Überblick

Von der Massenformel zum Multizyklus

Zum 100. Geburtstag von Carl Friedrich von Weizsäcker (1912 – 2007)

  • Klaus Blaum und Michael Wiescher
  • 07 / 2012 Seite: 31

„Wenn Sie mal Philosophie studieren wollen, müssen Sie auch Physik treiben. Das erste ist heutzutage ohne das zweite unvollständig. Physik muß man aber als ganz junger Mann anfangen. Philosophieren dagegen kann man bis ins hohe Alter.“ Mit diesen Worten ermunterte Werner Heisenberg den 14-jährigen Schüler Carl Friedrich von Weizsäcker zum Studium der Physik. Kaum zehn Jahre später leitete der junge von Weizsäcker mit seiner Massenformel sowie der „Aufbauhypothese“ zur Entstehung der Elemente zwei Ergebnisse her, die bis heute Bestand haben.

Carl Friedrich von Weizsäcker galt als einer der brillantesten Schüler von Werner Heisenberg aus dessen Leipziger Zeit. Er promovierte dort mit nur 21 Jahren mit einer Arbeit zum „Durchgang schneller Korpuskularstrahlen durch ein Ferromagnetikum“ und habilitierte nur drei Jahre später „Über die Spinabhängigkeit der Kernkräfte“. Obwohl er heute im Wesentlichen als Philosoph und Friedensforscher bekannt ist, hat er in seinen akademischen Jahren vor dem Zweiten Weltkrieg wesentliche Beiträge zur Physik und frühen Kosmologie geliefert. Dazu zählt zunächst die 1935 veröffentlichte Massenformel, die von Weizsäcker 1937 in seinem Buch zur Physik der Atomkerne ausführlich präsentierte und die das Grundgerüst zur Kernphysik mit einer phänomenologischen Beschreibung der Kernmassen liefert. Noch heute gilt sie, theoretisch verfeinert, als Grundstock und Maßstab, um die Masse von Kernen fern der Stabilitätslinie vorherzusagen. Basierend auf diesen Ergebnissen erkannte von Weizsäcker die Bedeutung seiner Massenformel für die Energieproduktion und die Synthese der Elemente in Sternen. Daraus entstand 1937 ein erstes Modell („Aufbauhypothese“) für den graduellen Aufbau der Elemente durch eine Serie von Reaktionen, bei denen Atomkerne Protonen und (bei höheren Massen) Neutronen einfangen.

Das Modell basierte noch auf der später revidierten Annahme, dass 5Li ein stabiler Kern ist. Mit dem Wissen, dass bei den Kernen der Masse A = 5 und 8 eine Stabilitätslücke existiert, beschrieb von Weizsäcker 1938 erstmals qualitativ eine zyklische Sequenz von vier Protoneneinfangreaktionen und zwei β-Zerfällen an den Katalysatorelementen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, durch die vier Wasserstoffkerne 1H zu einem Heliumkern 4He fusionieren unter Freisetzung von 27 MeV Kern­energie. Die Sequenz besteht aus: Protoneneinfang an 12C, β-Zerfall von 13N, Protonen­einfang an 13C und 14N mit nachfolgendem β-Zerfall von 15O zu 15N und anschließende Kernreaktion 15N(p,α)12C, die den ­Zyklus schließt und bei 12C und 4He endet. ...

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