HELIUM

Nicht nur in Luftballonen spielt Helium eine große Rolle.
Von Physikern nicht zu Unrecht als ALPHATEILCHEN bezeichnet, bauen sich alle anderen Elemente vorwiegend aus dieser stabilen Schwingungskombination auf. Wir erfahren die Ursache für diese Festigkeit und lernen das Gegenteil, die RADIOAKTIVITÄT kennen.
Auch KOHLENSTOFF, Grundträger allen organischen Lebens, baut sich im Grunde aus 3 Heliumfeldern auf. Nach welchem Prinzip dies geschieht, erörtern wir in diesem Kapitel.

     Da Alldruck und Krümmkraft von den umliegenden Feldern verursacht werden, bergen sie einen merkwürdigen Aspekt in sich: Löschte man rings um uns den Kosmos aus, so verschwänden alle scheinbaren Anziehungskräfte und wir zerfie­len zurück in ein Chaos oder lösten uns in ein Vakuum auf  - in welchem allerdings wieder ein neues Universum beginnen könnte. Da das Universum um uns sich zwar niemals auslöscht, sich aber infolge des Anstoßungsdrucks ausdehnt,  lässt logischerweise genau dieser Druck kontinuierlich nach. Materie wird daher ganz allgemein dem Zerfall anheim fallen - und es ist zu hoffen, dass eine ausgleichende Bildung neuer Materie stattfindet (wie dies Fred Hoyle in seiner Steady-State-Theorie vom Universum postuliert) um das Erscheinungsbild des Universum  aufrecht zu erhalten.

    In den Teilchenbeschleunigern hat man es bei der Erzeugung von Materie aus Gammastrahlen immerhin schon bis zu Mesonen gebracht - zumindest glaubt man das. Da man nicht Hunderttausend Jahre warten will, bis einmal aus irgendeiner Strahlungskonstellation rein zufällig ein Proton entsteht, versucht man mit Einsatz höchster Energien Materie zu erzeugen. Das wird eines Tages sehr wahrscheinlich auch gelingen, falls man nicht vorher die Lust dazu verliert, die sündteuren und eigentlich sinnlosen Teilchenbeschleuniger noch länger zu finanzieren. Einige hat man schon zugesperrt und einige werden nicht mehr fertig gestellt.

   Da wir die Hypothese des Urknalls für die Weltentstehung nicht benötigen, stehen uns die theoretisch geforderten hohen Temperaturen auch nicht zur Verfügung, die eine Protonenentstehung ermöglichen sollten - sie sind auch nicht generell notwendig. Wir können davon ausgehen, dass in den Atommeilern der Sonnen nicht nur Protonen fusioniert werden, sondern auch Protonen selbst entstehen - vermutlich als höchst seltenes Ereignis. Aber so alle paar Tausend Jahre ein einziges Proton reicht übrigens schon, um den expansionsbedingten Materieverlust des Universums zu ersetzen! Ja, ein einziges! Es wird daher schon eine Zeitlang gedauert haben, bis die gesamte Materie des Alls beisammen war... Aber das Universum ist ja nicht die Asche einer göttlichen Neujahrsrakete sondern ein Produkt der Ewigkeit! Und die Vereinigung von Protonen zu höheren Elementen dürfte ein noch selteneres Ereignis sein. Aber diese Prozesse setzen erst ein, wenn eine große Menge von Protonen unter  bestimmten Bedingungen vorhanden sind. So können auch seltene Fusionen im Lauf der Zeit die ohnedies verhältnismäßig gering vorhandenen höheren Elemente zustande bringen.

   Wir schilderten schon die Energieschwelle, die der Alldruck überwinden muss, um zwei Kugelfelder so eng aneinander zu bringen, damit die Krümmkraft sie zusammenschmiedet. Nach Überwindung der Abstoßung schnellen zwei Felder wie mit Federkraft ineinander. Sie bilden ein neues, gemeinsames Feld, das zwar Kugelgestalt anstrebt, dies aber nur im Rahmen möglicher Energieverteilung verwirklichen kann. Atome oder Atomkerne sind deshalb nur im Idealfall vollkommen rund, meist sind sie birnen- ei- oder hantelförmig, auch Felder, die aussehen wie eine Erdnuss sind möglich. Das Verhält­nis von Widerstand (Abstoßung) und Krümmkraft (scheinbare Anziehung) bestimmt die Größe eines Atoms; bei jedem neu gebildeten Feld stellt sich ein neues Verhältnis dieser Kräfte ein. Das Kriterium zur Beurteilung dieser wichtigen Reaktion ist die Oberfläche eines Feldes, gewissermaßen eine Art Widerstandshülle. (siehe zum Thema auch den Diskussionsbeitrag "Kernkraft"!)

    Zwei einzelne Protonen bergen unter ihren Oberflächen eine bestimmte Energiedichte, die bei Vereinigung zu einem neuen Feld zu doppeltem Volumen anwächst - dies aber unter einer nun plötzlich kleineren Oberfläche als die Summe der Oberflä­chen zuvor ausgemacht hätte. Auf dieser relativ kleiner gewordenen Oberfläche findet der Alldruck mit einemmal weniger Angriffs­punkte als vorher zuvor bei den Einzelfeldern. Dagegen hämmert gegen die neue, verkleinerte In­nenfläche die verdoppelte Energie. Das bedeutet: die zuvor be­standenen Gleichgewichtsverhältnisse sind zerstört, zuerst rücken die umliegenden Felder nach, dann bläht sich das neue Kugelfeld stoßartig auf, bis sich ein neues Gleich­gewichtsverhältnis einstellt. Dieser Stoß ist so gewaltig, dass er eine intensive Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung verschiedenster Art verursacht. Dieser enorme Energiestoß bleibt der Umwelt nicht verborgen; wir nennen sie Fusionsenergie! Mit ihr wurde sowohl ein Teil der den Protonen innewohnen­den Energie freigegeben, als auch die Kraft des Alldrucks unmittelbar zur Wirksamkeit gebracht.

    Die neue Widerstandshülle des neuen Summenfeldes ist also relativ kleiner - wie es die Geometrie der Kugel eben so mit sich  bringt. Damit erklärt sich auch der sogenannte Massendefekt. Die Masse des neuen Feldes scheint nun kleiner als die Summe der Einzelmassen zu sein - aber das versteht sich eigentlich fast von selbst.

     In diesem Zusammenhang sollten wir wissen, wie man die Massen derart kleiner Felder feststellt. Das dazu ent­wickelte Gerät heißt Massenspektograph. Die zu untersu­chenden Atome werden zuerst durch ein elektrisches Feld und dann durch ein magnetisches geschickt. Durch raffinierte Ab­lenkungsmethoden wird der Geschwindigkeitsunterschied der Atome (Kanalstrahlen) ausgeglichen. Der Grad ihrer Ablenkun­gen im elektromagnetischen Feld gibt dann Rückschlussmög­lichkeiten auf ihre Masse, die sich ja aus der Trägheit ihres Verhaltens definiert. Damit wird sofort klar, dass sich jede Oberflächenveränderung eines fusionierten Feldes als veränderte Ladung niederschlägt. Es wird daher im Magnetfeld etwas mehr abgelenkt und zeigt damit geringere Masse an. Wir sollten ja nicht vergessen, dass Masse eine Abstraktum ist, das keine Substanz bedeutet! Ladungsarme Neutronen schei­nen deshalb etwas schwerer als Protonen zu sein, da sie auf Magnetfelder kaum Reaktion zeigen. Aber Neutronen sind in Wahrheit ganz gleich "schwer" wie Protonen!

   Rund ein Viertel der Feldenergie wird bei der Vereinigung zweier Felder frei, weil sich die Oberfläche des neuen Feldes etwa um diesen Betrag verkleinert. Der "Massenverlust" entspricht dieser freigewordenen Energie. Die technische Nutzung dieses Phänomens stößt auf das Hindernis, dass meist mehr Energie aufgewendet werden muss, um die Felder über die Abstoßungsschwelle zu bringen, als im Endef­fekt herauskommt. Aber es gibt einen Trick, diese Schwierig­keit zu umgehen, welcher sicher in der Sonne seine Verwen­dung findet. Wir wissen ja, dass das Feld des Protons ein zeitlich-räumliches Produkt ist. Es gibt also an jedem Punkt des Feldes einen Augenblick, in dem das Feld sozusagen gar nicht vorhanden ist. Im Bereich der Wahrscheinlichkeit liegt es nun, dass ein zweites Feld gerade in diesem Augenblick einen Annäherungsversuch unternimmt - und womöglich gerade selbst an dieser Stelle "abwesend" ist. Dann passiert so eine  Art Tunneleffekt. Das heißt, schieben wir solcherart ein Wasserstoff-Molekel zur Gänze ineinander, erhalten wir so ein Vereinigungsfeld tatsächlich. Es kommt in der Natur vor und heißt Deuteron. Ebenso wie Wasserstoff bildet es Pärchen und erhielt in dieser Form den Namen Deuterium (D₂). Deute­ron besteht demnach aus zwei Protonen, die allerdings nicht nebeneinander liegen sondern ineinander und damit ein hun­dertprozentiges Überlappungsintegral bilden. Unser Ventilator­rad hat plötzlich zwei Flügel!

    Wenn wir dem Deuteron noch ein weiteres Feld hineinknallen bzw. es über den Tunneleffekt hineinschwindeln, erhalten wir wieder Energiegewinn und Massenverlust - aber auch ein neues Feld mit neuem Namen: Tritium. Wir können uns aber vorstellen, dass dieses neue Feld unsymmetrisch schwingt, schwer Harmonie aufrecht erhält und daher bald wieder zer­fällt. Der dritte Ventilatorflügel stört, er wird rausgeworfen und verliert prompt seine Schwingung. Was aus dem Feld he­rauskommt, ist demnach ein Neutron! Tritium (ein Heliumiso­top) ist deshalb radioaktiv. Es zerfällt wieder zu Deute­rium. Aber auch Deuterium lebt nicht ewig und kann wieder zu Wasserstoff zerfallen. Bei all diesen Prozessen stellen sich wiederum neue Gleichgewichtssituationen zwischen All- und Eigendruck ein. Die getrennten Felder vergrößern sich wieder, werden aber sofort vom Alldruck komprimiert (er findet ei­ne größere Angriffsfläche vor!), und abermals wird dabei stoßartig Energie frei!

    Die Fusionsprozesse von vorhin lassen sich weiter fortsetzen. Knallen wir zwei Deuteronen ineinander oder vier Wasserstoffatome oder zwei Tritiumfelder, so kann sich mitunter ein neues Feld bilden, in dem gewissermaßen vier Protonen ineinander ver­schachtelt sind. Dies ist deshalb möglich, weil die Impulse nicht in  den gleichen Räumen liegen -  zwei liegen, sagen wir, vorne und zwei hinten. Sie können das Feld ausfüllen, indem sie einander ausweichen, ohne sich zu stören. Dieses Ventilatorrad mit vier Flügeln heißt Helium. Es ist nichts geringeres als der Hauptbaustein der Welt!

Abb.56                        Abb.57                      Abb.58

    Die Abbildung 56 symbolisiert die Vereinigung zweier Protonen zu einem Deuteron. Die Verdoppelung dieses Schwingfeldes zeigt die Abbildung 57: Helium. Die Abbildungen reduzieren das Geschehen auf die Ebene des Papiers - ein besseres Bild erhalten wir, wenn wir versuchen, der Dreidimensionalität des Feldes entsprechend die Impulsbahnen zu zeichnen. Das bringt uns ungefähr ein Bild, wie es die Abbildung 58 darstellt. Diese Abbildung lässt auch sofort erkennen, dass die Richtun­gen aller Impulse dieselben sind.

    Das Feld wird dicht mit Impulsen erfüllt; damit ist ein Maximum der Energiedichte erreicht. Ein weiteres Eintunneln eines Impulses ist nicht mehr denkbar. Wir sehen darüber hinaus deutlich, dass die Impulse an einer (oder mehreren) Stelle(n) des Feldes eine Kreisschwingung bilden (1). Diese charakteristische Stelle des Feldes treffen wir bei allen Feldern zumindest einmal, aber auch mehrmals an. Aus dieser Schwingung resultiert die Bindefähigkeit eines Atoms, wir nennen sie Valenz. Da diese Schwingung wiederum ein raum-zeitliches Produkt ist, kann sie - unabhän­gig von der Gesamtpolarisation des Atoms - links oder rechts polarisiert ausfallen. Darauf werden wir später noch zurück kommen.

    Immer ist die Energiedichte eines Feldes seiner Oberfläche umgekehrt proportional. Dementsprechend verändern sich die Größen - also die Abstände zueinander. Hätte ein Gramm Was­serstoffatome noch ein Volumen von 10 cm³, so benötigt ein Gramm Helium nun nicht den vierfachen Raum, sondern nur etwa 27 cm³. Daraus ergibt sich ein Grundsatz: Je energierei­cher ein Atom wird, desto kleiner wird es. Das leuchtet uns auch sofort ein, wenn wir bedenken, dass zwei Atome einander dort begrenzen, wo gleich große Kräfte aufeinander treffen. Das gilt auch in Bezug auf den Alldruck, der jedes Feld auf den ihm gebührenden Raum verweist. Das bedeutet aber auch, dass ein Heliumatom unter Heliumatomen eine andere Größe annimmt als unter Eisenatomen...

    Wie man sich vorstellen kann, hat das Heliumatom eine unge­heuer kompakte Natur. Physiker nennen dieses dichte Feld auch Alphateilchen. Teilchentheoretisch besteht es aus zwei Protonen, zwei Neutronen und zwei Elektronen. Aber begreiflicherweise ist es unmöglich, tatsächlich solche Bestandteile aus einem Heliumatom herauszubekommen, eben weil sie gar nicht in ihm vorhanden sind. Schon aus diesem Grund ist es schlechthin unmöglich, ein Heliumatom zu spalten. Be­schießt man es mit anderen Teilchen, so kommt es zwar zu einer Reihe von Stoßprozessen, aber ein Alphateilchen bleibt ein Alphateilchen. Sogar hochenergetische Gammastrahlen pral­len förmlich von ihm ab... Helium ist aus diesem Grund das erste einer Reihe von beson­ders stolzen Atomen: den Edelgasen. So wie die anderen Ver­treter dieser Gattung bildet es nur sehr ungern und in Aus­nahmefällen molekulare Ehen und geht nicht einmal eine lockere Pärchenbeziehung ein, wie der Wasserstoff. Es ist nun überhaupt nicht zwingend vorgeschrieben, dass Helium nur über den Umweg Deuteron und Tritium entstehen kann. Geradeso gut sind Begegnungsprozesse mit vier Proto­nen denkbar. Sicher ist es äußerst selten, dass vier "Störun­gen" aufeinander treffen und ein harmonisches Schwingfeld bilden  - unmöglich ist es jedoch nicht.

    Es gibt also für die Entstehung dieses Hauptbausteines der Welt viele verschiedene Möglichkeiten, und es ist daher nicht überraschend, dass Heli­um das zweithäufigste Element des Kosmos ist und ge­naugenommen noch viel häufiger vorkommt, denn alle anderen Atome dieser Welt sind Kombinationen aus Helium, Wasserstoff, Deuterium und Neutronen. Und sie alle sind dazu verurteilt, eines Tages wieder zu diesen Grundelementen zu zerfallen! Diese Grundelemente wollen wir auch Primärfelder nennen. Ihre weitere Vereinigung zu neuen Elementen ist ein simples Puzzlespiel. . .

    Würden zwei Heliumfelder ihre Schwelle überschreiten, bis die Krümmkraft wirkt, so könnten sie nur wenig ineinander eindringen, um ein gemeinsames Feld zu bilden. Sie würden sicher nach einigen Sekundenbruchteilen wieder auseinander fallen; das Verhältnis der Kräfte zueinander ist schlecht. Anders verhält sich die Situation sofort, wenn drei Heliumfel­der zusammenkommen. Diese Dreieinigkeit bietet dem Alldruck bereits mehr Möglichkeiten, sie aneinander zu ketten; jedes der Felder liegt praktisch in einem Lagran'schen Punkt der anderen, und deshalb kommt diese innige Verbindung sehr häufig vor. Es handelt sich hierbei um das wichtigste Atom des Lebens: den Kohlenstoff.

   Wir können uns gut vorstel­len, wie dieses Kohlenstoffatom aussieht: drei Heliumfelder, somit drei Alphateilchen pressen sich zitronenspaltenartig aneinander (Abbildung 59). Die Hüllen signalisieren nur einen willkürlichen Energiebereich, das Atomfeld selbst ist ja unsichtbar. Ein Kohlenstoffatom ist also recht einfach aufgebaut. Es ist auch das unsymmetrischste Atom unter allen Elementen, aber gerade darauf gründet sich seine enorme Vielseitigkeit.

Abb.59

    Selbstverständlich lassen sich auch einige andere Elemente ebenso ein­fach aus Heliumfeldern kombinieren. Die Vereinigung von vier Alphateilchen heißt Sauerstoff, ¹⁶O. Fünf Alphateilchen bilden wieder ein be­sonders symmetrisches Feld: Neon, ²⁰Ne. Es ist daher, wie zu erwar­ten, ein Edelgas. Sechs Alphateil­chen ergeben Magnesium, ²⁴Mg. Sieben -  Silizium, ²⁸Si. Acht - Schwefel, ³²S, Zehn - Kalzium, ⁴⁰Ca. Dreizehn - Chrom, ⁵²Cr. Und vierzehn - Eisen, ⁵⁶Fe!

    Sollte es uns noch besonders über­raschen, dass ausgerechnet die gerade  aufgezählten Elemente die häufigsten Erscheinungsformen der Materie innerhalb unseres Universums sind? Offenbar ist ihre Entstehung recht unproble­matisch... Elf vereinigte Heliumfelder könnten ein Scandium-Isotop sein. Zwölf ergeben Titan, ein ebenfalls sehr häufig vorkommendes Element.

    Genau so wie mit den Heliumfeldern könnten wir nun mit den Deuteronen verfahren. Aber Deuteronen sind nicht so stabil; es ist sehr unwahrscheinlich, dass sie beim Aufbau der Mate­rie eine große Rolle spielen. Überwiegend sind deshalb alle Atome aus den Primärfeldern Proton und Helium gebildet, wo­bei Neutronen das Zusammenleben etwas erträglicher gestal­ten. Wir könnten nach diesem hier angedeuteten Schema eine komplette Kristallographie der Elemente erarbeiten, aber es würde wohl ein wenig zu weit gehen, alle Kombinationen an dieser Stelle durchzuspielen.

    Etwa 1500 solcher Kombinationen gibt es. Ungefähr 75 Prozent davon sind instabil; sie verwandeln sich über kurz oder lang in stabile Nuklide.

    Atome mit gerader Massenzahl ( ²⁰Ne oder ³²S) müssten unse­rer Anschauung nach besonders häufig anzutreffen sein und besondere Stabilität aufweisen. In der Tat trifft dies auch zu: Alle derartigen Atome sind besonders beständig und um mindestens eine Zehnerpotenz häufiger als Nuklide mit ungera­der Massenzahl. Das beweist ihre Zusammensetzung aus den Primärfeldern; alle diese Elemente bestehen sozusagen aus Helium und Wasserstoff. Die gerade Massenzahl wird haupt­sächlich von den Alphateilchen bestimmt (= 4 Protonen, bzw. 2 Protonen und 2 Neutronen). Dazu kommen zusätzlich ange­baute Protonen und Neutronen, welche die Stabilität bereits herabsetzen. Alle Elemente mit ungerader Massenzahl sind deshalb vorwiegend unbeständig. Ausnahmen bilden nur sehr leichte Elemente wie (2 x 3=) ⁶Li, (2 x 5=) ¹⁰B und (2 x 7=) ¹⁴N. Auch das Wasserstoff-Molekel ²H hat eine ungerade Massen­zahl (2 x 1) und kann daher getrennt werden.

    162 Atomarten sind mit Sicherheit aus Helium und Wasserstoff­pärchen zusammengesetzt (also nicht Deuterium!). Allzu viele Primärfelder und Neutronen stören den Zusammenhalt bereits stark; besonders schwere Atome tendieren deshalb zur Radioak­tivität, die wir später noch genauer besprechen werden. Eine Molekelbildung wie beim Wasserstoff kommt besonders bei un­symmetrischen Atomen vor; ihre Anlagerungsmöglichkeiten sind besonders ausgeprägt - sie können sich deshalb auch unterei­nander ganz gut verbinden. Ihre Unsymmetrien sind leicht zu verstehen, denn je mehr Primärfelder zusammenkommen, desto symmetrischer muss das Gebilde ausfallen. Unsymmetrien und Molekelbildung finden wir deshalb besonders bei leichten Elementen mit ungerader Massenzahl bis zum Stickstoff, ¹⁴N; aber auch Kohlenstoff ist aufgrund seiner auffallenden Unsymmetrie von großer Selbstliebe befallen, ebenso wie Sauerstoff, der mit Vorliebe ein Dreiermolekel, 0₃ , bildet, das den Namen Ozon führt.

    In allen Fällen bestimmt sich die Vorliebe der Atome, Bindun­gen einzugehen, aus der räumlichen Struktur und ihren Schwingungseigenschaften (= Elektrizität). Immer gehen diese Beschaffenheiten auf die Anordnungen der Primärfelder zu­rück, die das Atom bilden.