektotherm, homoiotherm Kategorie:Chemie Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Physiologie

Exergon

Reaktionen, bei denen Energie freigesetzt oder Arbeit geleistet wird und die von selbst ablaufen, werden als exergon (auch: "exergonisch") bezeichnet. Bei exergonen Reaktionen hat die freie Enthalpie, ΔG, ein negatives Vorzeichen. Gegenteil: endergon (siehe unten). Jede exergone Reaktion verläuft, solange der Gleichgewichtszustand noch nicht erreicht ist, das heißt ΔG ungleich Null ist. Im Gleichgewicht gilt: ΔG = 0. Um Reaktionen energetisch miteinander vergleichen zu können, ermittelt man aus der jeweiligen Gleichgewichtskonstanten den Wert ΔG° (bei organismischen Stoffumsetzungen physiologische Bedingungen, d.h. pH 7, den Wert ΔG°' ). Diese Werte sind Konstanten, da sie sich auf Konzentrationen von 1 mol/L für alle Reaktionspartner (Substrate und Produkte), d.h. auf Standardbedingungen beziehen. Zu beachten ist, dass bei organismischen Stoffumsetzungen die Konzentrationen der Reaktionspartner meistens erheblich von 1 mol/L abweichen und deshalb auch das ΔG erheblich vom ΔG°' abweicht. Negative Werte von ΔG° kennzeichnen exergone Reaktionen. Man beachte, dass eine Reaktion nach der Beziehung

\Delta G=\Delta H - T\cdot\Delta S

(Gibbs-Helmholtz-Gleichung) ΔG = Änderung der Reaktionsenergie (freie Enthalpie/Gibbs-Energie) ΔH = Änderung der Reaktionsenthalpie ΔS = Entropieänderung exergon sein kann, weil sie exotherm abläuft (ΔH ist negativ), oder weil sie Entropie-getrieben ist (ΔS ist positiv). Letzteres ist typisch für Umsetzungen in lebenden Organismen. Exergonen Umsetzungen stehen endergone Reaktionen entgegen. Der freien Enthalpie ΔG kommt hier ein positives Vorzeichen zu. Anders ausgedrückt: in diesem Fall wäre die umgekehrte Reaktionsrichtung bevorzugt, die Rückwärtsreaktion wäre also exergon. Näheres unter freie Enthalpie. Siehe auch: exotherm und endotherm Kategorie:Chemie

Biologie

Biologie bezeichnet die Naturwissenschaft, die sich mit der Organisation und Entwicklung von Individuen, sowie deren Interaktion untereinander und mit ihrer Umwelt beschäftigt. Es ist die Lehre von der lebendigen Natur. Das Wort Biologie setzt sich aus den altgriechischen Wörtern βiοs (bios) = das Leben und λoγοs (logos) = die Lehre zusammen. Die Biologie ist eine äußerst umfassende Wissenschaft, die sich in viele Fachgebiete unterteilen lässt. Die Betrachtungsebenen reichen von Molekülstrukturen über Zellen, Zellverbände und Gewebe zu komplexen Organismen. In größeren Zusammenhängen untersucht man das Verhalten einzelner Organismen, sowie ihr Zusammenspiel mit anderen und ihrer Umwelt. Anders als in der Physik und der Chemie kann man biologische Systeme nicht immer mit mathematischen Formeln beschreiben. Trotzdem gibt es allgemeingültige Prinzipien, die überall in der Natur anzutreffen sind: Universalität, Evolution, Diversität, Kontinuität, Homöostase und Interaktion.

Kurze Historie

siehe auch Geschichte der Biologie Die Lehre vom Leben wurde bereits 600 v.Chr. von Thales von Milet entwickelt, der damals unter anderem glaubte, dass das Leben aus dem Wasser komme. Von der Antike bis ins Mittelalter beruhte die Biologie hauptsächlich auf Beobachtungen der Natur. In die Interpretation flossen häufig Dinge wie die Kraft der Elemente oder eine gewisse Spiritualität ein.
Erst mit Beginn der wissenschaftlichen Revolution begann man sich vom Übernatürlichen zu lösen und beschrieb reine Fakten. Im 16. und 17. Jahrhundert erweiterte sich das Wissen über die Anatomie durch die Wiederaufnahme von Sektionen und neue Erfindungen, wie das Mikroskop, enorm. Die Entwicklung der Chemie brachte auch in der Biologie Fortschritte. Experimente, die zur Entdeckung von molekularen Lebensvorgängen wie der Fermentation und der Photosynthese führten, wurden möglich.
In 19. Jahrhundert wurden die Grundsteine für zwei große neue Zweige der Biologie gelegt: Mendels Arbeiten an Pflanzenkreuzungen begründeten die Vererbungslehre und spätere Genetik und Werke von Lamarck, Darwin und Wallace beschrieben die Evolutionstheorie.
Mit der Weiterentwicklung der Untersuchungsmethoden dringt die Biologie in immer kleinere Dimensionen vor. Das 20. Jahrhundert ist das Zeitalter der Molekularbiologie. Grundlegende Strukturen wie die DNA, Enzyme, Membransysteme und die gesamte Maschinerie der Zelle können selbst auf atomarer Ebene sichtbar gemacht und in ihrer Funktion genauestens aufgeklärt werden.
Mit Beginn des 21. Jahrhunderts beschreitet die Biologie neben dem Beobachten und Beschreiben nun einen neuen Weg. Mit Hilfe der Gentechnik verlässt sie ihren passiven Standpunkt und beginnt die Natur zu verändern. Die Menschheit hat durch die Erkenntnisse der Biologie eine neue Möglichkeit gefunden, die Umwelt den eigenen Bedürfnissen anzupassen. Genetik Meilensteine der Biologie
- 600 v.Chr. Thales von Milet - stellt die erste Theorie zur Entstehung des Lebens auf
- 350 v.Chr. Aristoteles - diverse Schriften zur Zoologie
- 50-70 v.Chr.Plinius - veröffentlicht die 37bändige Historia Naturalis zur Botanik und Zoologie
- 1665 Hooke - Beschreibung von Zellen in Korkgewebe
- 1683 van Leeuwenhoek - entdeckt Bakterien, Einzeller und Blutzellen durch Mikroskopie
- 1839 Schwann und Schleiden - Begründer der Zelltheorie
- 1758 Linné - entwickelt die bis heute gültige Taxonomie im Tier- und Pflanzenreich
- 1858 Darwin und Wallace - widerlegen Lamarcks Ansichten und stellen Evolutionstheorie auf
- 1866 Mendel - Arbeiten über Versuche mit Pflanzenhybriden begründen die Genetik
- 1952 Hershey und Chase - identifizieren die DNA als Träger der Erbinformation

Einteilung der Fachgebiete

Chase
Die Biologie als Wissenschaft lässt sich durch die Vielzahl von Lebewesen, Untersuchungstechniken und Fragestellungen nach verschiedenen Kriterien in Teilbereiche untergliedern: Die verschiedenen Systeme überschneiden sich jedoch, da beispielsweise die Genetik viele Organismengruppen betrachtet und in der Zoologie sowohl die molekulare Ebene der Tiere als auch ihr Verhalten untereinander erforscht wird. Die Abbildung zeigt in kompakter Form eine Ordnung, die beide Systeme miteinander verbindet.
Im Folgenden wird ein Überblick über die verschiedenen Hierarchie-Ebenen und den zugehörigen Gegenständen der Biologie gegeben. In seiner Einteilung orientiert er sich an der Abbildung. Beispielhaft sind Fachgebiete aufgeführt, die vornehmlich die jeweilige Ebene betrachten.

Biomoleküle

Zoologie Die unterste Stufe in der Hierarchie bilden jene biologischen Teilbereiche, die sich mit Molekülen beschäftigen. Zu den großen biologisch wichtigen Molekülgruppen gehören:
- Nukleinsäuren
- Lipide
- Proteine, hier besonders die Enzyme
- Kohlenhydrate
- Hormone, Pheromone Die Nukleinsäuren DNA und RNA sind als Speicher der Erbinformation ein wichtiges Objekt der Forschung. Man untersucht die Vielzahl der Gene, ihre Regulation und entschlüsselt die darin codierten Proteine.
Eine weitere große Bedeutung kommt den Proteinen und hier vor allem den Enzymen zu. Sie sind als biologische Katalysatoren für beinahe alle stoffumsetzenden Reaktionen in Lebewesen verantwortlich.
Neben den aufgeführten Gruppen gibt es noch viele weitere, wie Alkaloide, Terpene und Steroide. Allen gemeinsam ist ein Grundgerüst aus Kohlenstoff, Wasserstoff und oft auch Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel. Auch Metalle spielen in sehr geringen Mengen in manchen Biomolekülen eine Rolle. biologische Disziplinen, vornehmlich auf dieser Ebene
- Biochemie, Molekularbiologie
- Genetik und Epigenetik (DNA-unabhängige Vererbung von Merkmalen)
- Pharmazeutische Biologie, Toxikologie

Zellen und Zellorganellen

Toxikologieer Einzeller]] Zellen sind grundlegende strukturelle und funktionelle Einheiten von Lebewesen. Man unterscheidet zwischen prokaryotischen Zellen, die keinen Zellkern besitzen und wenig untergliedert sind, und eukaryotischen Zellen, deren Erbinformation sich in einem Zellkern befindet und die verschiedenste Zellorganellen enthalten. Zellorganellen sind durch einfache oder doppelte Membranen abgegrenzte Reaktionsräume innerhalb einer Zelle. Sie ermöglichen den gleichzeitigen Ablauf verschiedener, auch entgegengesetzter chemischer Reaktionen.
Einen großen Teil der belebten Welt stellen Organismen, die nur aus einer Zelle bestehen, die Einzeller. Sie können dabei aus einer prokaryotischen Zelle bestehen (die Bakterien), oder aus einer eukaryotischen (wie manche Pilze).
In mehrzelligen Organismen schließen sich viele Zellen gleicher Bauart und mit gleicher Funktion zu Geweben zusammen. Mehrere Gewebe mit Funktionen, die ineinandergreifen, bilden ein Organ. biologische Disziplinen, vornehmlich auf dieser Ebene (Beispiele):
- Zellbiologie, Zellphysiologie
- Mykologie, Mikrobiologie, Protozoologie, Phykologie
- Immunologie, Neurobiologie
- Histologie, Anatomie

Individuen

Individuen sind eigenständig lebensfähige Wesen, die innerhalb einer Art einander ähnlich, aber nie gleich sind. Jedes Individuum einer Art ist aus gleichen Bausteinen nach dem gleichen Grundbauplan zusammengesetzt. Dennoch ist jedes einzigartig.
Durch kleine Unterschiede sind manche Individuen besser an ihre Umwelt angepasst und haben einen Vorteil gegenüber anderen Artgenossen. Sie können sich besser vermehren und üben daher einen stärkeren Einfluss auf die Entwicklung ihrer Art aus, als ein schwächeres Exemplar. biologische Disziplinen, die diese Ebene auch betrachten (Beispiele):
- Anthropologie, Zoologie, Botanik
- Verhaltensbiologie

Populationen

Verhaltensbiologie Eine Population ist eine Fortpflanzungsgemeinschaft innerhalb einer Art in einem zeitlich und räumlich begrenzten Gebiet. Viele Arten bilden soziale Verbände unterschiedlichster Strukturierung. Die Organisationsformen reichen von einem riesigen Bienenvolk mit nur einer Königin, über die strenge Hackordnung bei Hühnern zum gemeinschaftlichen Leben von Wölfen in einem Rudel. Neben den sozialen Strukturen innerhalb einer Population betrachtet man hier auch die evolutionäre Entwicklung. Eine abgegrenzte Population, die keinen Kontakt zu anderen ihrer Art hat, kann im Verlaufe von vielen Jahren durch Anpassung an spezielle Umwelteinflüsse eine eigene Art herausbilden. biologische Disziplinen, vornehmlich auf dieser Ebene (Beispiele):
- Ökologie
- Verhaltensbiologie, Soziobiologie Geordnet nach den Gegenständen, sind auch die Gesellschaftswissenschaften Teilbereich der Biologie, denn auch sie betrachten Kombinationen biologischer Objekte. Auch die Gesellschaften haben eine evolutionäre Grundlage. Diese Wissenschaften werden jedoch derzeit nicht von allen Autoren unter die Biologie geordnet. Während Teilbereiche wie Sozialpsychologie, Ethnologie oder Demographie, welche einer weitgreifenden Anwendung der Ökologie auf den Menschen entspricht, noch als biologische Teildisziplinen durchgehen, werden Pädagogik, Kunstwissenschaft, Sprachwissenschaften oder auch die Rechtswissenschaft nicht unter die Biologie geordnet.

Biozönosen

Biozönosen stellen Gemeinschaften von Organismen verschiedenster Arten und Abstammung, von Pflanzen über Tiere bis auf die Stufe der Bakterien. Sie beeinflussen sich gegenseitig sowohl in ihrer Individualentwicklung, als auch in ihrer Evolution.
Die Lebewesen können sich positiv (z.B. Symbiose), negativ (z.B. Freßfeinde, Parasitismus) oder einfach gar nicht beeinflussen. Die Biozönose lebt in einen Biotop und bildet zusammen mit diesem ein Ökosystem. biologische Disziplinen, vornehmlich auf dieser Ebene (Beispiele):
- Biogeographie, Biozönologie
- Ökologie, Chorologie, Geobotanik

Die Entwicklung

Jedes Lebewesen ist Resultat einer Entwicklung. Nach Ernst Haeckel lässt sich diese Entwicklung auf zwei zeitlich unterschiedlichen Ebenen betrachten:
- Die Ontogenese ist die Individualentwicklung eines einzelnen Organismus von seiner Zeugung, über seine verschiedenen Lebensstadien bis hin zum Tod. Die Entwicklungsbiologie untersucht diesen Verlauf.
- Die Phylogenese beschreibt die Entwicklung einer Art im Verlauf von Generationen. Hier betrachtet die Evolutionsbiologie die langfristige Anpassung an Umweltbedingungen und die Aufspaltung in neue Arten. Auf der Grundlage der phylogenetischen Entwicklung ordnet die biologische Taxonomie alle Lebewesen in ein Schema ein. Die Gesamtheit aller Organismen wird in drei Gruppen, die Domänen, unterteilt, welche wiederum weiter untergliedert werden: Domänen
- Archaebakterien (Archaea)
- Bakterien (Bacteria)
- Eukaryoten (Eukarya)
- Tiere (Animalia)
- Pflanzen (Plantae)
- Pilze (Fungi)

Exotherm

Chemie

Was ist Chemie?

Definition

Stoff und Stoffumsetzung

Atom und Molekül

Bedeutung der Chemie

Geschichte der Chemie

Chemie im Alltag

Chemie als Wissenschaft

Wirtschaftliche Bedeutung der Chemie

Ansehen der Chemie

Fachrichtungen

Chemie in der Wikipedia

Allgemeine Chemie

Anorganische Chemie

Organische Chemie

Physikalische Chemie

Biochemie

Theoretische Chemie

Analytische Chemie

Technische Chemie

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Chemische Grundbegriffe

Chemischer Formalismus

Berühmte Chemiker

Literatur

Weblinks

Wärme

Siehe auch

Wärme

Siehe auch

Verbrennung

Brennstoff

Brennstoffpreise

Verwendung der Brennstoffe

Herkunft der Brennstoffe

Einteilung und Kennzahlen der Brennstoffe

Feste Brennstoffe

Flüssige Brennstoffe

Gasförmige Brennstoffe

Weitere Brennstoffe

Kernphysik

Geschichte

Siehe auch

Weblinks

Kernspaltung

Bau des Atomkerns

Spontane Spaltung

Induzierte Kernspaltung

Typische Spaltprodukte

Technische Aspekte

Kettenreaktion

Kritische Masse

Moderatoren

Anreicherung

Anwendungen

Kernreaktor

Kernwaffen

Geschichte

Wärme

Siehe auch

Kernfusion

Nutzung auf der Erde

Kalte Fusion und verwandte Verfahren

Reaktionen (Auswahl)

Weblinks

Siehe auch

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