Kernspaltung
Kernspaltung ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein schwerer Atomkern in zwei oder mehr kleinere Kerne zerfällt. Dabei wird Energie freigesetzt. Diese Entdeckung wurde im Jahr 1938 gemacht und führte zur Entwicklung der Atombombe und von Kernkraftwerken. Wenn du mehr über die Geschichte der Entdeckung und die Anwendungsmöglichkeiten der Kernspaltung erfahren möchtest, dann bist du hier genau richtig! Alles Weitere dazu findest du im folgenden Text.
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Grundlagen zum Thema Kernspaltung
Kernspaltung Physik – Definition
In der Physik bezeichnet man als Kernspaltung den folgenden Vorgang:
Ein schwerer Atomkern wird unter der Freisetzung von Energie in zwei oder mehr kleinere Kerne zerlegt. Bei bestimmten Atomkernen erfolgt dieser Prozess von selbst (Spontanspaltung).
Häufiger wird die Kernspaltung allerdings durch Beschuss mit Neutronen ausgelöst. Da hierbei seinerseits Neutronen frei werden, besteht die Möglichkeit weiterer Spaltungen.
Kernspaltung Physik – Entdeckung
In einem Brief an Lise Meitner beschrieb Otto Hahn 1938 zuerst seine Idee, dass Uran‑238 „zerplatzt“, allerdings mit dem Zusatz, er wisse genau, dass das unmöglich ist. Lise Meitner zeigte ihm daraufhin rechnerisch, dass es sehr wohl möglich ist. Zu den Folgen von Otto Hahns und Lise Meitners Entdeckung der so bewiesenen Kernspaltung gehört die erste Atombombe 1945 sowie das erste Kernkraftwerk 1954.
Wusstest du schon?
Die Energie, die durch Kernspaltung freigesetzt wird, stammt aus einem kleinen Anteil der Masse des Atoms, der gemäß Einsteins berühmter Formel in Energie umgewandelt wird. Selbst ein winziges bisschen Masse kann demnach eine enorme Menge Energie freisetzen!
Kernspaltung Physik – Transurane
Bereits vor der Entdeckung der Kernspaltung hatten Otto Hahn und Lise Meitner mit Transuranen experimentiert. Dies sind Elemente mit höherer Ordnungszahl als Uran. Uran hat die Ordnungszahl 92. Kerne wie die des Nuklids Uran‑238 sind mit 238 Kernbausteinen instabil.
Je mehr Protonen ein Kern besitzt, desto weniger können die kurzreichweitigen Bindungskräfte die langreichweitigen Coulombkräfte kompensieren und den Kern stabilisieren. Außer Plutonium‑244 kommen Transurane wegen ihrer hohen Instabilität auf der Erde nicht natürlich vor. Sie zerfallen allmählich zu stabilen Nukliden geringerer Kernladungszahl.
Transurane können durch Neutronenbeschuss erzeugt werden. Dabei wird z. B. aus Uran‑238 zunächst Uran‑239. Bei einem anschließenden ‑Zerfall wird aus einem Neutron ein Proton und es entsteht das Nuklid Neptunium‑239 mit höherer Kernladungszahl 93:
Bei der Untersuchung der Produkte von Uran‑238 unter Neutronenbeschuss fand Otto Hahn 1938 Barium‑139. Dieses musste also beim Zerfall von Uran zusammen mit Technetium
Fehleralarm
Es ist ein Fehler, zu denken, dass bei der Kernspaltung die entstandenen Teilchen stabile Atomkerne sind. Tatsächlich handelt es sich oft um radioaktive Isotope, die weiter zerfallen.
Kernspaltung Physik – Formel
Wird Uran‑235 mit hinreichend langsamen Neutronen beschossen, kann ein einzelnes Neutron in einen Atomkern integriert werden. So entsteht Uran‑236, das in Barium‑139 und Krypton‑95 zerfällt:
Dabei werden zwei schnelle Neutronen frei. Durch geeignetes Abbremsen können die bei der Spaltung eines Atomkerns frei werdenden Neutronen genutzt werden, um weitere Atomkerne zu spalten. Diese kontrollierte Kettenreaktion und der Energieüberschuss der Reaktion ist die Grundlage für die Funktionsweise der Atombomben und Kernkraftwerke.
Schlaue Idee
Wenn du verstehst, wie Kernspaltung funktioniert, kannst du Nachrichten über Atomkraftwerke besser einordnen. Du erkennst, wie Strom damit erzeugt wird und warum Sicherheitsmaßnahmen so wichtig sind.
Kernspaltung Physik – Erklärung
Im Tröpfchenmodell des Atomkerns (siehe Abbildung) kann man sich die Kernspaltung veranschaulichen: Ein zusätzliches Neutron im Kern versetzt die Kernbausteine in Schwingungen, sodass sich die Protonen voneinander entfernen und die Bindungskräfte schwächer werden als die Coulombkräfte. Der Atomkern reißt dann auseinander.
Als Spallation bezeichnet man den Prozess der Kernspaltung durch Beschuss mit Neutronen (weiß). In der folgenden Abbildung ist die Spallation schematisch dargestellt.
Kontrovers diskutiert:
Expertinnen und Experten sind sich uneinig, ob Kernspaltung in Zukunft eine tragfähige Energiequelle bleibt. Einige Forscherinnen und Forscher argumentieren, dass die Risiken von Nuklearunfällen und die ungelöste Endlagerung von Atommüll die Nutzung gefährlich machen. Andere hingegen betonen, dass Kernkraft eine relativ ‑arme Methode der Stromerzeugung darstellt und somit im Kampf gegen den Klimawandel unverzichtbar ist. Was denkst du?
Ausblick – das lernst du nach Kernspaltung
Als nächstes beschäftigen wir uns mit der spannenden Thematik der Kernfusion. Zudem werden wir die Nutzung der Kernspaltung in Kernkraftwerken und in der Atombombe näher betrachten. Spannende Themen warten auf dich in der Kernphysik!
Zusammenfassung der Kernspaltung
- Bei der Kernspaltung zerfällt ein Atomkern in zwei oder mehr kleinere Atomkerne. Aus dem Atom eines Elements werden also mehrere andere Elemente.
- Bei der Spontantspaltung erfolgt der Zerfall auf natürliche Weise. Er kann aber auch durch Beschuss mit Neutronen künstlich herbeigeführt werden – das nennt man Spallation.
- Die bei der Spallation frei werdende Kernenergie kann in Kernkraftwerken genutzt bzw. in elektrische Energie umgewandelt werden.
Häufige Fragen zum Thema Kernspaltung
Transkript Kernspaltung
Es ist Ende Dezember 1938. Ein Brief erreicht Lise Meitner in ihrem schwedischen Exil. Ihr Freund und Kollege Otto Hahn schreibt aus dem von den Nazis kontrollierten Deutschland: "Wäre es möglich, dass das Uran 239 zerplatzt in ein Ba und ein Ma?" Dieser Satz ist der Beginn von etwas, das die Welt verändern wird. Lise Meitner weiß sofort, wovon Otto Hahn spricht und beginnt mit ihrer Arbeit. Weniger als sieben Jahre später wird eine einzige auf Otto Hahns beruhende Bombe in ganz kurzer Zeit 80000 Menschen töten. Weitere neun Jahre später wird in der Sowjetunion das erste Kernkraftwerk in Betrieb genommen. Das Zeitalter der Kernspaltung hat begonnen. In diesem Video lernst du, was der Satz Otto Hahns genau bedeutet. Dafür erkläre ich dir, was Transurane sind. Dann lernst du, was bei einer Kernspaltung passiert und wie man sie durch Neutronenbeschuss einleitet, die sogenannte "Spallation". Lise Meitner und Otto Hahn hatten schon vor 1938 an sogenannten "Transuranen" geforscht. Das sind Elemente mit höheren Ordnungszahlen als Uran. Uran selbst hat die Ordnungszahl 92. Das am häufigsten vorkommende Nuklid Uran 238 hat 238 Kernbausteine. Bei dieser Größe werden Atomkerne instabil. Das kann man sich gut mithilfe des Tröpfchenmodells veranschaulichen. Die kurzreichweitigen Kernkräfte wirken nur zwischen benachbarten Kernbausteinen. Die langreichweitigen Coulomb-Kräfte bewirken aber eine Abstoßung zwischen den Protonen im Kern. Umso mehr Protonen ein Atomkern besitzt, desto weniger können die Kernkräfte die Coulomb-Kräfte also kompensieren. Alle Transurane, außer Plutonium 244, sind so instabil, dass sie auf der Erde nicht natürlich vorkommen. Die meisten zerfallen innerhalb weniger Minuten durch Alpha- oder Betazerfall zu stabilen Nukliden mit geringerer Kernladungszahl. Transurane können jedoch aus Uran durch Beschuss mit Neutronen erzeugt werden. DAs Neutron geht in den Kern über, in unserem Beispiel entsteht Uran 239. Bei einem Beta-Minus-Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton um. Es entsteht ein Nuklid mit höherer Kernladungszahl, in diesem Fall Neptunium 239. Auf diese Weise hatte Otto Hahn 1938 nach neuen Transuranen gesucht. Er hatte Uran mit Neutronen beschossen und die Produkte chemisch untersucht. Dabei war er auf Barium 139 gestoßen. Dieses hat viel kleinere Atomkerne als Uran. Er hatte also gefolgert, dass Barium 139 beim Zerplatzen von Uran entstanden sein muss. Barium ist das Ba in seinem Brief an Lise Meitner. Das Ma in seinem Brief ist Technetium, das zur damaligen Zeit noch als Masurium bekannt war. Die Kernspaltung kann man sich mit dem Tröpfchenmodell veranschaulichen. Ein Neutron trifft auf den Atomkern und versetzt ihn in Schwingungen. Die Protonen im Atomkern entfernen sich dadurch voneinander. Die Kernkräfte wirken auf diesen Entfernungen schwächer als die Coulomb-Kräfte. Der Atomkern reißt auseinander. Der Prozess der Kernspaltung durch Beschuss mit Neutronen wird als Spallation bezeichnet. Schauen wir uns die Spallation eines Uran-235-Kerns einmal genauer an. Der Atomkern wird mit einem Neutron beschossen. Ist das Neutron langsam genug, wird es in den Kern aufgenommen und es entsteht Uran 236. Die kinetische Energie des Neutrons geht in Schwingungsenergie des Uran-236-Kerns über. Dadurch spaltet er sich in Barium 139 und Krypton 95. Dabei werden zusätzlich zwei schnelle Neutronen und eine Menge Energie frei. Der Energieüberschuss bei Kernspaltungen ist die Grundlage von Atombomben und Kernkraftwerken. Barium 139 und Krypton 95 sind wiederum radioaktiv und zerfallen weiter durch Beta-Minus-Zerfall zu stabilen Nukliden. Dieser Prozess dauert im Schnitt mehrere Monate. Fassen wir zusammen: Transurane sind Elemente mit höheren Ordnungszahlen als Uran. Sie können aus Uran durch Beschuss mit Neutronen erzeugt werden. Der Beschuss mit Neutronen kann aber auch zur Spaltung der Atomkerne führen. Anhand des Tröpfchenmodells können wir uns das folgendermaßen erklären: Ein Neutron trifft auf den Atomkern und versetzt ihn in Schwingungen. Die Protonen im Atomkern entfernen sich dadurch voneinander. Die Kernkräfte wirken auf diesen Entfernungen schwächer als die Coulomb-Kräfte. Der Atomkern reißt auseinander. Der Prozess der Kernspaltung durch Beschuss mit Neutronen wird als Spallation bezeichnet. Bei der Spallation von Uran 235 mit relativ langsamen Neutronen entstehen Barium 139 und Krypton 95. Dabei werden zusätzlich zwei schnelle Neutronen frei. Barium 139 und Krypton 95 sind wiederum radioaktiv und zerfallen weiter durch Beta-Minus-Zerfall zu stabilen Nukliden. Bis zum nächsten Mal. Tschüss!
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Ist natürlich Aufgabe 3 und nicht Aufgabe 4 mit den Coulomb-Kräften...
Hm...auch bei Aufgabe 4 ist die Aussage: "Die Coulombkräfte nehmen zu" meiner Meinung nach nicht richtig...besser wäre wohl: Die Coulomb-Abstoßung ist jetzt größer als die Anziehung durch die (starke) Kernkraft.
Hallo, in Aufgabe 2 (Auswahl wie Transurane erzeugt werden können) ist der Beschuß durch Elektronen auch als richtige Lösung angegeben. Im Film wird dies aber nicht erwähnt? Auch die Videohilfe zeigt nur den Beschuß durch Neutronen. Bei Wikipedia ist angegeben, dass Transurane nur durch Beschuß mit Neutronen oder Atomkernen aus Elementen hoher Ordnungszahl durch Neutroneneinfang und Anschließendem ß- Zerfall erzeugt werden können. Der Beschuss mit Elektronen (Aufgabe 2 Bild 1) ist nicht erwähnt....
@Soufiane.
Zunächst einmal gibt es bei den Kernspaltungen viele verschiedene Resultate.
Die gängigste Lösung wurde von uns abgebildet. Bei ihr entstehen 2 Neutronen.
Um die Dramatik zu erhöhen wird aber häufiger, gerade in Schulen, auf eine Variante mit drei entstehenden Neutronen zurückgegriffen.
Jedoch kenne ich die Reaktion mit drei Neutronen eher als
U 92/235 + n 0/1 --> U 92/236 --> Kr 36/89 + Ba 56/144 + 3 n0/1
Aber wie gesagt es gibt mehrere mögliche Lösungen.
Solange die Massenzahlen sich ausgleichen, ist auch das eine mögliche Spaltungsreaktion.
Ich glaube die Gleichung ist falsch sie müsste so lauten:
Uran 92/235 + n 0/1 wird zu Uran 236/92 und das wird zu
Ba 56/143 + Kr 36/90 + 3* n 0/1
So hat es unsere Physik Lehrerin gesagt.