Chemie Grundlagen

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Physikalische Chemie

Kernspaltung

Die Kernspaltung erzeugt Energie für Kernkraftwerke und treibt die Explosion von Atomwaffen an. In diesem Beitrag lernst du unter anderem, was Kernspaltung ist und wie es zu ihrer Entdeckung kam.

Wenn du eher der audiovisuelle Lerntyp bist, dann schau dir unbedingt unser Video zur Kernspaltung an. Dort erfährst du das Wichtigste aus diesem Beitrag in kurzer Zeit.

Inhaltsübersicht

Kernspaltung einfach erklärt

Weltweit sind 450 Kernkraftwerke in 31 Ländern in Betrieb. Der Anteil der Kernenergie an der globalen Stromproduktion lag im Jahr 2019 bei etwa 11%. Diese Energiegewinnung wird durch die Kernspaltung ermöglicht.

Merke

Die Kernspaltung ist eine Kernreaktion, bei der ein großer Kern zu zwei kleinere Kerne zerfällt und dabei unfassbare Energiemengen freigesetzt werden.

Interessanter Fakt: Die Kernspaltung von einem einzigen Kilogramm Uran-235 setzt die gleiche Energiemenge frei wie die Verbrennung von 3.000 Tonnen Steinkohle.

Bei sehr schweren Atomkerne kann es spontan zur Kernspaltung kommen. Für die Energiegewinnung interessanter ist aber die induzierte Spaltung durch den Beschuss mit Neutronen. Von größter Bedeutung ist dabei die Kernspaltung des Urans, wovon über 50.000 Tonnen im Jahr gefördert werden.

Was ist eine Kernspaltung?

Bei der Kernspaltung handelt es sich um eine Kernreaktion. Allgemein sind bei einer Kernreaktion die Teilchen des Kerns eines Atoms involviert. Diese Teilchen sind die Protonen und Neutronen, die auch Nukleonen genannt werden und in ihrere Gesamtheit den Atomkern ausmachen.  

Prinzipiell passiert bei einer Kernspaltung folgendes: Ein großer schwerer Kern zerfällt in zwei oder mehr kleineren leichteren Kerne. Das mag interessant klingen, doch welchen Nutzen bringt die Kernspaltung mit sich und wie kann eine Kernspaltung ausgelöst werden?

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Kernspaltung Zustandekommen

Spontane Spaltung

Bei sehr schweren Kernen mit einer Ordnungszahl größer als 90 kann es zu einer spontanen Kernspaltung kommen. Die Kerne zerfallen in kleinere Kerne, ohne dass der Atomkern irgendwie von außen beeinflusst wird. Die spontane Kernspaltung ist eine Art radioaktiver Zerfall, bei der neben den kleineren Atomkerne auch ein oder mehrere Neutronen entstehen. Diese Prozess ist aber, bis auf die schwersten Atomkerne, sehr langsam. Die spontane Kernspaltung von Uran-238 hat beispielsweise eine Halbwertszeit von etwa 10^{16} Jahren. 

Ein typisches Beispiel ist die spontane Kernspaltung des Californium-Isotops ^{252}Cf in die Isotope ^{140}Xe und ^{108}Ru sowie 4 Neutronen. Die Reaktionsgleichung sieht folgendermaßen aus

^{252}_{98} \mathsf{Cf} \ \rightarrow \ ^{140}_{54} \mathsf{Xe} \ + \ ^{108}_{44} \mathsf{Ru} \ + \ 4 \ \mathsf{Neutronen}.

Die spontane Kernspaltung findet vor Allem in der Forschung bei der Gewinnung von freien Neutronen ihre Anwendung.

Induzierte Spaltung

Die spontane Kernspaltung hat außerhalb der Forschung keinen praktischen Nutzen. Außerhalb der Forschung ist die induzierte Kernspaltung von größerer Bedeutung. Dabei beschießt man einen großen Kern mit Neutronen. Fängt dieser Atomkern ein Neutron ein, gelangt er in einen angeregten Zustand. Eine Möglichkeit diesen angeregten Zustand zu verlassen, ist unter Spaltung in kleinere Atomkerne. 

Diese neutroneninduzierte Kernspaltung ist grundsätzlich für Elemente ab einer Ordnungszahl von 90 möglich. Für die technische Anwendung, etwa zur Stromerzeugung in Kernkraftwerken, spielt die Kernspaltung von Uran-235 eine wesentliche Rolle. Diese Kernspaltung behandeln wir später im Detail.

Kernspaltung Nutzen

Widmen wir uns nun der Frage nach dem Nutzen der Kernspaltung. Wir beschränken uns hier und in den weiteren Abschnitten auf den Fall der induzierten Spaltung.

Wiegst du den schweren Atomkern und das Neutron vor der Spaltung und die Atomkerne sowie mögliche weitere Neutronen nach der Spaltung, wirst du feststellen, dass das Gesamtgewicht vor der Kernspaltung größer ist als das Gesamtgewicht nach der Spaltung. Wieso es zu dieser Beobachtung kommt, ist eine andere Frage, die wir später beantworten werden. Wichtiger ist die Tatsache, dass es passiert. Diese Differenz in den Massen wird als Massendefekt bezeichnet. Bei der Kernspaltung wird eine zum Massendefekt proportionale Energiemenge freigesetzt. Und genau das macht man sich bei der Energiegewinnung in Kernkraftwerken zu Nutze.

Kernspaltung Physik

Bei der Kernspaltung kommt es also irgendwie zu einem Massendefekt und dadurch zu einer zu diesem Massendefekt proportionalen freigesetzten Energie. In diesem Abschnitt erklären wir dir, wieso es zu diesem Massendefekt kommt und wie sich die freigesetzte Energie berechnen lässt.

Bindungsenergie und Masse-Energie Äquivalenz

Bindungsenergie

Wenn du versuchst ein Atomkern in seine einzelne Bestandteile zu zerlegen, musst du dafür eine gewisse Arbeit aufwenden, denn zwischen den Nukleonen herrscht eine anziehende Kraft. Diese Arbeit geht einher mit einer Energie, die du mit deiner Muskelkraft aufbringen musst. Und genau diese Energie, die du liefern musst, um gerade die anziehende Kräfte auszugleichen, heißt Bindungsenergie.

Es ist eine experimentelle Feststellung, dass die Bindungsenergie mit steigender Nukleonzahl bis zum Eisenisotop ^{56}Fe zunimmt und dann wieder abnimmt. Die Kurve weist also beim Isotop ^{56}Fe ein Maximum auf. Links davon ist die Steigung daher positiv und rechts davon negativ. Bei der Kernspaltung sind die schweren Atomkerne von Interesse. Folglich befindet man sich tendenziell auf der rechten Seite des Maximums. 

Wenn sich ein schwerer Atomkern in zwei leichtere Kerne aufspaltet, bewegen wir uns entlang der Kurve der Bindungsenergie nach links, also in Richtung des Maximums. Da in diesem Bereich die Steigung negativ ist, nehmen die Werte der Bindungsenergie von links nach rechts ab. Wir bewegen uns aber bei einer Kernspaltung von rechts nach links, somit nimmt die Bindungsenergie zu. Die Bindungsenergie der beiden Kerne nach der Spaltung ist daher größer als die Bindungsenergie des Kerns vor der Spaltung. Was aber hat das mit dem beobachteten Massendefekt zu tun?

In unserem Beitrag zur Kernfusion  erklären wir dir, wie eine größere Bindungsenergie zu einer kleineren Masse führen kann. Und genau das geschieht auch hier. Da die Bindungsenergie nach der Spaltung größer ist, ist auch die Masse der beiden Kerne zusammen kleiner als die Masse des Kerns vor der Spaltung. Das erklärt den beobachteten Massendefekt.

Äquivalenz von Masse und Energie

Die Masse nach der Spaltung ist also irgendwie kleiner als die Masse vor der Spaltung. Um zu verstehen, wieso dann plötzlich Energie dabei freigesetzt wird, nehmen wir uns die berühmteste Formel der Physik zu Hilfe: Die Äquivalenz von Masse und Energie nach Einstein. Diese Äquivalenz wird ausgedrückt in der Formel

E = m \cdot c^2.

Hier ist m die Masse eine Objekts und c die Lichtgeschwindigkeit. Der Buchstabe E steht für die Ruheenergie, also diejenige Energie, die das Objekt besitzt, wenn es sich als Ganzes nicht bewegt.

Um dir diese Formel zu veranschaulichen, stelle dir zwei Analoguhren vor, die aus den exakt gleichen Atomen und Molekülen aufgebaut sind. Der Unterschied ist der, dass einer der beiden Analoguhren tickt, während die andere stillsteht. Nach Einstein besitzt die tickende Uhr mehr Masse als die stillstehende Uhr. Wie kann das sein? Bei der tickenden Uhr bewegen sich die Zeiger. Sie besitzen also kinetische Energie . Zusätzlich kommt es durch Reibung zwischen den Zahnrädern zu einer Erhöhung der thermischen Energie . Weiterhin wird in den Spiralfedern potentielle Energie gespeichert. All diese Energieformen zusammen dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat ergeben laut Einstein eine Masse und genau diese Extramasse lässt die tickende Uhr mehr wiegen als die stillstehende Uhr.

Masse und Energie sind also bis auf eine Konstante das gleiche. Für unsere Kernspaltung bedeutet das Folgendes: Die Masse nach der Spaltung ist kleiner, damit aber auch die Energie. Nun ist Energie eine Erhaltungsgröße . Und genau diese „fehlende“ Energie entspricht der freigesetzten Energie. Wenn wir den Massendefekt mit \Delta m bezeichnen, dann ergibt sich für die freigesetzte Energie \Delta E

\Delta E = \Delta m \cdot c^2.

Kernspaltung Uran

In diesem Abschnitt schauen wir uns die für die Energiegewinnung wichtige Kernspaltung von Uran an. Wir stellen dir verschiedene Spaltungsmöglichkeiten vor und berechnen die freigesetzte Energiemenge für eine ganz bestimmte Spaltung.

Kernspaltung Uran Spaltfragmente

Allgemein werden die Atomkerne nach der Spaltung als Spaltfragmente bezeichnet. In den meisten Fällen liegen zwei Spaltfragmente vor. Sehr selten kann es auch zu einer Spaltung in drei Fragmente kommen. 

Für ein gegebenes Atomkern gibt es aber nicht genau eine Spaltmöglichkeit. Häufig tritt aber die Spaltung in einen leichten Atomkern (Massenzahl etwa 90) und in einen schweren Atomkern (Massenzahl etwa 140). 

Spaltung von Uran, Kernspaltung
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Spaltung von Uran

Als Beispiel zeigen wir dir drei Spaltungsmöglichkeiten für Uran-235:

  • die Spaltung in Barium (Kr) und Krypton (Kr)

^{1}_{0} \mathsf{n} \ + \  ^{235}_{92} \mathsf{U} \ \rightarrow \ ^{236}_{92} \mathsf{U} \ \rightarrow \ ^{141}_{56} \mathsf{Ba} \ + \ ^{92}_{36} \mathsf{Kr} \ + \ 3 \ ^{1}_{0} \mathsf{n},

  • die Spaltung in Rubidium (Rb) und Caesium (Cs)

^{1}_{0} \mathsf{n} \ + \  ^{235}_{92} \mathsf{U} \ \rightarrow \ ^{236}_{92} \mathsf{U} \ \rightarrow \ ^{90}_{37} \mathsf{Rb} \ + \ ^{143}_{55} \mathsf{Cs} \ + \ 3 \ ^{1}_{0} \mathsf{n} und

  • die Spaltung in Strontium (Sr) und Xenon (Xe)

^{1}_{0} \mathsf{n} \ + \  ^{235}_{92} \mathsf{U} \ \rightarrow \ ^{236}_{92} \mathsf{U} \ \rightarrow \ ^{90}_{38} \mathsf{Sr} \ + \ ^{143}_{54} \mathsf{Xe} \ + \ 3 \ ^{1}_{0} \mathsf{n}.

Die bei diesen Spaltungen entstehenden Neutronen können wiederum Kernspaltungen induzieren, wodurch wieder Neutronen entstehen, die ebenfalls Kernspaltungen herbeiführen können und so weiter. Dieser Prozess der Kettenreaktion wird in Kernkraftwerken ausgenutzt.

Kernspaltung Uran freigesetzte Energie

Lass uns doch anhand der Spaltung in Barium und Krypton mit Hilfe der Einstein-Beziehung die freigesetzte Energiemenge bei der Kernspaltung von Uran-235 berechnen. Hierzu benötigen wir die Atommassen des Uran-235, des Neutrons, des Barium-141 und des Krypton-92. Diese lauten

m_{\mathsf{A}} (^{235}_{92} \mathsf{U}) = 235,04392996 \ \mathsf{u},

m_{\mathsf{A}} (^{1}_{0} \mathsf{n}) = 1,00866492 \ \mathsf{u},

m_{\mathsf{A}} (^{141}_{56} \mathsf{U}) = 140,91441105 \ \mathsf{u} und

m_{\mathsf{A}} (^{92}_{36} \mathsf{U}) = 91,92615626 \ \mathsf{u}.

Die Atommasse vor der Spaltung beträgt

M_{\mathsf{vor}} = m_{\mathsf{A}} (^{235}_{92} \mathsf{U}) \ + \ m_{\mathsf{A}} (^{1}_{0} \mathsf{n}) = 235,04392996 \ \mathsf{u} \ + \ 1,00866492 \ \mathsf{u} = 236,0525949 \ \mathsf{u}

und die Atommasse nach der Spaltung

M_{\mathsf{nach}} = m_{\mathsf{A}} (^{141}_{56} \mathsf{Ba}) \ + \ m_{\mathsf{A}} (^{92}_{36} \mathsf{Kr}) \ + \ 3 \cdot m_{\mathsf{A}} (^{1}_{0} \mathsf{n}) = 140,91441105 \ \mathsf{u} \ + \ 91,92615626 \ \mathsf{u} \ + \ 3 \cdot 1,00866492 \ \mathsf{u} = 235,8665621 \ \mathsf{u}

Der Massendefekt ergibt sich damit zu

\Delta m = M_{\mathsf{vor}} \ - \ M_{\mathsf{nach}} = 236,0525949 \ \mathsf{u} \ - \ 235,8665621 \ \mathsf{u} = 0,18603283 \ \mathsf{u}.

Damit erhalten wir für die freigesetzte Energiemenge

\Delta E = \Delta m \cdot c^2 = 0,18603283 \ \mathsf{u} \cdot c^2 = 0,18603283 \cdot 931,494 \ \mathsf{MeV} = 173,288 \ \mathsf{MeV}.

Hierbei haben wir ausgenutzt, dass

\mathsf{u} \cdot c^2 = 1,66054 \cdot 10^{-27} \ \mathsf{kg} \cdot (2,998 \cdot 10^8 \ \mathsf{\frac{m}{s}})^2 = 1,492 \cdot 10^{-10} \ \mathsf{J}

und unter Ausnutzung der Umwandlung 1 \ \mathsf{eV} = 1,60218 \cdot 10^{-19} \ \mathsf{J} zwischen Elektronenvolt (eV) und Joule (J) 

1,492 \cdot 10^{-10} \ \mathsf{J} = 931,494 \ \mathsf{MeV}.

Das ist die freigesetzte Energie für eine Kernspaltung. Die Kernspaltung von nur einem Kilogramm Uran-235 setzt eine Energiemenge von etwa 8,64 \cdot 10^{13} \ \mathsf{J} frei, was dem Verbrennen von 3000 Tonnen Steinkohle entspricht.

Kernspaltung Entdeckung

Die Entdeckung des Neutrons im Jahre 1932 durch James Chadwick führte zu unmittelbaren Folgerungen für die experimentelle Kernphysik. Da das Neutron elektrisch neutral ist, kann es die Atomkerne durchdringen. 

Die ersten Experimente, die das ausnutzten, waren der Beschuss von Uran mit Neutronen durch Enrico Fermi und seinen Forschungskollegen in Rom im Jahre 1934. Er entdeckte dabei Spaltprodukte, aber die Ergebnisse wurden mit Skepsis betrachtet.

Die Experimente wurden durch Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Strassmann wiederholt. Die Kollaboration mit Lise Meitner hauptsächlich per Mail statt, da sie als Jüdin aus Deutschland damals fliehen musste. Otto Hahn berichtete Lise Meitner über seine Entdeckung des Spaltfragments Barium beim Beschuss von Uran mit Neutronen. 

Daraufhin überzeugte Meitner sich und Hahn, dass das Barium die Folge eines Prozesses war, das heute als Kernspaltung bekannt ist. Die Ergebnisse wurden von Hahn und Strassmann im Jahre 1939 veröffentlicht. Meitner und ihr Neffe Otto Frisch veröffentlichten eine theoretische Erklärung der Beobachtungen von Hahn und Strassmann ebenfalls im Jahre 1939.

Aus diesem Grund zählen Otto Hahn und Fritz Strassmann als die Entdecker der Kernspaltung und Lise Meitner und Otto Frisch als die ersten, die eine theoretische Erklärung für diesen Prozess bekannt gaben. Es war Otto Frisch der die Bezeichnung Kernspaltung einführte. Otto Hahn hatte ursprünglich die Bezeichnung „Uranspaltung“ verwendet.

 

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