Kernspaltung

Kernspaltung
Kernspaltung bezeichnet einen Prozess der Kernphysik, bei dem ein Atomkern unter
Energiefreisetzung in zwei oder mehr Bestandteile zerlegt wird. Seltener wird die
Kernspaltung auch als Kernfission (v. lat. fissio = das Spalten) bezeichnet – ein Begriff, der
nicht mit Kernfusion, dem Verschmelzen zweier Atomkerne, verwechselt werden darf.
Forschungsgeschichte
Seit den Arbeiten von Ernest Rutherford war bekannt, dass Atomkerne durch den Beschuss
mit schnellen Teilchen verändert werden können. Mit Entdeckung des Neutrons im Jahre
1932 durch James Chadwick wurde klar, dass es viele Möglichkeiten der Umwandlung von
Atomkernen geben musste. Unter Anderem versuchte man, durch Einbringen von Neutronen in schwere Kerne neue, noch schwerere Nuklide herzustellen.
Den Deutschen Otto Hahn und Fritz Straßmann gelang 1938 der Beweis einer induzierten
Kernspaltung von Uran durch den chemischen Nachweis eines der Spaltprodukte
(radioaktives Barium). Hahns Mitarbeiterin Lise Meitner befand sich zu dem Zeitpunkt in
Schweden, da sie als Jüdin von den Nazis verfolgt wurde, war aber an der Idee des
Experiments beteiligt. Sie klärte im selben Jahr (gemeinsam mit Otto Frisch) den
theoretischen Hintergrund des Experiments. Hahn, Meitner und Straßmann gelten damit als
die Entdecker der Spaltbarkeit von schweren Atomkernen per Neutronenbeschuss.
Am 16. Januar 1939 reiste Niels Bohr in die USA, um einige Monate mit Albert Einstein
physikalische Probleme zu erörtern. Kurz vor seiner Abreise aus Dänemark berichteten ihm
Frisch und Meitner von ihrer Deutung des Hahn-Straßmannschen Versuchsergebnisses. Bohr teilte dies nach seiner Ankunft in den USA seinem früheren Schüler John Archibald Wheeler sowie anderen Interessierten mit. Durch sie verbreitete sich die Neuigkeit unter anderen Physikern, unter ihnen auch Enrico Fermi. Fermi erkannte die Möglichkeit einer
kontrollierten Spaltungs-Kettenreaktion und führte 1942 in Chicago das erste erfolgreiche
Reaktorexperiment durch.
Nach einigen Jahren der Grundlagenforschung war es im Frühsommer 1939 soweit, dass die
notwendigen theoretischen Grundlagen veröffentlicht waren, um bei ausreichender
Verfügbarkeit von spaltbarem Uran eine Kernwaffe zu bauen.
Schon vor dem Beginn des Zweiten Weltkrieges am 1. September 1939 richteten die drei in
den Vereinigten Staaten lebenden Physiker Leó Szilárd, Albert Einstein und Eugene Paul
Wigner im August 1939 einen Brief an den damaligen US-Präsidenten Franklin D. Roosevelt,
um ihn vor der Möglichkeit der Entwicklung einer Atombombe in Deutschland zu warnen
und ihn im Gegenzug zu der Entwicklung einer eigenen Atombombe anzuregen.
Daraufhin begann das Manhattan-Projekt. Manhattan-Projekt war die Deckbezeichnung für
das Projekt, unter dem alle Tätigkeiten der USA während des Zweiten Weltkrieges ab 1942
zur Entwicklung und zum Bau einer Atombombe unter der militärischen Leitung von General
Leslie R. Groves ausgeführt wurden. Die Forschungsarbeiten im Rahmen des Manhattan-
Projekts wurden von dem amerikanischen Physiker J. Robert Oppenheimer geleitet.
Am 16. Juli 1945 fand der Trinity-Test, die erste erfolgreiche Zündung einer Atombombe,
statt. Im 2. Weltkrieg konnte das Deutsche Reich einer Bombardierung entgehen, da es vor der Fertigstellung der Atombombe kapitulierte. Auf Japan wurden jedoch 2 Atombomben
gezündet.
Spontane und induzierte Spaltung
Einige Atomkernarten spalten sich ohne äußere Einwirkung. Diese spontane Spaltung ist eine Art des radioaktiven Zerfalls.
Praktisch weit wichtiger ist jedoch die induzierte Spaltung, eine Kernreaktion, bei der ein frei
herumfliegendes Teilchen, meist ein Neutron, zufälligerweise einen Kern trifft und von
diesem 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. In Kernkraftwerken wird das Element Uran-235, Uran mit der
Masse 235, gespalten, da es die meisten Protonen aller in der Natur vorkommenden Elemente hat. Werden also Uran-235-Kerne mit Neutronen beschossen, so nehmen sie ein Neutron auf und ihre Massenzahl steigt auf 236.
Der so entstandene Kern ist nicht beständig, befindet sich im besagten angeregten Zustand
und fällt auseinander. Es entstehen Spaltprodukte mit kleineren Massenzahlen, also neue,
meist radioaktive Elemente.
Bei beiden Arten der Spaltung können außer den meist 2 Bruchstücken auch einige
Neutronen freigesetzt werden, welche automatisch wieder neue Kerne spalten. Das animierte Bild zeigt, wie der Kern (rot) von einem Neutron (blau) getroffen wird und in zwei
Bruchstücke zerfällt, wobei noch einige – im Bild drei – Neutronen frei werden.
Energiebilanz der Kernspaltung
Die bei der Kernspaltung freiwerdende Energie von etwa 200 MV pro Spaltung verteilt sich
auf die Teilchen bzw. Strahlungsarten, die bei der Kernspaltung entstehen. Die kinetische
Energie der Spaltprodukte macht allein ca. 83 % der Gesamtenergie aus (zum Vergleich bei
chemischen Reaktionen wie der Verbrennung werden etwa 20 V frei). Die Atomkerne werden
nicht gleichmäßig gespalten, sondern es entstehen Spaltprodukte mit verschieden Massen, die dann selbst wieder zerfallen.
Kritische Masse
Die kleinste Masse eines spaltbaren Materials, in der eine Kettenreaktion aufrecht erhalten
werden kann, heißt Kritische Masse. Die kleinste kritische Masse wird in einer kugelförmigen
Anordnung erreicht. Auch dann könnte sie aber durch Kompression des Materials noch
verringert werden, so dass eine absolute untere Grenze nicht existiert.
Kernwaffen
Die exponentiell anwachsende Kernspaltungs-Kettenreaktion dient als Energiequelle für
“normale” Kernwaffen. Die Energie wird in verschiedenen zerstörenden Formen wie Druck,
Hitze usw. freigesetzt. Siehe Grafik.
Kernfusion (Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu einem Helium-Kern) wird in
Kernwaffen (Wasserstoffbombe) zur weiteren Verstärkung der vernichtenden Wirkung
benutzt. Kernfusionswaffen entfalten bis zu 100.000 Tonnen TNT.

Ähnliche Referate

Hinterlasse eine Antwort