Kernspaltung einfach erklärt

Die Zerlegung eines schweren Atomkerns in zwei kleinere Atomkerne wird als Kernspaltung oder Atomspaltung bezeichnet. Bei diesem Prozess werden Energie und mehrere Neutronen freigesetzt. Die freigesetzte Energie wird Kernenergie genannt. Bei der Kernspaltung handelt es sich um eine spezielle Form der Kernumwandlung.

Für den Prozess der Kernspaltung muss der schwere Atomkern mit einem Neutron beschossen werden. Aus Kernkraftwerken, die zur Energiegewinnung genutzt werden, ist die Kernspaltung von Uran-235 bekannt. Dort wird der Urankern in zwei Atomkerne, meist Barium und Krypton, gespalten. 

Jede dieser Spaltreaktionen setzt Energie frei. Das liegt am sogenannten Massendefekt. Die Gesamtmasse der Kerne nach der Spaltung ist kleiner als die Masse vor der Spaltung. Die Massendifferenz wurde in Energie umgewandelt. Die berühmte Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen der Verringerung der Masse und der freigesetzten Energie.

Der italienische Atomphysiker Enrico Fermi führte im Jahr 1934 als Erstes Experimente durch, in denen er Uran mit Neutronen beschoss. Dabei entdeckte er bereits verschiedene Spaltprodukte. Neutronen wurden erst kurz davor, im Jahr 1932, durch James Chadwick entdeckt. 

Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Strassmann wiederholten Fermis Experimente. Otto Hahn war derjenige, der beim Beschuss von Uran mit Neutronen Barium als Spaltprodukt entdeckte. Somit konnte Barium als Folge der Kernspaltung bewiesen werden. 

Im Jahr 1939 wurden diese Ergebnisse von den beiden Chemikern Hahn und Strassmann veröffentlicht. Im gleichen Jahr brachten die Physikerin Lise Meitner und der Physiker Otto Frisch eine theoretische Erklärung für diese Beobachtungen heraus. 

Zu den Entdeckern der Kernspaltung zählen Otto Hahn und Fritz Strassmann. Lise Meitner und Otto Frisch zählen als die ersten Physiker, die eine theoretische Erklärung für den Prozess der Kernspaltung veröffentlichten. Otto Hahn nannte den Prozess zunächst Uranspaltung, bis Otto Frisch die Bezeichnung Kernspaltung etablierte.

Bei Uran handelt es sich um ein Schwermetall. Es hat ein silbrig glänzendes Aussehen und wird in Kernkraftwerken häufig zur Energiegewinnung genutzt. 

Bei der Kernspaltung von Uran-235, das aus den Kernkraftwerken bekannt ist, wird der Atomkern mit langsamen Neutronen beschossen. Dieser nimmt ein Neutron auf und somit findet eine Kernumwandlung zu Uran-236 statt. 

Dieses zusätzliche Neutron versetzt die Kernbausteine im Atomkern in Schwingungen. Die Protonen entfernen sich dadurch voneinander und die Bindungskräfte werden schwächer, wodurch der Atomkern instabil wird und in mehrere Teile zerfällt. Die Atomkerne, die bei der Spaltung entstehen, werden auch als Spaltfragmente oder Spaltprodukte bezeichnet. Man spricht in diesem Fall von einer induzierten Kernspaltung, da diese herbeigeführt und gewollt ist. Von spontanen Kernspaltungen spricht man, wenn ein Atomkern ohne äußere Beeinflussung gespalten wird. 

Im folgenden Bild ist eine schematische Darstellung der Kernspaltung zu sehen.

Für Uran-235 sind verschiedene Spaltungsmöglichkeiten vorhanden. Meist zerfällt der Uran in einen leichten Atomkern und einen schweren Atomkern. Häufig sind die Spaltprodukte Barium-144 (schwerer Atomkern) und Krypton-89 (leichter Atomkern). Aber auch die Spaltmöglichkeiten Caesium-143 und Rubidium-90 sowie Xenon-143 und Strontium-90 kommen vor. 

Bei der Kernspaltung frei werdende Neutronen können für weitere Spaltungen von Atomkernen genutzt werden. Diese müssen dafür geeignet abgebremst werden. Findet dieser Prozess geplant statt, spricht man von einer gesteuerten Kettenreaktion. Diese wird in Atomkraftwerken genutzt. Ist dieser Prozess jedoch nicht kontrolliert, spricht man von einer ungesteuerten Kettenreaktion, die bei Atombomben auftritt.

Ursache für die frei werdende Energie bei einer Kernspaltung ist der sogenannte Massendefekt. Wiegt man den Atomkern Uran-235 und das Neutron vor der Spaltung und vergleicht diese mit den Atomkernen Barium-144 und Krypton-89 sowie den frei werdenden Neutronen nach der Spaltung, stellt man einen Massenunterschied fest. Das Gesamtgewicht ist vor der Spaltung größer als nach der Spaltung. Dieser Unterschied der Massen wird als Massendefekt bezeichnet. 

Die berühmte Formel Albert Einsteins, die die Äquivalenz von Masse und Energie beschreibt, kann verwendet werden, um diesen Prozess zu verstehen. 

mit der Masse eines Objekts, der Lichtgeschwindigkeit und der Ruheenergie. Ist nun die Masse nach der Kernspaltung kleiner als davor, ist auch die Ruheenergie geringer, da eine konstante Größe ist. Da die Energie jedoch eine Erhaltungsgröße ist, also Energie nicht verloren gehen kann, muss die Energiedifferenz freigesetzt worden sein. Bezeichnen wir die Differenz der Masse als , ist die freigesetzte Energie definiert als:

Mithilfe der einsteinschen Formel kann die Energiefreisetzung berechnet werden. Hierfür sind die Massen von Uran-235 und des Neutrons sowie der Spaltprodukte notwendig. Kernmassen werden in der atomaren Einheit angegeben. Die folgende Tabelle gibt die Atommassen der notwendigen Stoffe an.

Die Masse vor der Spaltung berechnet sich als:

m_vor = 235,04 u + 1,01 u = 236,05 u

Gehen wir von drei freigesetzten Neutronen aus, beträgt die Masse nach der Spaltung:

m_nach = 143,92 u + 88,92 u + 3 · 1,01 u = 235,87 u

Aus der Differenz beider Massen ergibt sich der Massendefekt:

Δ m = m_vor – m_nach = 236,05 u – 235,87 u = 0,18 u

Diesen Massendefekt können wir nun in die angepasste einsteinsche Formel einsetzen. Multiplizieren wir 1 u mit c², erhalten wir einen Wert von 931,494 MeV (Megaelektronenvolt). Somit ergibt sich für die freigesetzte Energie:

Δ E = Δ m · c² = 0,18 · 931,494 MeV = 167,67 MeV

Bei einer einzigen Kernspaltung werden etwa 168 MeV freigesetzt.

Bei beiden Prozessen wird Energie freigesetzt und somit werden beide Prozesse zur Energiegewinnung genutzt, doch was ist eigentlich der Unterschied zwischen Kernfusion und Kernspaltung? 

Im Gegensatz zur Kernspaltung, bei der ein schwerer Atomkern in mehrere leichte Atomkerne gespalten wird, verschmelzen bei der Kernfusion zwei leichte Atomkerne zu einem schweren Atomkern. 

Dass bei beiden Prozessen Energie freigesetzt wird, liegt an der sogenannten Bindungsenergie. Schwere Kerne wie Uran benötigen mehr Bindungsenergie als die bei der Kernspaltung entstehenden leichten Kerne. Somit wird ein Teil der Bindungsenergie freigesetzt. Die bei der Kernfusion verschmelzenden leichten Kerne benötigen wiederum mehr Bindungsenergie als der größere entstehende Kern. Dadurch wird ebenfalls ein Teil der Bindungsenergie freigesetzt. 

Der entscheidende Punkt ist die Größe der Kerne. Die kleinen leichten Kerne von zum Beispiel Wasserstoff und Helium setzen bei der Verschmelzung Energie frei. Je größer die Kerne, desto weniger Energie wird bei einer Verschmelzung freigesetzt. Alle Kerne, die größer sind als Eisen, benötigen sogar Energie, um zu fusionieren. Ab dieser Größe wird Energie beim entgegengesetzten Prozess, der Kernspaltung, freigesetzt.