Atombombe – Entwicklung, Aufbau und Funktion

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir machen weiter mit Atomphysik und wollen uns heute mit der nuklearen Kettenreaktion beschäftigen, speziell mit der Erfindung, die der Atom- und Kernphysik ihren schlechten Ruf eingebracht hat, nämlich der Atombombe. Für dieses Video könnte es hilfreich sein, wenn ihr schon das Video über die Radioaktivität gesehen habt, in dem kurz die Kernspaltung erwähnt wird. Es ist aber nicht dringend notwendig. Wir lernen heute, wie es zur Entwicklung der Atombombe kam, wie eine nukleare Kettenreaktion entsteht, wie sie in der Atombombe eingesetzt wird und was die kritische Masse ist. Obwohl es eigentlich wesentlich mehr mit Geschichte als mit Physik zu tun hat, wollen wir uns kurz einmal ansehen, wie es zur Entwicklung der Atombombe gekommen ist. Nachdem die Radioaktivität und die Elementarteilchen entdeckt waren, spekulierten viele darüber, was man mit den gewaltigen Kräften, die im Inneren eines Atomkerns wirken, eigentlich anfangen könnte. 1914 beschrieb der berühmte Science Fiction Autor H. G. Wells in einem seiner Bücher eine Bombe, die auf den Kernkräften beruhte und der er den Namen Atombombe gab. Der Name Atombombe stammt also gar nicht von einem Physiker. Bis die ersten theoretischen und experimentellen Grundlagen gelegt wurden, dauerte es auch noch eine ganze Zeit. 1933 schlug der ungarische Physiker Leó Szilárd vor, dass mit Hilfe der bei einer Kernspaltung entstehenden Neutronen weitere Kernspaltungen angeregt werden könnten und man somit eine Kettenreaktion erzeugen könnte. 1938 gelang es in Berlin erstmals Otto Hahn und Fritz Straßmann, einen Urankern durch Neutronenbeschuss zu spalten. Dieses Experiment war von Lise Meitner mitentwickelt worden, die später auch mit Otto Frisch zusammen den theoretischen Hintergrund des Experimentes klärte. In dieser Zeit befand sie sich allerdings schon in Schweden, da sie als Jüdin in Deutschland von den Nazis verfolgt wurde. Da nach diesen Forschungsergebnissen aus Deutschland keine weiteren Forschungsergebnise zur Kernspaltung veröffentlicht wurden und auch der Verkauf von Uran gestoppt wurde, richteten Leó Szilárd, Albert Einstein und Eugen Wigner, die allesamt nach Amerika immigriert waren, 1939 einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Franklin Roosevelt. Sie waren überzeugt, dass man in Deutschland mit allen Kräften versuchte, eine Atombombe zu entwickeln und beschworen den Präsidenten in Amerika Geld für die Entwicklung von Atomwaffen bereitzustellen, um im Krieg nicht den Nachteil zu haben. Daraufhin stellte man in Amerika große Mengen Geld für die Forschung an der Kernspaltung zur Verfügung. Und nach vielversprechenden Ergebnissen wurde im Herbst 1942 das sogenannte Manhattan-Projekt ins Leben gerufen. Unter der Leitung von Robert Oppenheimer arbeiteten in Los Alamos über 1000 Mitarbeiter an der Entwicklung der Atombombe. Und nicht mal 3 Jahre später, am 16. Juli 1945, wurde in New Mexico die erste Atombombe getestet. Und kurz darauf, am 6. August 1945, wurde über Hiroshima in Japan die erste Atombombe gezündet.  Was genau passiert nun eigentlich bei so einer Kettenreaktion? Dazu müssen wir uns noch einmal an die Kernspaltung erinnern. Im Video über die Radioaktivität hatten wir bereits gehört, dass sich ein Atomkern auch spalten kann. Selten von selbst, leichter unter Beschuss. Nehmen wir also an, ein frei herumfliegendes Neutron, vielleicht von einem vorherigen Kernspaltungsvorgang, trifft auf einen 235 Urankern. Durch den Neutronenbeschuss wird sich der Urankern aufspalten, meistens in 2 kleinere Atomkerne und einige einzelne Neutronen. Normalerweise ist das kein großes Problem. In der Natur kommt Uran so unrein vor, dass die Neutronen entweder ins Nichts fliegen oder einen anderen Atomkern treffen werden, dem es nicht so viel anhaben kann. Die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen verpuffen also normalerweise wirkungslos. Es ist aber natürlich auch möglich, dass eines unserer Neutronen einen weiteren 235 Urankern trifft und diesen wiederum zur Spaltung anregt. Wenn ich also nun große Mengen reines Uran 235 an einen Ort lege, dann wird bei jeder Kernspaltung eine Reihe von Neutronen frei, die also jeweils wieder neue Kernspaltungen verursachen. Mein gesamtes Spaltmaterial verbrennt also. Diesen Vorgang nennt man eine nukleare Kettenreaktion. Und in diesem Zusammenhang wird auch der Begriff der kritischen Masse verwendet.  Was bedeutet denn nun kritische Masse? Das ist eigentlich ganz einfach. Im Bild links seht ihr mehrere Urankugeln. Es ist natürlich möglich, dass eine Kernspaltung in der oberen Urankugel weitere Kernspaltungen zur Folge hat, da die Neutronen jedoch eine Weile fliegen müssen, bevor sie wieder einen Atomkern treffen, ist die Chance natürlich größer je größer die Kugel ist. Der Begriff "Kritische Masse" bedeutet nun nichts anderes, als dass genug Spaltungsmaterial vorhanden ist, sodass eine Kettenreaktion von alleine weiterlaufen kann. Für Uran 235 ist die kritische Masse zum Beispiel ungefähr 50kg. Wenn ich also 50kg Uran 235 nehme und es in eine Kugel presse, wird eine Kettenreaktion beginnen abzulaufen. Man kann die kritische Masse auch verringern, was bei den meisten Atombomben gemacht wird, indem man das Spaltmaterial mit einem Neutronen reflektierenden Mantel umgibt, der die ausgesendeten Neutronen zurück ins Innere der Kugel wirft. Dadurch halbiert sich die kritische Masse auf ungefähr 23kg.  Wie aber ist nun so eine Atombombe aufgebaut und vor allem, wie verhindere ich, dass sie mir vorzeitig um die Ohren fliegt? Es gibt 2 Standardmethoden, nach denen Atombomben gebaut werden. Ihr könnt sie links im Bild sehen. Die erste Methode, das sogenannte Gun-Prinzip, vom englischen "gun" (Kanone), funktioniert, indem 2 Halbkugeln, die weit voneinander entfernt sind, durch eine Sprengladung aufeinander geschossen werden. Beide Halbkugeln sind für sich nicht kritisch, man sagt auch unterkritisch, werden aber, sobald sie aufeinander geschossen werden, zu einer kritischen Masse und die Kettenreaktion beginnt. Das Spaltmaterial ist in Kugelform am günstigsten angeordnet für eine Kettenreaktion. Also nimmt man eine große Kugel, die in der Mitte allerdings einen großen Hohlraum hat. Diese Kugel ist noch nicht kritisch. Um die Bombe zu zünden, werden allerdings rings um dieser Hohlkugel lauter Sprengladungen gezündet, die die Hohlkugel zu einer kleineren massiven Kugel zusammendrücken, die dann die kritische Masse erreicht hat. Bei der Zündung der Atombombe laufen dann unvorstellbare Vorgänge ab. Innerhalb nur einer Millionsten Sekunde ist das gesamte Spaltmaterial zerfallen und innerhalb einer Zehntel Sekunde bildet sich ein gewaltiger Feuerball. Gleichzeitig schießt eine Druckwelle aus Hitze und radioaktiver Strahlung in alle Richtungen. Dann kühlt sich der Feuerball ab und es bildet sich der bekannte Atompilz. Außerdem rieseln die Endprodukte der Spaltungsprozesse auf die Landschaft nieder, die auch noch radioaktiv sind und zur Verseuchung beitragen. Die Zerstörung, die eine Atombombe anrichtet, ist gewaltig. So gewaltig, dass im Krieg bisher erst 2 Atombomben gezündet wurden, von den Amerikanern über Hiroshima und Nagasaki. In Hiroshima, in der die kleinere der beiden Bomben gezündet wurde, starben zum Beispiel direkt an der Explosion zwischen 90000 und 166000 Menschen. Die genaue Zahl ist bis heute nicht bekannt. Im Laufe der Zeit wurden jedoch noch deutlich stärkere Bomben entwickelt. Die stärkste jemals getestete Bombe, die von den Russen entwickelt wurde, die sogenannte Zarbombe zum Beispiel, war fast 4000 mal stärker als die Hiroshima-Bombe. Bei ihrer Zündung wurde alles im Umkreis von 35km komplett zerstört, und die dabei entstehende Druckwelle war so stark, dass sie noch beim dritten Umrunden des Erdballs gemessen werden konnte.  Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Für die Amerikaner war die Entwicklung der Atombombe ein Wettrennen zur Entscheidung des 2. Weltkriegs, da sie befürchteten, die Deutschen könnten diese zuerst entwickeln. Als die erste Atombombe abgeworfen wurde, hatte Deutschland zwar schon kapituliert, sie beendete aber den Krieg zwischen Amerika und Japan. Eine nukleare Kettenreaktion entsteht, wenn die bei einer Kernspaltung erzeugten Neutronen weitere Kernspaltungen anregen können. Die kritische Masse eines Spaltmaterials nennt man die Menge, die man von diesem Material benötigt, um eine Kettenreaktion zu erzeugen. Wenn die Kettenreaktion anläuft, sagt man, die kritische Masse ist erreicht. In einer Atombombe wird Spaltmaterial durch Sprengladungen zu einer kritischen Masse zusammengedrückt, die dann unter der Abgabe enormer Energiemengen sofort komplett zerfällt.  So, das wars schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Bis zum nächsten Mal. Einen schönen Tag wünsche ich euch. Tschüss.