Kosmochemie - Geschichte der Entdeckung und Erforschung der chemischen Elemente im Kosmos zum 150. Jubiläum des Periodensystems der Elemente (PSE, 1869) und anläßlich des 50. Jubiläums der Mondlandung E-Book

Gudrun Wolfschmidt (Herausgeber)

• Herausgeber: tredition
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Nuncius Hamburgensis -- Beiträge zur Geschichte der Naturwissenschaften
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2022

Seitenzahl: 516

Beschreibung

Die Kosmochemie befasst sich mit der Entstehung der Elemente, ihrer Isotope, und ihrer Verteilung im Universum. Man versucht, die chemische Entwicklung unseres Sonnensystems und auf anderen Planeten zu verstehen bis hin zur Entstehung des Lebens auf anderen Himmelskörpern. Auch ist die Frage sehr spannend, wie das Leben auf die Erde kam, über Kometen oder Asteroiden? Thematisiert wird nicht nur das Sonnensystem (Planetenatmosphären, Kometen, Asteroiden, Meteoriten), sondern auch die Atome und Moleküle der interstellaren Materie mit Hilfe der IR- und Radioastronomie. Die leichtesten Elemente wie Wasserstoff und Helium sind nach dem Urknall entstanden. Die schweren Elemente werden durch Kernfusion im Inneren der Sterne erzeugt, die schwersten in spektakulären Supernova-Explosionen. Zudem gibt es mit Raumsonden die Möglichkeit, das Sonnensystem direkt zu erforschen. Durch unbemannte und selten (wie beim Mond) bemannte Raumfahrt lassen sich Proben außerirdischen Materials vom Mond, von Kometenstaub, Asteroiden, Sonnenwind und vom Mars sammeln. Natürlich werden auch die Meteoriten auf der Erde gründlich analysiert. Ich möchte schliessen mit dem bekannten Zitat von Carl Sagan "Wir sind Sternenstaub": "The nitrogen in our DNA, the calcium in our teeth, the iron in our blood, the carbon in our apple pies was made in the interiors of collapsing stars. We are made of star stuff."

Leseprobe

Kosmochemie – Geschichte der Entdeckung und Erforschung der chemischen Elemente im Kosmos

Cosmochemistry – History of Discovery and Researchof Chemical Elements in the Cosmos

Abbildung 0.1: Spektren von Sternen und Nebeln (Spectra of Stars and Nebulae)

Roscoe, Henry E.: Spectrum Analysis. Six Lectures. Delivered in 1868 Before the Society of Apothecaries of London. New York: Macmillan 1869.

Nuncius Hamburgensis

Beiträge zur Geschichte der Naturwissenschaften Band 50

Wolfschmidt, Gudrun (Hg.)

Kosmochemie

Geschichte der Entdeckung und Erforschung der chemischen Elemente im Kosmos

zum 150. Jubiläum des Periodensystems der Elemente und anläßlich des 50. Jubiläums der Mondlandung

Cosmochemistry – History of Discovery and Research of Chemical Elements in the Cosmos

Hamburg: tredition 2022

Nuncius Hamburgensis

Beiträge zur Geschichte der Naturwissenschaften

Hg. von Gudrun Wolfschmidt, Universität Hamburg, Arbeitsgruppe Geschichte der Naturwissenschaft und Technik (ISSN 1610-6164).

Diese Reihe „Nuncius Hamburgensis“ wird gefördert von der HansSchimank-Gedächtnisstiftung. Dieser Titel wurde inspiriert von „Sidereus Nuncius“und von „Wandsbeker Bote“.

Wolfschmidt, Gudrun (Hg.): Kosmochemie – Geschichte der Entdeckung und Erforschung der chemischen Elemente im Kosmos zum 150. Jubiläum des Periodensystems der Elemente und anläßlich des 50. Jubiläums der Mondlandung. Cosmochemistry – History of Discovery and Research of Chemical Elements in the Cosmos – on the Occasion of the 150th Anniversary of the Periodic Table of the Elements (PSE, 1869) and on the Occasion of the 50th Anniversary of the Moon Landing. Proceedings der Tagung des Arbeitskreises Astronomiegeschichte in der Astronomischen Gesellschaft in Stuttgart 2019. Hamburg: tredition (Nuncius Hamburgensis – Beiträge zur Geschichte der Naturwissenschaften, Band 50) 2022.

Cover vorne: Origin of the Solar System Elements (Jennifer A. Johnson, credits: ESA/NASA/AASNova)

Frontispiz: Spektren von Sternen und Nebeln (Roscoe 1869)

Cover hinten: Katzenaugen-Nebel (© J.P. Harrington&K.J. Borkowski, University of Maryland, NASA/ESA), Helium Spektrum (© NASA)

AG Geschichte der Naturwissenschaft und Technik, Hamburger Sternwarte, Bundesstraße 55 – Geomatikum, 20146 Hamburg, Germany

https://www.fhsev.de/Wolfschmidt/GNT/home-wf.htm

Dieser Band wurde gefördert von der Schimank-Stiftung und dem Arbeitskreis Astronomiegeschichte in der Astronomischen Gesellschaft.

Das Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung ist ohne Zustimmung des Verlages und des Autors unzulässig. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Verlag & Druck: tredition GmbH, An der Strusbek 10, 22926 Ahrensburg ISBN – 978-3-347-78303-4 (Softcover), 978-3-347-78304-1 (Hardcover), 978-3-347-78305-8 (e-Book), © 2022 Gudrun Wolfschmidt.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort: Wolfschmidt, Gudrun (Hamburg)

ZUM 150. JUBILÄUM DES PERIODENSYSTEMS DER ELEMENTE

1 Zur Einführung – Das Periodensystem der Elemente und das WeltallKatrin Cura (Hamburg)

1.1 Einleitung

1.2 Elemente des Weltalls: Wasserstoff, Helium, Lithium

1.2.1 Wasserstoff

1.2.2 Helium und die anderen Edelgase

1.2.3 Lithium

1.3 Atomtheorie und Systematisierungsansätze bis zum Karlsruher Kongress 1860

1.4 Lebensläufe

1.4.1 Demitri Mendelejew

1.4.2 Lothar Meyer und die unveröffentlichte Tabelle von 1868

1.5 Das Periodensystem der Elemente von Meyer und Mendelejew

1.5.1 Mendelejews Geistesblitz und erste Veröffentlichung von 1869

1.5.2 Meyers Veröffentlichung von 1870

1.5.3 Mendelejew finales Periodensystem von 1871

1.6 Bestätigung des Periodensystems der Elemente durch „Nationalelemente“

1.6.1 Gallium

1.6.2 Scandium

1.6.3 Germanium

1.6.4 Francium

1.6.5 Rhenium

1.6.6 Hafnium

1.7 Zusammenfassung

1.8 Literatur

KOSMOCHEMIE – CHEMISCHE ELEMENTE UND MOLEKÜLE IM UNIVERSUM

2 Kosmochemie – Chemische Elemente im Kosmos – Meteoriten, Sterne, KosmologieGudrun Wolfschmidt (Hamburg)

2.1 Kosmochemie – Analyse von Meteoriten und Mond- und Marsgestein

2.1.1 Meteoriten – Kosmische Herkunft?

2.1.2 Chemische Analyse von Material von Mond- und Mars-Missionen

2.2 Der Weg zum Periodensystem der Elemente

2.2.1 Entdeckung von Elementen bis zur Spektralanalyse

2.2.2 Vorläufer des Periodensystems der Elemente: Berzelius, Döbereiner und Newlands

2.2.3 Periodensystem der Elemente (PSE) 1869 – Meyer und Mendelejew

2.3 Spektralanalyse und die Entdeckung neuer Elemente

2.3.1 Fraunhofer als Begründer der Spektroskopie

2.3.2 Kirchhoff und Bunsen – Entdeckung der Spektralanalyse

2.3.3 Entdeckung zwölf neuer Elemente mit der Spektralanalyse (1860–1900)

2.4 Wirkung der Spektralanalyse in der Astronomie

2.4.1 Protuberanzen und Heliumentdeckung (1868)

2.4.2 Entdeckung der drei Atmosphäreschichten der Sonne

2.4.3 Auf dem Weg zur Klassifikation von Sternspektren

2.4.4 Spektren von Novae

2.4.5 Chemische Zusammensetzung von Kometen

2.4.6 Entdeckung der Interstellaren Materie

2.4.7 Gasnebel- und Spiralnebelspektren

2.5 Quantitative Spektralanalyse

2.5.1 Saha-Gleichung

2.5.2 Woraus besteht die Sonne?

2.5.3 Erste quantitative Spektralanalyse – Unsöld τ Scorpii

2.6 Atome und Moleküle im Interstellaren Medium

2.6.1 Radioastronomie und die 21 cm-Spektrallinie des atomaren (neutralen) Wasserstoffs (H I)

2.6.2 Ionisierter Wasserstoff (H II-Regionen)

2.6.3 Molekularer Wasserstoff (H2)

2.6.4 Atome und Moleküle im Interstellaren Medium

2.7 Erste Elemente nach dem Urknall – Primordiale Nukleosynthese

2.8 Entwicklung der Sterne – Stellare Nukleosynthese

2.8.1 Geburt von Sternen in Gasnebeln

2.8.2 Bildung der Elemente leichter als Eisen – Kernfusion

2.8.3 Häufigkeiten leichter Elemente in kosmischer Strahlung

2.8.4 Sternentwicklung: Bildung von Eisen bis Uran – Endstadien der Sterne

2.8.5 Nukleosythese Schwerster Elemente – Neutroneneinfang

2.9 „Wir sind Sternenstaub“

2.10 Literatur

KOSMOCHEMIE – ANALYSE VON METEORITEN

3 Die Anfangsgeschichte der chemischen Analyse außerirdischer MaterieXian Wu (Dresden)

3.1 Astronomie und Chemie

3.2 Meteoritenchemie

3.2.1 Meteorite als außerirdische Materie

3.2.2 Chemische Analysen von Meteoriten

3.3 Warum erlebte die chemische Analyse von Meteoriten einen Aufschwung Anfang des 19. Jahrhunderts?

3.4 Schlussfolgerung

3.5 Literatur

ERSTE ELEMENTE NACH DEM URKNALL – PRIMORDIALE NUKLEOSYNTHESE

4 Deuterium in the UniverseHans-Ulrich Keller (Stuttgart)

4.1 Discovery of Deuterium and the Miller-Urey-Experiment

4.2 What is Deuterium?

4.3 Where Deuterium was coming from?

4.4 Who was George A. Gamow (1904–1968)?

4.5 Ralph Asher Alpher (1921–2007)

4.6 The Big Bang Standard Scenario

4.6.1 The Supernova Cosmology Project

4.7 Primordial Nucleosynthesis

4.8 Phillip James [Jim] Edwin Peebles (*1935)

4.9 Fred Hoyle (1915–2001)

4.10 Theory of Stellar Nucleosynthesis

4.10.1 Chūshirō Hayashi (1920–2010)

4.10.2 Robert Vernon Wagoner (*1938)

4.11 Where was the water on Earth coming from? NOT from comets!

4.12 Literature

5 Helium – Sonnenelement aus dem Urknall – Teil 1: Die Entdeckung des HeliumsDietrich Lemke (Heidelberg)

5.1 Einleitung – Vorgeschichte

5.2 Die Geburt der Astrophysik

5.3 Neues Werkzeug für Astronomen

5.4 Eine Sonnenfinsternis bringt Licht ins Dunkel

5.5 Linienfund in Londons Sonne

5.6 Chemische Spurensuche

5.7 Geheimnisvoller Stickstoff

5.8 Endlich: Helium im Labor

5.9 Fünf neue Elemente in vier Jahren

5.10 Eine dritte Entdeckung des Elements Helium

5.11 Wer hat Helium entdeckt?

5.12 Literatur

6 Helium – Sonnenelement aus dem Urknall – Teil 2: Ursprung und AnwendungenDietrich Lemke (Heidelberg)

6.1 Einleitung

6.2 Elemente aus dem Urknall

6.3 Ende bei Helium

6.4 Helium – Das erste Atom im Kosmos

6.5 Das Edelgas in Sternen

6.6 Heliumschwund in der Erdatmosphäre

6.7 Helium im Erdgas

6.8 Die Verflüssigung von Helium

6.9 Eine super Flüssigkeit

6.10 Helium in der Infrarotastronomie

6.11 Helium in der Ballonastronomie

6.12 Stoppt die Vergeudung von Helium!

6.13 Literatur

ENTWICKLUNG DER STERNE – STELLARE NUKLEOSYNTHESE

7 Stellar Evolution and the Production of Chemical ElementsDavid Walker (Hamburg)

7.1 The Situation after the Big Bang

7.1.1 Abundance of Elements in the Present Universe

7.1.2 Primordial Helium

7.2 Production of Metals by Nuclear Burning in Stars

7.2.1 Light and Heavy Elements

7.2.2 Stellar Life in a Nutshell

7.2.3 Stellar Mass and Stellar Life-Expectancy

7.2.4 The Main Nuclear Burnings

7.3 The Ongoing Enrichment of Space with Metals: The Chemical Evolution of the Universe

7.3.1 Stellar Populations: Evidence that the Metals were Produced by the Stars

7.3.2 Production of Heavy Elements by Neutron Capture

7.3.3 The s Process

7.3.4 The Star FG Sagittae

7.3.5 Supernovae

7.3.6 r Processes

7.4 Appendix: Processes of Radioactive Decay

7.5 Literature

8 Wir sind Sternenstaub – Zur Wissenschaft hinter der MetapherMichael Geymeier & Susanne M. Hoffmann(Jena)

8.1 Einleitung

8.2 Das Narrativ: Gustl

8.3 Ausgangsfragen: Welcher Staub?

8.4 Welche Prozesse kommen in Frage?

8.4.1 Warum nicht unsere Sonne?

8.4.2 Urknall?

8.4.3 Kernfusion – Sternleichen

8.4.4 Neutroneneinfang

8.5 Fazit: Elemententstehung

9 200 Jahre nach Gadolins irdischer Entdeckung – Yttrium überrascht als Altersindikator von SternenKalevi Mattila (Helsinki, Finnland)

9.1 Eine schwarze Steinart vom Ytterby Steinbruch

9.2 Seltene Erden – gar nicht so selten

9.3 Johan Gadolin, Vater der chemischen Forschung in Finnland

9.4 Hundert Jahre später – Seltene Erden auch in Sternen nicht selten

9.5 Pekuliäre Sterne

9.6 Heute: Yttrium dient als kosmische Uhr

9.7 Literatur

ATOME UND MOLEKÜLE IM INTERSTELLAREN MEDIUM – RADIO- UND IR-ASTRONOMIE

10 Interstellares Medium – der Stoff aus dem die Sterne sindMarkus Röllig (Köln)

10.1 Einleitung

10.2 Von den Sternen zum Interstellaren Medium

10.3 Entschlüsselung des Interstellaren Mediums

10.3.1 Der Spektroskopische Fingerabdruck

10.3.2 Löchriger Himmel

10.3.3 Atome, Staub und Moleküle

10.3.4 UV Schutz Extrem

10.4 Schlußworte

10.5 Literatur

11 Cosmochemistry – Discoveries of Molecules in Green BankNatalia Lewandowska (Haverford College, Pennsylvania, USA)

11.1 Foreword

11.2 The beginning

11.3 Observations with the 300 foot radio telescope

11.4 Observations with the Green Bank Telescope

11.5 References

ZUM 50. JUBILÄUM DER MONDLANDUNG – MONDGLOBEN UND KARTEN

12 Die Mondgloben-Sammlung des Tobias-Mayer-Vereins MarbachArmin Hüttermann (Marbach am Neckar)

12.1 Einleitung: Kurzer Überblick über die Entwicklung der Herstellung von Mondgloben

12.2 Tobias Mayers Mondkarte

12.3 Tobias Mayers Mondglobus

12.4 Tobias Mayer „auf dem Mond“

12.5 Katalog der Globen des Tobias-Mayer-Vereins

12.6 Literatur

13 Der Tango von Science und Fiction auf dem Weg zum MondSusanne M. Hoffmann (Jena)

14 „Die Rückseite des Mondes“ oder Die Herstellung von Mondgloben seit Lunik 3 vor 60 JahrenHarald Gropp (Heidelberg)

14.1 Literatur

15 Der Mond ist nicht schwarz-weiß – Von Apollo-Steinen zu Vollmond-FotosDaniel Fischer (Königswinter)

15.1 Literatur

ANHANG

16 Links – Astronomie, Museen in StuttgartGudrun Wolfschmidt (Hamburg)

16.1 Allgemeine Links zur Astronomie und Astronomiegeschichte

16.2 Links zur Astronomie und ihrer Geschichte in Stuttgart und Umgebung

16.3 Museen in Stuttgart und Umgebung

17 Tagung des Arbeitskreises Astronomiegeschichte in Stuttgart 2019

17.0.1 SOC – Scientific Organizing Committee

17.0.2 LOC – Local Organizing Committee

17.1 Sonntag, 15. September 2019 – Exkursion nach Marbach am Neckar zum Tobias-Mayer-Museum, Torgasse 13

17.2 Stuttgart, Montag, 16. September 2019

18 List of Participants – „Kosmochemie“ – AKAG Stuttgart 2019

Autoren

Nuncius Hamburgensis

Personenindex

Vorwort

Kosmochemie – chemische Elemente im Kosmos

Wolfschmidt, Gudrun (Hamburg)

Kosmochemie – Geschichte der Entdeckung und Erforschung der chemischen Elemente im Kosmos – diese Tagung des Arbeitskreises Astronomiegeschichte in der Astronomischen Gesellschaft fand in Stuttgart am 15.–16. September 2019 statt – zum 150. Jubiläum des Periodensystems der Elemente (PSE, 1869) und anläßlich des 50. Jubiläums der Mondlandung.1 Das Internationale Jahr des Periodensystems der Elemente (IYPT2019) wurde von den United Nations ins Leben gerufen anläßlich der Entdeckung des PSE durch Lothar Meyer (1830–1895) und Dmitri Iwanowitsch Mendelejew (1834–1907).2

Die Kosmochemie befasst sich mit der Entstehung der Elemente, ihrer Isotope, und ihrer Verteilung im Universum. In 15 Beiträgen wird das Thema beleuchtet. Man versucht, die chemische Entwicklung unseres Sonnensystems und auf anderen Planeten zu verstehen bis hin zur Entstehung des Lebens auf anderen Himmelskörpern. Auch ist die Frage sehr spannend, wie das Leben auf die Erde kam, über Kometen oder Asteroiden?

Die Kosmochemie, auch Astrochemie genannt, ist ein interdisziplinäre Gebiet, das Astrophysik und Chemie verbindet. Thematisiert wird nicht nur das Sonnensystem (Planetenatmosphären, Kometen, Asteroiden, Meteoriten), sondern auch die Atome und Moleküle der interstellaren Materie mit Hilfe der IR- und Radioastronomie. Chemische Verbindungen entstehen in kosmischen Gaswolken.

In diesem Zusammenhang wird einerseits die primordiale Nukleosynthese, die Entstehung der leichtesten Elemente Wasserstoff, Deuterium, Helium und Tritium n-ach dem Urknall diskutiert, andererseits die Physik der Sterne (Kernfusion), die stellaren Nukleosynthese, bis zur Entstehung schwerster Elemente in Supernovae und bis zu den Elementhäufigkeiten im Kosmos. Da die Sterne nicht ins Labor geholt werden können, ist man bei den astrophysikalischen Untersuchungen auf die Methoden der Spektroskopie, der Analyse des Lichtes mit Prismen oder Gittern, angewiesen, wobei heute nicht nur sichtbares Licht der Himmelskörper ausgewertet wird, sondern Strahlung aller Wellenlängen (Radioastronomie, Infrarot, Ultraviolett, Röntgen und Gamma) ausgewertet wird.

Abbildung 0.2: Spektren der Nova-Cygni (1920), aufgenommen mit dem 37″-Reflektor am 23., 24., 25., 29. August und 2. September 1920

© University of Michigan)

Zudem gibt es mit Raumsonden die Möglichkeit, das Sonnensystem direkt zu erforschen. Durch unbemannte und selten (wie beim Mond) bemannte Raumfahrt lassen sich Proben außerirdischen Materials vom Mond, von Kometenstaub, Asteroiden, Sonnenwind und vom Mars sammeln. Natürlich werden auch die Meteoriten auf der Erde gründlich analysiert. Schließlich war auch das 50jährige Jubiläum der Mondlandung, so dass auch zu diesem Thema Beiträge vorhanden sind.

Ich möchte schliessen mit dem bekannten Zitat von Carl Sagan We are made of star stuff :

„The nitrogen in our DNA, the calcium in our teeth, the iron in our blood, the carbon in our apple pies was made in the interiors of collapsing stars. We are made of star stuff.“

Abbildung 0.3: Modernes Periodensystem der Elemente Das Periodensystem der Elemente hängt in jedem Chemieraum

Foto: Katrin Cura (Berufliche Schule Farmsen, 2020)

1 Webseite der Tagung des AKAG: https://www.fhsev.de/Wolfschmidt/events/akag-stuttgart-2019.php.

2 International Year of the Periodic Table of the United Nations, 2019, https://iypt2019.org/.