Kernspaltung

Kernspaltung - eine spezielle Form der Kernumwandlung

Unter Kernspaltung versteht man die durch Beschuss mit Neutronen erfolgende Zerlegung eines schweren Atomkerns in zwei mittelschwere Atomkerne. Dabei werden Neutronen freigesetzt und es wird Energie abgegeben, die als Kernenergie bezeichnet wird.
Kernspaltung ist eine spezielle Form der Kernumwandlung, d. h. der Umwandlung von Atomkernen in neue Kerne. Ein Beispiel für eine solche Kernspaltung ist in Bild 1 dargestellt: Treffen Neutronen auf Uran-235, so erfolgt eine Kernumwandlung in Uran-236, das in Bruchteilen von Sekunden in zwei mittelschwere Kerne zerfällt. In Bild 1 ist nur eine Möglichkeit dargestellt. Ein Urankern kann auch in andere Atomkerne zerfallen, z. B. in Lanthan und Brom, in Selen und Caesium oder in Antimon und Niobium. Insgesamt sind über 200 Zerfallsprodukte des Urans bekannt. Bei jeder Kernspaltung werden 2 oder 3 Neutronen freigesetzt. Allgemein gilt:

Durch Beschuss mit langsamen Neutronen können schwere Atomkerne (z. B. Uran, Plutonium) in mittelschwere Atomkerne aufgespalten werden. Dabei werden Neutronen freigesetzt und es wird Energie abgegeben.

Ursache für die Energiefreisetzung

Die Ursache für die Energiefreisetzung besteht in Folgendem: Die Masse des Ausgangskerns plus des aufgenommenen Neutrons ist größer als die Masse der entstehenden Kerne einschließlich der frei werdenden Neutronen. Es tritt ein Massendefekt auf. Die Verringerung der Masse entspricht nach der von ALBERT EINSTEIN (1879-1955) im Jahr 1905 entdeckten Beziehung $E=m\cdot c^2$ einer Energie, die freigesetzt wird. Betrachten wir als Beispiel die Spaltung von Uran:

${}_0{}^1\text{n}\text{ +}{}_{92}{}^{235}\text{U}\to {}_{\text{92}}{}^{\text{236}}\text{U}\to {}_{\text{36}}{}^{\text{89}}\text{K}\text{r + }{}_{\text{56}}{}^{\text{144}}\text{B}\text{a +3}\cdot {}_0{}^1\text{n}$

Die Masse der Ausgangsprodukte beträgt 236,0529 u. Die Größe u ist dabei die atomare Masseeinheit. Die Masse der Spaltprodukte hat einen Wert von 235,8396 u. Der Massedefekt beträgt demzufolge:

$\begin{array}{l}\Delta m=\mathrm{236,0529}u-\mathrm{235,8396}u=\mathrm{0,2133}u\\ \end{array}$

Damit erhält man als frei werdende Energie:

$\begin{array}{l}E=\Delta m\cdot c^2\\ E=\mathrm{0,2133}\cdot \mathrm{1,6605}\cdot {10}^{-27}\text{ kg}\cdot {\text{(3}}^{\cdot }\\ E=3\cdot {10}^{-11}\text{ J}\end{array}$

Bei der Spaltung eines Urankerns wird eine Energie von etwa $3\cdot {10}^{-11}\text{ J}$ freigesetzt. Das erscheint sehr wenig. Man muss aber beachten, dass sich diese Energie auf einen Kernzerfall bezieht. Betrachtet man die Anzahl der Atomkerne, die in einem Kilogramm Uran enthalten sind und nimmt an, dass alle zerfallen, so beträgt die dann frei werdende Energie $\mathrm{8,6}\cdot {10}^{12}\text{ J}$. Das ist etwa 290 000-mal so viel, wie bei der Verbrennung von 1 kg Steinkohle freigesetzt wird.

Kettenreaktionen

Treffen die bei einer Kernspaltung frei werdenden Neutronen auf weiteres spaltbares Material und haben sie darüber hinaus die "richtige" Geschwindigkeit, so können sie weitere Kernspaltungen hervorrufen. Es kommt zu einer Reaktion, die sich von selbst fortsetzt, zu einer Kettenreaktion (Bild 2). Wird diese Kettenreaktion nicht beeinflusst, so spricht man von einer ungesteuerten Kettenreaktion. Ungesteuerte Kettenreaktionen erfolgen bei Atombomben.

Durch bestimmte Materialien kann man aber auch die Anzahl der Neutronen beschränken und damit die Kettenreaktion beeinflussen. Eine solche beeinflusste Kettenreaktion wird als gesteuerte Kettenreaktion bezeichnet. Gesteuerte Kettenreaktionen erfolgen in Kernreaktoren von Kernkraftwerken.

Die Entdeckung der Kernspaltung

In den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts beschäftigten sich viele Physiker und Chemiker mit radioaktiver Strahlung.
Der italienische Physiker ENRICO FERMI (1901-1954) beschoss zahlreiche Elemente mit Neutronen und stellte fest, dass sich dadurch fast alle Stoffe umwandeln lassen. Er nannte die neu entstehenden Stoffe Transurane , weil er zunächst annahm, das alle diese Stoffe im Periodensystem der Elemente jenseits des Urans liegen, also eine Ordnungszahl von über 92 hätten.

Mit Kernumwandlungen beschäftigten sich auch E. RUTHERFORD in England und das Ehepaar JOLIOT-CURIE in Frankreich. IRENE JOLIOT-CURIE (1897-1956), die Tochter von MARIE CURIE, und ihr Mann FREDEREC JOLIOT-CURIE (1900-1958) entdeckten 1934 die künstliche Radioaktivität.
In Deutschland beschäftigten sich u. a. der Chemiker OTTO HAHN (1879-1968), die Physikerin LISE MEITNER (1878-1968) und FRITZ STRASSMANN (1902-1980) am Institut für Chemie in Berlin-Dahlem gemeinsam mit den Transuranen. LISE MEITNER musste 1938 aus Deutschland emigrieren. HAHN und STRASSMANN bestrahlten Uran mit Neutronen und untersuchten die dann entstandenen Nuklide, die nur in kleinsten Mengen vorlagen. Dabei machten sie im Dezember 1938 eine Entdeckung, die ihnen selbst unwahrscheinlich vorkam.

Bild 4 zeigt die entscheidende Kalendereintragung von OTTO HAHN und den Hinweis auf einen Brief an LISE MEITNER, die schon im Exil war (Pfeile). In der Zeitschrift "Naturwissenschaften" erschien am 6. 1. 1939 ein Artikel von HAHN und STRASSMANN, in dem es heißt:

"Nun müssen wir aber noch auf einige neuere Untersuchungen zu sprechen kommen, die wir der seltsamen Ergebnisse wegen nur zögernd veröffentlichen... Wir kommen zu dem Schluß: Unsere ‚Radiumisotope' haben die Eigenschaften des Bariums; als Chemiker müssten wir eigentlich sagen, bei den neuen Körpern handelt es sich nicht um Radium, sondern um Barium, denn andere Elemente als Barium und Radium kommen nicht in Frage. ... Als der Physik in gewisser Weise nahestehende ‚Kernchemiker' können wir uns zu diesem, allen bisherigen Erfahrungen der Kernphysik widersprechenden Sprung noch nicht entschließen. ... Es könnte doch eine Reihe seltsamer Zufälle unsere Ergebnisse vorgetäuscht haben."

Wenig später gelang es, die Spaltprodukte eindeutig zu identifizieren. Durch Beschuss von Uran mit Neutronen waren Krypton und Barium entstanden. Zugleich wurden bei jeder Kernspaltung drei Neutronen und Energie freigesetzt. Kurze Zeit später gelang der Nachweis weiterer Spaltprodukte von Uran. Damit war die Kernspaltung entdeckt, für die OTTO HAHN 1945, nach Ende des Zweiten Weltkrieges, den Nobelpreis für Chemie für das Jahr 1944 erhielt.

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. 1942 begann in den USA die intensive Arbeit an Atomwaffen. Die erste Atomwaffenexplosion, eine Versuchsbombe, erfolgte am 16. Juli 1945 in der Wüste von New Mexico (USA). Am 6. und 9. August 1945 explodierten die ersten US-amerikanischen Atombomben über den japanischen Städten Hiroshima und Nagasaki mit der Folge, dass Hunderttausende Menschen starben.