Kernspaltung und Kernfusion

Kern-/Teilchenphysik

Kernspaltung und Kernfusion

  • Welche Bedeutung hat die EINSTEIN-Formel in der Kernphysik?
  • Wie viel Energie kann man bei der Kernspaltung …
  • … und wie viel bei der Kernfusion gewinnen?
  • Warum gibt es noch keine Fusionsreaktoren?

Otto HAHN (1879 - 1968)

Otto HAHN (1879 - 1968)
Bundesarchiv, Bild 183-46019-0001 / CC-BY-SA [CC-BY-SA-3.0-de], via Wikimedia Commons

Studium

Otto HAHN wurde am 8. März 1879 in Frankfurt am Main geboren. Er stammte aus "gutbürgerlichen" Verhältnissen, besuchte in Frankfurt eine Oberrealschule, studierte von 1897 an Chemie (u.a. auch in München) und schloss das Studium 1901 mit einer Dissertation in Marburg ab.

London und Montreal (1904 - 1906)

Nach der Militärzeit arbeitete er zwei Jahre als Assistent bei seinem Doktorvater Prof. Zincke. Die wissenschaftlichen Ambitionen schienen zu dieser Zeit noch nicht sehr ausgeprägt zu sein. HAHN bewarb sich um eine Stelle in der Industrie. Die Firma, welche ihn anstellte, schickte ihn zur Verbesserung der Sprachkenntnisse (er sollte im Auslandsdienst eingesetzt werden) zu einem halbjährigen Aufenthalt nach England. Mit Unterstützung seiner nicht unvermögenden Familie arbeitete er in London bei dem berühmten Sir William RAMSAY (Entdeckung der Edelgase) im chemischen Institut.

Da Ramsay eine starke Radium-Quelle benötigte, bekam HAHN den Auftrag, nach einer von Madame CURIE entwickelten Methode das in einem Bariumsalz enthaltene Radium zu isolieren. Da HAHN auf diesem Gebiet noch keinerlei Erfahrung hatte, musste er sich völlig selbständig in dieses neue Feld der Radiochemie einarbeiten. Schon zu dieser Zeit suchte er den Kontakt zu Physikern und wandte teilweise deren Methoden an.

Fraktionierte Kristallisation

Um das im Bariumsalz nur in kleinen Spuren enthaltene Radium zu isolieren, verwandte HAHN eine Vorgehensweise, die ihm 35 Jahre später bei der Entdeckung der Kernspaltung wichtige Dienste erweisen sollte: die fraktionierte Kristallisation.

Bei der Auskristallisation einer Salzlösung fallen chemisch ähnliche Elemente zusammen aus (z.B. Erdalkalien oder mit Barium das nächst höhere Erdalkali Radium. Da aber die Löslichkeit dieser beiden Salze nicht exakt gleich ist (das Radiumssalz löst sich etwas schlechter als das Bariumsalz), scheidet sich zu Beginn der Auskristallisation mit viel Barium etwas mehr Radium ab als später.

Wird die Kristallisation frühzeitig unterbrochen und der zuerst gebildete Niederschlag abfiltriert, wieder gelöst und erneut in gleicher Weise kristallisiert, so kann nach vielfachen Wiederholungen das Radium angereichert werden.

Diese Methode funktioniert auch dann, wenn das Radium in kleinsten unwägbaren Mengen in der Lösung enthalten ist. Der Radiumnachweis erfolgt schließlich über dessen Zerfallsprodukt, dessen radioaktive Strahlung auch bei kleinsten Mengen deutlich nachweisbar ist.

Neben der Perfektionierung der "Fraktionierten Kristallisation" fand Hahn in seiner Londoner Zeit auch noch eine neues radioaktives Element, das er Radiothor nannte. Nach diesen großen Erfolgen riet man ihm auf die Industrie-Laufbahn zu verzichten und sich ganz dem neuen Gebiet der Radiochemie zu widmen. Hahn erhielt in Montreal einen Arbeitsplatz bei dem jungen, damals schon führenden Physiker Ernest Rutherford und eignete sich dessen physikalische Methoden (z.B. zum Nachweis der a-Strahlung) an. In der Zeit in Montreal entdeckte HAHN ein weiteres neues radioaktives Element, das er Radioactinium nannte.

Berlin (1906 - 1946)

Nach dem Montreal-Aufenthalt ging HAHN nach Berlin, wo ihm die nicht mehr benötigte Holzwerkstatt des chemischen Instituts (Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie) überlassen wurde. Ohne Gehalt und nur mit Unterstützung seiner Familie baute sich Hahn ein Labor auf, in dem er sich der "Chemie der unwägbaren Mengen" widmete. Da sich seine Chemie-Kollegen für dieses Gebiet noch wenig interessierten, suchte Hahn eher den Kontakt zu den Physikern (z.B. Franck, Hertz, Pohl usw.). Im Jahre 1907 lernte Hahn die österreichische Physikerin Dr. Lise Meitner kennen, mit der ihn eine dreißigjährige wissenschaftliche Zusammenarbeit verbinden sollte. 1910 wurde Hahn zum Professor ernannt, 1912 übernahm er eine Abteilung des Kaiser-Wilhelm-Instituts, von 1928 bis 1945 war er dessen Direktor.

Zusammen mit Lise Meitner führte Hahn zahlreiche neue Verfahren zur Trennung und Anreicherung radioaktiver Elemente ein. Zu deren Charakterisierung wurde nun neben der Alpha-Strahlung auch die Beta-Strahlung herangezogen. Es gelang ihnen auch der Nachweis, dass es beim Alphazerfall zu einem Rückstoß des radioaktiven Elements kam.

Im Jahre 1918 entdeckte Hahn zusammen mit Lise Meitner das Element Protactinium mit der Kernladungszahl (91Pa).

Die Suche nach den Transuranen

Als im Jahr 1932 Chadwick das Neutron entdeckte, suchte man überall auf der Welt nach Reaktionen, die durch Neutronen ausgelöst werden. In Europa gab es drei Zentren: In Rom das Institut von Enrico Fermi, in Paris arbeitete das Ehepaar Joliot-Curie an dem Problem und auch das renommierte Institut von Hahn in Berlin, mit seiner riesigen Erfahrung in der Kernchemie, beteiligte sich ab 1935 an der Erforschung.

Das folgende Bild zeigt das Periodensystem der Elemente, wie es im Jahre 1934 bekannt war. Es endete mit dem zu dieser Zeit schwersten Element Uran. Es war nun die Frage, ob es jenseits vom Uran noch weitere Elemente gibt, die sogenannten Transurane.

Fermi versuchte die Gewinnung eines Tranurans durch Beschuss von Uran mit Neutronen. Man stellte sich vor, dass der durch Einfang des Neutrons entstandene Kern aufgrund seines nun bestehenden Neutronenüberschusses einen ß--Zerfall ausführt. Dabei wandelt sich ein Kernneutron in ein Kernproton und ein schnelles Elektron wird emittiert. Auf diese Weise würde ein Kern mit der Ladungszahl 93 entstehen.

\[{}_{92}^{235}{\rm{U}} + {}_0^1{\rm{n}} \to {}_{92}^{236}{\rm{U}} \to {}_{93}^{236}{\rm{Np}} + {}_{ - 1}^0{\rm{e}} + {}_0^0{\rm{?}}\]

  • 1934 berichtete Fermi - noch etwas vorsichtig - dass es ihm gelungen sei, ein Element mit der Ordnungszahl größer als 92 herzustellen.
  • Im Jahre 1938 berichteten Joliot-Curie und Savic, dass bei der Neutronen-Bestrahlung des Uran das Element Radium entstanden ist (Nachweis durch fraktionierte Kristallisation). Sie wollten diesen Befund jedoch nicht als Kernspaltung deuten.
  • Im Winter 1938 kamen Hahn und Straßmann (Meitner war inzwischen vor den Nationalsozialisten geflohen), durch ihre Experimente zur Überzeugung, dass nach dem Neutronenbeschuss des Urans das Element Barium aufgetreten ist. Sie schreiben:

    " . . . nun müssen wir aber noch auf einige neuere Untersuchungen zu sprechen kommen, die wir der seltsamen Ergebnisse wegen nur zögernd veröffentlichen . . . 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 . . . als der Physik in gewisser Weise nahe stehenden >Kernchemiker< können wir uns zu diesem allen bisherigen Erfahrungen der Kernphysik widersprechenden Sprung noch nicht entschließen. Es könnten doch noch vielleicht eine Reihe seltsamer Zufälle unsere Ergebnisse vorgetäuscht haben."

    Nach weiteren genialen Versuchen waren sich Hahn und Straßmann im Februar 1939 sicher, die Kernspaltung entdeckt zu haben, insbesondere als sie auch noch das zu Barium komplementäre Element Krypton nachweisen konnten.

Für die Entdeckung der Kernspaltung, die so tiefgreifende Entwicklungen wie den Bau der Atombombe aber auch die friedliche Nutzung der Kernenergie einleitete, bekam Hahn, der "Vater des Atomzeitalters", im Jahre 1944 den Nobelpreis. Von 1948 bis 1960 war Otto Hahn Präsident der "Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften", der Nachfolgeorganisation der "Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft".

In dieser Eigenschaft fordert Hahn immer wieder ein Atomwaffenverbot. Im Jahre 1957 unterzeichnet er zusammen mit 17 anderen Atomwissenschaftlern eine Erklärung gegen die Aufrüstung der Bundeswehr mit Atomwaffen. Am 28. Juli 1968 stirbt der 89-jährige Hahn in Göttingen.

Eine englische Biographie des Nobel-Instituts finden Sie unter der Adresse: http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1944/hahn-bio.html

Eine ausführlichere Biographie von Otto Hahn gibt es beim Otto-Hahn-Gymnasium, Marktredwitz: http://www.ohg-marktredwitz.de/schule/otto_hahn.html

Lise MEITNER (1878 - 1968) und Fritz STRASSMANN (1902 - 1980)

Lise MEITNER (1878 - 1968)

Lise MEITNER (1878 - 1968)
von GFHund (Eigenes Werk) [GFDL oder CC-BY-3.0], via Wikimedia Commons
  • Am 7. November 1878 wird Lise Meitner als Tochter jüdischer Eltern in Wien geboren.
  • Was zu dieser Zeit für Mädchen noch selten war: Sie machte das Abitur und studierte an der Universität in Wien Physik, Mathematik und Philosophie. Sie promovierte 1906 bei Boltzmann über ein Gebiet der Wärmelehre.
  • Im Jahre 1907 geht Frau Dr. Meitner zu ihrer weiteren Ausbildung nach Berlin zu Max Planck und lernt dort Otto Hahn kennen. Für die Planung eines gemeinsamen Experiments müssen sie eine Genehmigung einholen, die nur unter der Bedingung gewährt wird, dass Frau Meitner außer der Holzwerkstatt des Instituts, in der Hahn arbeitete, keinen Raum des chemischen Instituts betritt. Um die Vorlesung Max Plancks hören zu dürfen, musste sie eine Sondergenehmigung erwirken.
  • Im ersten Weltkrieg arbeitete Lise Meitner - wie Madame Curie auf der Gegenseite - als Röntgenschwester in einem Frontlazarett.
  • Nach dem Krieg setzte sie die überaus erfolgreiche wissenschaftliche Zusammenarbeit mit Otto Hahn fort. Fast 50 Veröffentlichungen tragen den Namen beider Wissenschaftler. Während Hahn die chemischen Experimente vorantrieb, kümmerte sich Meitner mehr um den theoretischen physikalischen Hintergrund. Sie war das "physikalische Gewissen" Hahns. Lise Meitner habilitiert sich und bekommt als erste Frau eine Stelle als außerordentliche Professorin.
  • Als die Nationalsozialisten an die Macht kamen wurde ihr als Jüdin die Lehrerlaubnis wieder entzogen. Als Österreicherin durfte sie aber weiterhin forschen. Erst mit der "Rückkehr Österreichs ins Reich" war sie der deutschen Gesetzgebung unterworfen und musste um ihr Leben bangen. Sie floh 1938 nach Schweden, begleitete aber von dort aus immer noch die Arbeiten der Berliner Gruppe.
  • Ihre letzten Lebensjahre verbrachte Lise Meitner in Cambridge, wo sie neunzigjährig verstarb.

Fritz STRASSMANN (1902 - 1980)

Fritz Strassmann (1902-1980)
  • Fritz Straßmann kommt 1929 als promovierter Stipendiat zu Otto Hahn.
  • Hahn überträgt ihm Studien zur angewandten Radioaktivität. Der glänzende Analytiker wird Mitglied im Team, das sich auf die Suche nach den Transuranen macht.
  • 1946 wird Straßmann Leiter der Chemischen Abteilung des Kaiser-Wilhelm-Institus und schließlich ordentlicher Professor und Leiter des Chemischen Instituts der Universität Mainz.

 

Das Dreier-Team: von rechts nach links: Otto Hahn, Lise Meitner; Fritz Straßmann

 

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