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 $E = m\,c^2$ 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 $\beta^-$‑Zerfall wird aus einem Neutron ein Proton und es entsteht das Nuklid Neptunium‑239 mit höherer Kernladungszahl 93:
${}^{238} _{92} \ce{U} + \,{}^{1}_{0} \ce{n} \longrightarrow ~{}^{239}_{92} \ce{U} \longrightarrow ~{}^{239}_{93} \ce{Np} + \,{}^{0}_{1} \ce{e}$
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:
${}^{235}_{92} \ce{U} + \,{}^{1}_{0} \ce{n} \longrightarrow ~{}^{236}_{92} \ce{U} \longrightarrow ~{}^{139}_{56} \ce{Ba} + \,{}^{95}_{36} \ce{Kr} + 2\,{}^{1}_{0} \ce{n}$
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 $\ce{CO2}$‑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!
Kernspaltung Übung
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Gib an, was Transurane sind.
TippsAls Transurane hat man zuerst alle künstlichen superschweren Elemente bezeichnet. Das kam, weil sie so viele Kernteilchen besitzen.
Die Zahl unten links am Elementsymbol von Uran (U) ist die Ordnungszahl.
LösungDer Begriff „Transurane“ oder auch das Präfix „Trans-“ kann dir häufiger begegnen, daher wollen wir wissen, was damit gemeint ist.
Transurane sind Elemente mit einer höheren Ordnungszahl als Uran, also Elemente mit einer Ordnungszahl von über 92.
Die lateinische Präposition „trans“ bedeutet „über“ oder „über hinaus“, deshalb steht Transuran für „über Uran“ oder „über (die Kernteilchenzahl von) Uran hinaus“.
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Gib an, wie man neue Transurane erzeugen kann.
TippsMan möchte die Kernladungszahl erhöhen.
Man arbeitet nur mit dem Atomkern, also benutzt man nur Teilchen, die auch in den Kern gehören.
LösungUm Transurane herzustellen, wird ein Urankern mit einem Neutron (oder Elektron) beschossen. Dadurch entsteht ein Beta-Minus Zerfall im Kern, bei diesem wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt und es wird ein Elektron frei.
So bekommt man ein neues Element mit einer höheren Ordnungszahl als Uran (ein Transuran) und ein freies Elektron.
Meistens sind diese Transurane aber nicht stabil und zerfallen sehr schnell wieder. (Dann hat eine Spallation stattgefunden.)
Das passiert, wenn man z.B. Uran 238 mit einem Neutron beschießt.
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Beschreibe die Spallation.
TippsDer Vorgang heißt Spallation, dabei wird zuerst ein Neutron in den Atomkern eingebracht.
LösungBei der Spallation wird ein Neutron in den Atomkern gebracht. Dieses versetzt den Atomkern in Schwingungen und die Protonen entfernen sich voneinander. Die Coulombkräfte, also die Abstoßungen der Protonen zueinander, wirken dadurch stärker und führen zum Zerreißen des Kerns, da die Kernkräfte nicht mehr in der Lage sind den Kern weiter gegen die Coulombkräfte zusammenzuhalten.
Dadurch entstehen zwei Kerne mit niedrigerer Ordnungszahl und weitere Neutronen. Diese haben dann eine hohe Bewegungsenergie, wodurch auch weitere Spaltungen gestartet werden können. (Es kann also eine Kettenreaktion entstehen.) Außerdem wird viel Energie frei, die man anschließend für verschiedene Zwecke benutzen kann.
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Ordne die Spaltprozesse von Uran bei der Spallation.
Tipps235 bzw. 236 gibt die Anzahl der Kernteilchen an (Nukleonenzahl).
LösungHier haben wir den Zerfall von Uran für eine Atombombe gezeigt. Das geht vor allem, weil eine Kettenreaktion immer neue Spaltungen und damit immer mehr Energie freisetzen kann.
Wenn wir ein Neutron in ein Uran 235 bringen wird, es zu Uran 236.
(Denn es ist ein Neutron mehr darin).
Dieses ist dann aber nicht mehr stabil und zerfällt daher in Krypton, Barium und zwei Neutronen.
Diese Neutronen können dann wieder ein Uran 235 spalten und es kann eine mächtige Kettenreaktion entstehen.Diese zwei Neutronen können dann gleich zwei neue Zerfälle starten und jeder dieser Zerfälle auch wieder je zwei weitere, so findet nicht nur eine Kettenreaktion, sondern eine immer schneller werdende Kettenreaktion statt.
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Nenne Einsatzgebiete für die Energie, die durch radioaktive Zerfälle oder Kernspaltungen frei wird.
TippsBei der Kernspaltung wird viel Energie in Form von Strahlung und beschleunigten Neutronen frei.
Die Energie wird als Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung frei und kann sehr gefährlich für den Körper sein. Zudem werden auch Neutronen frei.
Manchmal wird aber gerade die zerstörerische Wirkung von radioaktiver Strahlung auf den Körper benutzt, um z.B. Krebs zu heilen.
LösungMit der Kernspaltung erzeugt man in erster Linie radioaktive Strahlung, mit dieser kann man dann Strom erzeugen oder Krebs behandeln. Dann haben wir einen Zerfall, bei dem radioaktive Strahlung entsteht, also einen "radioaktiven Zerfall". Dabei werden meist auch Neutronen frei, die dann neue Kernspaltungen erzeugen können, das wird z.B. in Atomkraftwerken gebraucht.
Unter radioaktiver Strahlung versteht man das Freiwerden von Heliumkernen (Alpha-), Elektronen (Beta-Minus-) oder elektromagnetischen Strahlen (Gammastrahlung).
Die schnelle Reaktion und das schnelle Freiwerden von Energie macht es auch möglich Bomben zu bauen.
Was man allerdings nicht machen sollte, ist damit zu grillen. Theoretisch kann man damit schon grillen, da ja enorm viel Wärme entsteht, aber daneben zu stehen oder das Essen zu essen wäre eher tödlich!
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Erkläre die Wirkung der Kernkräfte.
TippsGleiche Ladungen stoßen sich ab.
Neutronen sind ungeladen.
Wenn ein Kern zerfällt, sind die entstehenden Kerne kleiner als der vorherige.
LösungWir haben im Kern zwei anziehende Kräfte, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft. Diese wirken zwischen den benachbarten Teilchen, Protonen und Neutronen. Sie besitzen aber nur eine sehr kurze Reichweite.
Im Kern gibt es auch eine abstoßende Kraft mit großer Reichweite. Die weitreichende Kraft ist die Coulomb-Kraft, sie bewirkt eine Abstoßung der Protonen voneinander. Die Coulomb-Kraft wirkt nicht auf die ungeladenen Neutronen.
Hat der Kern zu viele Protonen und überwiegt damit die Coulomb-Kraft die stabilisierenden Kräfte im Kern, zerfällt der Kern unter Abgabe von $\alpha$- oder $\beta^+$-Strahlung, um die Zahl der Protonen zu senken. Hat der Kern genug Energie, kann er auch durch Kernspaltung in zwei kleinere Kerne gespalten werden. Dies ist aber auf der Erdoberfläche nur mit künstlich zugeführter Energie möglich.Ausblick in die Zukunft
Da die Neutronen die anziehenden Kräfte verstärken, sind rein rechnerisch sehr schwere Kerne möglich, die wieder stabil sind, sodass sie genug Neutronen besitzen, um die Coulomb-Kraft zu kompensieren. Ob es uns gelingt diese Kerne herzustellen, ist aber eher fraglich.
Die radioaktiven Zerfallsarten
Die Wirkungen der radioaktiven Strahlungsarten
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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.