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Die Kernspaltung - 2.Version - Referat
DIE KERNSPALTUNG
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Die Kernphysik als Teil der Physik
Das Atom und dessen Kern
Die Kernspaltung am Beispiel des Uran
Entdeckung
Wie funktioniert der eigentliche Prozess der Kernspaltung?
Schlussbetrachtung
Literatur- und Quellenverzeichnis
Literatur
Quelle
VORWORT
Fünfundzwanzig Jahre nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl erlebt die Menschheit im Jahr 2011 im japanischen Fukushima den nächsten atomaren Super-GAU (Grösster Anzunehmender Unfall). Die Explosion der Reaktorblöcke in Fukushima führte in Deutschland schlagartig zur Belebung der seit Jahren geführten Debatte um die Nutzung der Kernenergie.
Als Folge dieser Debatte kam es zum sogenannten „Ausstiegsbeschluss“ der Bundesregierung. Der Ausstieg aus den auf der Kernspaltung beruhenden Technologien zur Energiegewinnung wurde beschlossen und nach einer Übergangsfrist werden in Deutschland alle Kernkraftwerke, gemeinhin auch als Atomkraftwerk bezeichnet, abgeschaltet und zurückgebaut.
Viele Menschen reden, diskutieren und demonstrieren über und gegen die Nutzung der Kernenergie, die wenigen verbliebenen Befürworter sind in der Minderheit.
Doch was ist unter dem Begriff „Kernspaltung“ zu verstehen?
Zur Beantwortung dieser Frage müssen wir uns mit den Erkenntnissen der Physik befassen.
DIE KERNPHYSIK ALS TEIL DER PHYSIK
Die Beantwortung der Frage, was unter dem Begriff „Kernspaltung“ zu verstehen ist, wird in der Physik in deren Teilbereich Kernphysik, der sich mit dem Aufbau und dem Verhalten von Atomkernen beschäftigt, gegeben.
Ein Ergebnis der modernen Kernforschung ist die Entdeckung der Kernspaltung.
„Die auf der Kernspaltung beruhenden Technologien zur Energiegewinnung und für Waffenzwecke haben sich aus bestimmten Forschungsergebnissen der Kernphysik
entwickelt. Es ist aber irreführend, dieses technisch-wirtschaftlich-politische Gebiet als „die Kernphysik“ zu bezeichnen.“
Kernphysik wird sowohl theoretisch als auch experimentell betrieben. Ihr wichtigstes theoretisches Hilfsmittel ist die Quantenmechanik . „Quantenmechanik ist eine physikalische Theorie zur Beschreibung der Materie, ihrer Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten. Sie entstand aus dem Problem der klassischen Physik, nicht mit atomaren Phänomenen umgehen zu können.“
Die Quantenmechanik ist in vielen Teilbereichen der Physik die Grundlage der theoretischen Beschreibung, zum Beispiel für die Atomphysik und die Kernphysik. Die Aufgabe der "reinen" Kernphysik im Sinne von Grundlagenforschung ist die Aufklärung der Kernstruktur, also der Einzelheiten des Aufbaus der Atomkerne.
Die heutige Physik ist durch und durch mathematisch. Um diese mathematischen Erkenntnisse verständlich zu machen, bedienen sich die Physiker wo immer möglich der bildhaften Darstellung.
DAS ATOM UND DESSEN KERN
Ein Atom ist der kleinste Baustein eines chemischen Grundstoffes oder Elements, der ohne Verlust der typischen Eigenschaften nicht mehr geteilt werden kann.
Der dänische Physiker Niels Bohr (* 7. Oktober 1885 in Kopenhagen; † 18. November 1962 in Kopenhagen) entwickelte bereits im Jahr 1913 das erste Atommodell das Elemente der Quantenmechanik enthält. Im Jahr 1922 erhielt er den Nobelpreis für Physik „für seine Verdienste um die Erforschung der Struktur der Atome und der von ihnen ausgehenden Strahlung“.
Vereinfacht ausgedrückt, beim Wechsel des Elektrons von der 3. zur 2. Kreisbahn muss das Elektron eine bestimmte Menge Energie abgeben. Dieser Vorgang, Quantensprung genannt, erscheint als winziger Lichtblitz bestimmter Wellenlange.
(Photon = Lichtquant)
„Das Bohrsche Atommodell ebnete den Weg zum Verständnis des Aufbaus der Atomhülle. Die anschauliche Vorstellung von Elektronen, die den Atomkern umkreisen, wie Planeten die Sonne, hat für Jahrzehnte das populäre Bild von Atomen geprägt.“
Heute ist das Bohrsche Atommodell durch die Erkenntnisse der Quantenmechanik überholt.
Aber, wie sieht ein Atom aus?
Auf diese Frage gibt es keine Antwort. Größe, Gestalt, Farbe und Beschaffenheit der Oberflächen bestimmen das Aussehen eines Gegenstandes. Fast alle dieser Eigenschaften hat ein Atom gar nicht. Das besagt aber nicht, das man Atome nicht im Bild darstellen bzw. sich kein Bild von ihm machen kann.
Die Frage muss daher lauten: „Was für Bilder kann man von Atom erzeugen?“, und auch: „Wie kann ich mir ein Atom vorstellen?“.
Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Der Kern ist positv und die Hülle negativ geladen. Dieser Kern trägt fast die gesamte Masse des Atoms.
Der Atomkern ist aufgebaut aus Protonen und Neutronen und konzentriert in sich mehr als 99,9 % der Masse des Atoms.
Das Proton hat eine positive elektrische Ladung, die den gleichen Wert besitzt wie die negative des Elektrons.
Das Neutron jedoch ist elektrisch neutral. Den Wert der elektrischen Ladung des Protons oder Elektrons nennt man Elementarladung.
Protonen und Neutronen werden oft zusammenfassend als Nukleonen bezeichnet und bestehen ihrerseits aus
noch kleineren Teilchen, den Quarks .
Da wir nun ein Bild des Atoms vor Augen haben, lautet die nächste Frage: „Wie groß ist ein Atom?“
Berechnungen haben ergeben, dass die Hülle des Wasserstoffatoms einen Durchmesser von etwa 0,000 000 1 mm (zehnmil¬lionstel Millimeter) hat. Der Kern (Proton) dagegen hat einen Durchmesser von etwa 0,000 000 000 001 Millimeter. Er ist fast 100.000-mal kleiner als der Durchmesser der Hülle.
Dieses Größenverhältnis entspricht etwa dem eines Fernsehturmes zu einem Streichholzkopf.
Atome sind also unvorstellbar klein. Ein gewöhnlicher Wassertropfen enthält etwa 6000 Trillionen (Trillion = eine 6 mit 21 Nullen) Atome. Damit gewinnen wir auch eine Vorstellung von dem verschwindend geringen Gewicht eines Atoms.
DIE KERNSPALTUNG AM BEISPIEL DES URAN
ENTDECKUNG
In einschlägigen Schriften wird der Zeitraum um 1900 als historischer Beginn der modernen Kernforschung bezeichnet.
Dem englischen Physiker James Chadwick gelang 1932 der experimentelle Nachweis für die Existenz des Neutrons, dessen Existenz seit Jahren vorausgesagt worden war . Seine Arbeiten bereiteten den Weg für die Versuche des deutschen Physikers Otto Hahn.
Otto Hahn und sein Assistent Fritz Straßmann entdeckten am 17. Dezember 1938, dass durch Bestrahlung mit Neutronen Urankerne gespalten werden (induzierte Kernspaltung) . Otto Hahn bezeichnete diesen Vorgang als „Zerplatzen“.
Lise Meitner (österreichisch-schwedische Kernphysikerin) arbeitete seit etwa 1910 mit Otto Hahn zusammen und wurde von ihm über alle Experimente und Ergebnisse seiner Versuche unterrichtet. 1939 konnte sie zusammen mit dem Kernphysiker Otto Frisch in einem Aufsatz eine erste physikalisch-theoretische Deutung für das von Otto Hahn formulierte „Zerplatzen“ des Uran-Atomkerns geben. Otto Frisch prägte dabei den Begriff „nuclear fission“ (Kernspaltung) .
Später wurde nachgewiesen, dass bei diesem Prozess ein großer Energiebetrag sowie weitere Neutronen freigesetzt werden, so dass eine Spaltungs-Kettenreaktion und damit die Freisetzung technisch nutzbarer Energiemengen in kurzer Zeit, also bei hoher Leistung, möglich ist .
WIE FUNKTIONIERT DER EIGENTLICHE PROZESS DER KERNSPALTUNG?
Hahn und Straßmann hatten bei der Suche nach Uran-Isotopen zufällig die Kernspaltung entdeckt. „Zur größten Überraschung konnten Hahn und Straßmann aber das Metall Barium mit der Kernladungszahl 56 nachweisen!“ Eine erste Deutung dieses unerwarteten Versuchsergebnisses fanden Lise Meitner und Otto Frisch. Sie konnten nachweisen, dass das in den Uran-Kern eindringende Neutron ihn in etwa zwei gleich große Teile spaltet.
Merke:
Nur wenn die Anregungsenergie des vom Uran-Kern verschluckten Neutrons dazu ausreicht, ihn in eine kritische Deformation zu versetzen, gelingt die Kernspaltung.
Durch die Kernspaltung wird radioaktive Strahlung freigesetzt.
„Die Kernspaltung des Uran-Isotops 238 tritt jedoch sehr selten ein. Die Anregungsenergie des eingefangenen Neutrons kann sich nämlich auch dadurch ausgleichen, daß ein anderes Neutron aus dem Kernverband geschleudert wird.“
Verteilung der drei in der Natur vorkommenden Uran-Isotope:
Isotop Massenzahl (Nukleonen) Isotopenhäufigkeit
Uran 234 234 0,005 %
Uran 235 235 0,720 %
Uran 238 238 99,275 %
Wichtig:
Die Massenzahl gibt die Anzahl der Protonen und Neutronen - der Nukleonen - in einem Atomkern an.
Isotop Protonen Neutronen
Uran 234 92 142
Uran 235 92 143
Uran 238 92 146
Es ist nachgewiesen worden, dass grundsätzlich alle Atomkerne gespalten werden können.
„Bei Uran-238 wird eine Spaltung nur selten erreicht und dann nur bei hoher Energie (Geschwindigkeit) der Neutronen. Die Kerne des Uran-235 lassen sich dagegen sehr
viel leichter, sowohl durch schnelle als auch durch thermische (langsame) Neutronen spalten. Mit langsamen Neutronen gelingt die Spaltung aber besonders leicht. Uran-234 spielt für Kernspaltungen wegen seines geringen Vorkommens in der Natur praktisch keine Rolle.“
Merke:
Thermische (langsame) Neutronen werden künstlich erzeugt, dazu bedient man sich eines Moderators. Ein Moderator ist eine Substanz (üblicherweise Wasser, schweres Wasser oder Graphit), die beschleunigte (schnelle) Neutronen bei Kernreaktionen durch Stöße mit den Atomen des Moderator-Materials abbremsen. D. h. die Neutronen sind 'thermalisiert' und befinden sich im thermischen Gleichgewicht mit dem umgebenden Medium.
SCHLUSSBETRACHTUNG
Das Wissen um die Kernspaltung und die daraus resultierenden Anwendungen und technischen Nutzungsmöglichkeiten hat die Menschheit in widerstreitende Lager gespalten.
Einerseits die wirtschaftliche Nutzung zur Energiegewinnung mittels der kontrollierten Kernspaltung in den Kernreaktoren der Atom-Kraftwerke oder beispielsweise die Nutzung im Bereich der Nuklear-Medizin.
Andererseits dient die Kernspaltungs-Kettenreaktion als Energiequelle für Kernwaffen (Atombomben). Deren „zerstörende Energie“ wird primär als Lichtstrahlung, Hitze und Radioaktivität sowie sekundär in Form einer Druckwelle freigesetzt.
Die furchtbare Wirkung dieser Waffe erlebte die Menschheit erstmals 1945 mit den Abwürfen der Atombomben in Japan über Hiroshima und Nagasaki.
Ob nun die Befürworter oder Gegner der Kernenergie recht haben werden, wird dereinst die Geschichte zeigen.
„Es ist schwieriger, eine vorgefasste Meinung zu zertrümmern, als ein Atom.“
Albert Einstein
LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS
Literatur
Fuchs, Walter R.: Knaurs Buch der modernen Physik Droemersche Verlagsanstalt, München/Zürich 1965
Informationskreis Kernernergie: Kernenergie Basiswissen (Download-Broschüre)
Koelzer, W.: Lexikon zur Kernenergie Forschungszentrum Karlsruhe, Karlsruhe 2012
Volkmer, Martin: Radioaktivität und Strahelnschutz Informationskreis Kernenergie, Ubia-Druck, Köln 2007
Wahrig, Gerhard: Fremdwörter-Lexikon Verlag: Bertelsmann GmbH, Gütersloh 1978
Quelle
http://de.wikipedia.org/wiki/Kernphysik
http://de.wikipedia.org/wiki/James_Chadwick
http://de.wikipedia.org/wiki/Messproblem#Messprozess
http://de.wikipedia.org/wiki/Bohrsches Atommodel
http://de.wikipedia.org/wiki/Lise_Meitner
http://www.kernernergie.de
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