Einführung
Die Kernspaltung, ein fundamentaler Prozess der Kernphysik, wurde im Dezember 1938 am Kaiser-Wilhelm-Institut (KWI) für Chemie entdeckt. Dieser Artikel beleuchtet die Geschichte, die physikalischen Grundlagen, die Anwendungen und die Bedeutung der Kernspaltung durch Neutronenbeschuss.
Die Entdeckung der Kernspaltung
Die Pioniere
Die Entdeckung der Kernspaltung ist das Ergebnis der Arbeit mehrerer Wissenschaftler:
- Otto Hahn und Fritz Straßmann: Diese Chemiker bestrahlten Uran mit Neutronen und stellten fest, dass Spaltprodukte wie Barium entstanden waren. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 6. Januar 1939 in der Zeitschrift "Die Naturwissenschaften".
- Lise Meitner und Otto Frisch: Sie lieferten Anfang Januar 1939 die kernphysikalische Erklärung für die Beobachtungen von Hahn und Straßmann. Meitner und Frisch erkannten, dass sich der Urankern nach dem Tröpfchenmodell wie ein geladener Flüssigkeitstropfen verhält und durch das Einfangen eines Neutrons in Schwingungen gerät, bis er sich in zwei Fragmente teilt.
- Enrico Fermi: Bereits 1934 führte der italienische Atomphysiker Experimente durch, bei denen er Uran mit Neutronen beschoss und dabei verschiedene Spaltprodukte entdeckte.
Der historische Kontext
Der Ausgangspunkt der Entdeckung waren Versuche von Enrico Fermi, der 1934 Uran mit Neutronen bestrahlt hatte. In jahrelanger Arbeit versuchten Hahn, Meitner und Straßmann, die dabei beobachteten Vorgänge aufzuklären. Sie nahmen an, dass bei der Bestrahlung schwerere Elemente als Uran - die sogenannten Transurane - entstehen. Am 19. Dezember 1938 notierte Hahn in seinem Notizbuch den entscheidenden Hinweis auf die Entstehung von Barium.
Die Veröffentlichung der Ergebnisse
Über die chemische Bedeutung ihrer Ergebnisse waren sich Hahn und Straßmann durchaus bewusst, denn sie reichten ihre Ergebnisse bereits am 22. Dezember zur Veröffentlichung ein. Publiziert wurden sie in der Zeitschrift „Die Naturwissenschaften“ am 6. Januar 1939. Die physikalische Erklärung lieferten Meitner und Frisch in einem Manuskript an „Nature“ Mitte Januar 1939, das am 11. Februar 1939 publiziert wurde.
Der Prozess der Kernspaltung
Definition
Die Zerlegung eines schweren Atomkerns in zwei kleinere Atomkerne wird als Kernspaltung oder Atomspaltung bezeichnet. Bei diesem Prozess werden Energie und mehrere Neutronen freigesetzt. Die freigesetzte Energie wird Kernenergie genannt.
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Der Ablauf
Für den Prozess der Kernspaltung muss der schwere Atomkern mit einem Neutron beschossen werden. Aus Kernkraftwerken, die zur Energiegewinnung genutzt werden, ist die Kernspaltung von Uran-235 bekannt.
Kernspaltung am Beispiel von Uran-235
Bei der Kernspaltung von Uran-235, das aus den Kernkraftwerken bekannt ist, wird der Atomkern mit langsamen Neutronen beschossen. Dieses zusätzliche Neutron versetzt die Kernbausteine im Atomkern in Schwingungen. Die Protonen entfernen sich dadurch voneinander und die Bindungskräfte werden schwächer, wodurch der Atomkern instabil wird und in mehrere Teile zerfällt. Die Atomkerne, die bei der Spaltung entstehen, werden auch als Spaltfragmente oder Spaltprodukte bezeichnet. Man spricht in diesem Fall von einer induzierten Kernspaltung, da diese herbeigeführt und gewollt ist.
Für Uran-235 sind verschiedene Spaltungsmöglichkeiten vorhanden. Meist zerfällt der Uran in einen leichten Atomkern und einen schweren Atomkern. Häufig sind die Spaltprodukte Barium-144 (schwerer Atomkern) und Krypton-89 (leichter Atomkern).
Die Kettenreaktion
Bei der Kernspaltung frei werdende Neutronen können für weitere Spaltungen von Atomkernen genutzt werden. Diese müssen dafür geeignet abgebremst werden. Findet dieser Prozess geplant statt, spricht man von einer gesteuerten Kettenreaktion. Diese wird in Atomkraftwerken genutzt.
Damit eine Kettenreaktion zustande kommt, muss ein Teil der frei werdenden Neutronen wiederum Kernspaltungen auslösen. Die kleinste Masse eines spaltbaren Materials, mit der eine solche Kettenreaktion aufrecht erhalten werden kann, nennt man kritische Masse. Ist die kritische Masse unterschritten, verlassen zu viele Neutronen das Material an seiner Oberfläche, bevor sie eine Spaltung bewirkt haben. Daher hängt die kritische Masse auch von der geometrischen Anordnung des spaltbaren Materials ab. Im günstigen Fall einer kugelförmigen Anordnung beträgt die kritische Masse von U‑235 etwa (50\,\rm{kg}).
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Ursache für die Energiefreisetzung
Ursache für die frei werdende Energie bei einer Kernspaltung ist der sogenannte Massendefekt. Wiegt man den Atomkern Uran-235 und das Neutron vor der Spaltung und vergleicht diese mit den Atomkernen Barium-144 und Krypton-89 sowie den frei werdenden Neutronen nach der Spaltung, stellt man einen Massenunterschied fest. Das Gesamtgewicht ist vor der Spaltung größer als nach der Spaltung.
Berechnung der freigesetzten Energie
Mithilfe der einsteinschen Formel E=mc² kann die Energiefreisetzung berechnet werden. Hierfür sind die Massen von Uran-235 und des Neutrons sowie der Spaltprodukte notwendig. Kernmassen werden in der atomaren Einheit u angegeben. Multiplizieren wir 1 u mit c2, erhalten wir einen Wert von 931,494 MeV (Megaelektronenvolt).
Dass bei beiden Prozessen Energie freigesetzt wird, liegt an der sogenannten Bindungsenergie. Schwere Kerne wie Uran benötigen mehr Bindungsenergie als die bei der Kernspaltung entstehenden leichten Kerne. Somit wird ein Teil der Bindungsenergie freigesetzt.
Arten der Kernspaltung
Spontane Spaltung
Einige Atomkernarten (Nuklide) spalten sich ohne äußere Einwirkung. Diese spontane Spaltung ist eine Art des radioaktiven Zerfalls. Sie lässt sich quantenmechanisch ähnlich dem Alpha-Zerfall durch den Tunneleffekt erklären.
Induzierte Spaltung
Praktisch weit wichtiger ist jedoch die induzierte Spaltung, eine Kernreaktion, bei der ein stoßendes Teilchen, meist ein Neutron, vom getroffenen Kern absorbiert wird. Der Kern gewinnt dadurch die Bindungsenergie (und zusätzlich auch eventuelle kinetische Energie) dieses Neutrons, befindet sich also in einem angeregten Zustand und spaltet sich. Jedoch sind an Stelle der Spaltung auch andere Reaktionsverläufe möglich, z. B. die Aussendung von Gammastrahlung.
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Weitere Arten
Eine induzierte Spaltung kann außer durch Absorption eines Neutrons auch durch Absorption eines energiereichen Protons, Deuterons oder anderen energiereichen Teilchens oder auch eines Gammaquants (Fotospaltung) herbeigeführt werden.
Spaltprodukte und ihre Eigenschaften
Die Spaltprodukte sind meist radioaktiv, da sie i. A. einen Überschuss an Neutronen haben. Das Uranisotop 235U wird durch langsame Neutronen gespalten; 238U hingegen ist nur durch Neutronen mit Energien von über 1 MeV spaltbar und wandelt sich bei Anlagerung eines langsameren Neutrons in 239U um. Dieses geht nach Emission zweier schneller Elektronen in das Plutoniumisotop 239Pu über, das seinerseits wieder durch langsame Neutronen gespalten werden kann. Daher dienen v. a. 235U und 239Pu als Spaltmaterial in Kernreaktoren bzw. in Kernwaffen.
Technische Anwendungen der Kernspaltung
Kernkraftwerke
In Kernkraftwerken wird die Kernspaltung zur Energiegewinnung genutzt. Dabei wird die Wärme, die bei der Spaltung von Uran-235 entsteht, genutzt, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf treibt Turbinen an, die Generatoren antreiben und so elektrische Energie erzeugen.
Kernwaffen
Die unkontrollierte Kettenreaktion der Kernspaltung wird in Kernwaffen genutzt. Dabei wird eine große Menge an Energie in kurzer Zeit freigesetzt, was zu einer verheerenden Explosion führt.
Die Rolle von Uran und Plutonium
Technische Bedeutung hat die induzierte Spaltung als Kettenreaktion mit Isotopen der Elemente Uran und Plutonium, und zwar bei Isotopen mit ungeraden Neutronenzahlen, vor allem U-235 und Pu-239. Der Grund hierfür ist die Paarenergie oder Paritätsenergie (s. Tröpfchenmodell). Sie bewirkt, dass in diesen Fällen schon ein Neutron mit geringster kinetischer Energie, ein thermisches Neutron, die Spaltung einleiten kann. Da ein solches Neutron den Kern nur langsam durchquert, ist die Reaktionswahrscheinlichkeit (der Wirkungsquerschnitt) besonders hoch.
Moderator
Um die Bremsung durch Stöße effektiv zu machen, sollten die Atomkerne des Moderators möglichst die gleiche Masse haben wie das Neutron oder ihr möglichst nahe kommen. Deshalb bietet sich Wasser als Moderator an, weil die Kerne der beiden Wasserstoffatome des H2O-Moleküls aus Protonen bestehen und damit praktisch die gleiche Masse haben wie die abzubremsenden Neutronen.
Kritische Masse
Die kleinste Masse eines spaltbaren Materials, in der eine Kettenreaktion aufrechterhalten werden kann, heißt Kritische Masse. Sie hängt ab von der Anwesenheit und Menge einer Moderator-Substanz und von der geometrischen Anordnung. Ein dünnes Blech würde z.B. fast alle Neutronen nach außen verlieren, während innerhalb eines kompakten Objekts mehr Neutronen Gelegenheit haben, die Atomkerne zu treffen. Die kleinste kritische Masse wird in einer kugelförmigen Anordnung erreicht.
Kernspaltung und Radioaktivität
Die Kerne der Spaltprodukte sind nicht immer gleich, sondern haben statistisch unterschiedliche Ladungszahlen, gehören also zu verschiedenen chemischen Elementen. Stellt man die Menge der bei der Spaltung entstehenden Elemente gegenüber ihrer Ladungszahl grafisch dar, ergibt sich eine sattelförmige Kurve mit zwei Maxima. Im ersten Maximum findet man Elemente wie Strontium, Krypton oder Yttrium, im zweiten Maximum zum Beispiel Xenon, Cäsium oder Barium. Die meisten dieser Spaltprodukte sind wegen eines Überschusses an Neutronen radioaktiv und gehen erst über mehr oder minder lange Zerfallsreihen in stabile Endprodukte über.
Die Bedeutung der Kernspaltung für die Energiegewinnung
Die prinzipielle Möglichkeit der Energiegewinnung aus Kernspaltung wurde bereits 1939 diskutiert und war allen führenden Kernphysikern dieser Zeit bekannt. Bekannt war allerdings auch der hohe technische Aufwand, den das erfordern würde. Mit Beginn des Zweiten Weltkrieges trat immer mehr die Frage in den Vordergrund, ob die Kernenergie auch militärisch nutzbar sei.
Die Rolle von Otto Hahn
Otto Hahn wird gelegentlich fälschlicherweise als Erfinder der Atombombe bezeichnet. Das deutsche Uranprojekt der Nationalsozialisten, an dem auch Otto Hahn beteiligt war, führte allerdings zu keinem messbaren Erfolg. Als Otto Hahn davon in britischer Kriegsgefangenschaft erfuhr, machte er sich schwere Vorwürfe.
Vergleich mit der Kernfusion
Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern durch den Beschuss mit einem langsamen Neutron in mehrere Atomkerne gespalten. Im Kernkraftwerk wird Uran-235 gespalten. Das ist abhängig vom Atomkern, der gespalten wird. Aus Kernkraftwerken ist die Spaltung von Uran-235 bekannt. Die Gesamtmasse des Atomkerns und des Neutrons vor der Spaltung ist größer als die Masse der entstehenden Atomkerne und Neutronen. Diese Massendifferenz wird Massendefekt genannt. Aus der einsteinschen Formel lässt sich herleiten, dass eine geringere Masse auch bedeutet, dass die Energie geringer sein muss. Da die Energie jedoch eine Erhaltungsgröße ist, muss die Energiedifferenz freigesetzt worden sein.