Weißt Du, was die Coulombbarriere ist?

Obwohl mir der Begriff Coulombbarriere zum ersten Mal begegnet ist, weiß ich dank des Autors

Luciano Rezzolla: Die unwiderstehliche Anziehung der Schwerkraft. Eine Entdeckungsreise zu den Schwarzen Löchern 

dass er etwas mit Sternen zu tun hat. Luciano ist Professor für Theoretische Astrophysik und setzt in seinem Buch alles daran, Laien wie mir sein Wissen zu vermitteln. Daher erklärt er Dinge aus der Physik, Chemie und Astronomie, die für ihn selbstverständlich sind, ausführlich, ohne dabei beim Urschleim anzufangen.

An dieser Stelle gebe ich seine Erklärung der Coulombbarriere wieder und füge die Prise Urschleim hinzu, die mir fehlt, um seine Erklärung wirklich begreifen zu können.

Was hat die Coulombbarriere laut unserem Autor mit Sternen zu tun?

Die Sonne ist ein Stern, die Erde ein Planet. Was die Sonne zum Stern macht, ist die Tatsache, dass sie Energie abstrahlt. Sterne strahlen diese Energie in Form von Wärme ab, indem sie Elemente miteinander fusionieren.

Bei der Fusion wird zum einen Energie frei, zum anderen sind die neuen Elemente, die durch die Fusion entstehen, immer schwerer als die Elemente, die fusioniert wurden. Die Fusion findet in Stufen statt:

• Wasserstoff (ein Elektron) wird zu Helium (2 Elektronen)
• Helium wird zu Kohlenstoff (6 Elektronen)
• Kohlenstoff wird zu Neon (10 Elektronen)
• usw.

Die Fusionen enden spätestens bei Eisen, da diese Fusion mehr Energie braucht, als sie abgibt. Wie viele Fusionsstufen ein Stern schafft ist von seiner Größe abhängig. Je größer er ist, desto mehr Stufen schafft er. Zu kleine Sterne scheitern an der Coulombbarriere. In den Worten unseres Autors klingt dieses Scheitern so:

„Unterhalb kritischer Temperaturen und Dichten zünden diese Fusionsreaktionen nicht. Dies geschieht deshalb, weil sich die beteiligten Atomkerne mit ihren positiven Ladungen gegenseitig abstoßen. Um sie zusammenzubringen – die sogenannte Coulombbarriere zu überwinden -, braucht es diese hohen Temperaturen und Dichten.“

S. 84f.

Obwohl die Erklärung sehr verständlich ist, habe ich noch nicht das Gefühl, dass ich wirklich weiß, was die Coulombbarriere ist. So frage ich mich zum Beispiel, woher der Name Coulomb kommt. Aus diesem Grund greifen wir nun wie immer zu unserem schlauen Lexikon, um diese Wissenslücke zu füllen.

Was das Lexikon sagt

Unser Lexikon kennt die Coulombbarriere nicht, dafür hält es allerdings zwei Einträge für Coulomb bereit, die möglicherweise eine Fährte für unsere heutige Recherche enthalten.

Coulomb [kuˈl ​ɔ̃] das, Einheitenzeichen C, SI-Einheit der elektr. Ladung (Elektrizitätsmenge): 1 C ist gleich der Elektrizitätsmenge, die während 1 s bei einem zeitlich unveränderl. Strom der Stärke 1 A durch den Querschnitt eines Leiters fließt: 1 C = 1 As bzw. 1 A · s (Amperesekunde).

Das Zeit Lexikon. Mit dem Besten aus der Zeit, Band 03, S. 173.

Coulomb [kuˈl ​ɔ̃], Charles Augustin de, frz. Physiker und Ingenieur, *Angoulême 14. 6. 1736, † Paris 23. 8. 1806; führte u. a. den Begriff des magnet. Moments ein und begründete die Theorie der elektr. Polarisation, fand 1785 mithilfe der von ihm er- bauten Drehwaage das für die Elektro- und Magnetostatik grundlegende coulombsche Gesetz über die zw. elektr. Ladungen oder Magnetpolen wirkenden Kräfte (↑ Elektrizität, ↑Magnetismus).

Das Zeit Lexikon. Mit dem Besten aus der Zeit, Band 03, S. 173.

Könnte Charles Augustin de Coulomb aus unserem Lexikon nicht nur der Entdecker des coulombschen Gesetztes, sondern auch der Entdecker der Coulombbarriere sein? Ich bin gespannt, was das Internet sagt.

Was das Internet sagt

Dieser Wikipedia Beitrag bestätigt die Vermutung, dass Charles August aus unserem Lexikon auch der Namensgeber der Coulombbarriere bzw. des Coulombwall ist.

Die Webseite leifiphysik.de hat mir die verständlichste Erklärung für die Coulombbarriere geliefert. Tatsächlich ist diese 1 zu 1 das, was unser Autor Luciano in seinem Buch erklärt: Eine Barriere zwischen Atomen gleicher Ladung.

Das Phänomen, dass gleiche Ladungen sich abstoßen, kennen wir aus dem Alltag, wenn wir versuchen, den Nordpol eines Magneten mit dem Nordpol eines anderen Magneten zusammen zu bringen. Wir können die beiden mit viel Kraft näher aneinander bringen, doch zusammen werden wir sie nicht bringen, weil sich die beiden Pole abstoßen. 

Wir haben vorhin gelernt, dass im Rahmen der Fusion immer schwerere Elemente entstehen. Je schwerer ein Element ist, desto größer ist seine Abstoßung zu anderen Elementen. Daher kommt die Fusion bei kleinen Sternen zum Erliegen, bevor die Elemente zu Eisen fusioniert sind.

Die Coulombbarriere lässt sich mit Hitze überwinden. Je größer ein Stern ist, desto mehr Fusionen können gleichzeitig stattfinden. Mehr Fusionen bedeuten mehr Energie, sprich Wärme bzw. Hitze. Sterne, die heiß genug sind, fusionieren so lange bis Eisen entsteht. Unser Autor schreibt, dass ein Stern 20 bis 30 Sonnenmassen braucht, um Eisen fusionieren zu können.

Spekulation: Warum hilft Hitze die Barriere zu durchbrechen?

Im Internet habe ich keine Antwort auf die Frage gefunden, warum die Coulombbarriere bei höherer Hitze durchbrochen werden kann. Daher stelle ich nun eine Vermutung an, die auf meinem Schulwissen beruht und völlig falsch sein kann. 

Schauen wir uns hierfür Wasser an. Bei -10°C ist Wasser gefroren. Die Atome im Wasser haben einen festen Platz und können diesen nicht wechseln. Bei +10°C ist Wasser flüssig. Die Atome im Wasser haben keinen festen Platz, sie können die Positionen tauschen, die Wassermasse aber nicht verlassen. Bei 120°C bewegen sich die Atome so schnell, dass das Wasser zu verdampfen beginnt. Einzelne Atome können das Wasser nun verlassen und steigen als Wasserdampf auf. Je wärmer Wasser ist, desto mehr bewegen sich die Atome im Wasser.

Ich vermute nun, dass dieses „mehr Hitze = mehr Atombewegungsphänomene“ der Grund für den Durchbruch der Coulombbarriere sein könnte. In einem Stern sind wahnsinnig viele Atome, die sich gegenseitig abstoßen. Die, die sich außen befinden, können wie Wasserdampf abgestoßen werden, doch die drinnen im Sternenkern können nicht weg. Die stoßen sich gegenseitig ab. Da kein Platz ist, kommt es beim Abstoßen von der einen Seite manchmal dazu, dass zwei Atome miteinander fusionieren, weil sie von anderen Atomen ineinander geschubst wurden. 

In meinen Ohren klingt dieser Erklärungsansatz plausibel. Solltest Du Ahnung von der Materie haben, würde ich mich sehr freuen, wenn Du mir in den Kommentaren verrätst, ob die Vermutung stimmt, oder nicht.

Fazit

Dank unserer Recherche wissen wir nun nicht nur, was die Coulombbarriere ist, sondern auch, wer ihr Namensgeber ist. Zudem habe ich heute wieder eine Menge gelernt. Bis jetzt wusste ich nicht, dass die Fusion eines Sterns bei Eisen endet und dass es dafür eine bestimmte Größe benötigt.