Kernspaltung einfach erklärt

Kernspaltung leicht gemacht: Lerne, wie schwere Atomkerne durch den Beschuss mit Neutronen gespalten werden, Energie freigesetzt wird und Uran zur Energiegewinnung genutzt wird. Interessiert? Dies und mehr im folgenden Text über die Entdeckung, Ursachen, Energieberechnung, Unterschiede zur Kernfusion und häufig gestellte Fragen zur Kernspaltung.

Inhaltsverzeichnis zum Thema Kernspaltung

Das Quiz zum Thema: Kernspaltung

Was bezeichnet man als Kernspaltung?

Frage 1 von 5

Welcher Atomphysiker führte als Erster Experimente zur Kernspaltung durch?

Frage 2 von 5

Welcher Physiker entdeckte Barium als Spaltprodukt von Uran und gilt als Entdecker der Kernspaltung?

Frage 3 von 5

Welcher Atomkern wird in Kernkraftwerken häufig zur Energiegewinnung durch Kernspaltung genutzt?

Frage 4 von 5

Was ist der Unterschied zwischen Kernfusion und Kernspaltung?

Frage 5 von 5

Kernspaltung im Überblick

  • Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern durch den Beschuss mit einem Neutron in zwei kleinere Atomkerne gespalten.

  • Durch den Prozess der Kernspaltung wird Energie freigesetzt.
  • Die Spaltung von Uran wird in Kernkraftwerken für die Energiegewinnung genutzt.
  • Otto Hahn gilt als Entdecker der Kernspaltung. Er beobachtete 1938 als Erster Barium als Spaltprodukt von Uran.
Kernspaltung: Lernvideo

Quelle sofatutor.com

Kernspaltung – Erklärung

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 E = m \cdot c^2 beschreibt den Zusammenhang zwischen der Verringerung der Masse und der freigesetzten Energie.

Entdeckung der Kernspaltung

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.

Kernspaltung am Beispiel von Uran

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.

Schematische Darstellung einer Kernspaltung

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 Energiefreisetzung

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. 

E = m \cdot c^2

mit m der Masse eines Objekts, c der Lichtgeschwindigkeit und E der Ruheenergie. Ist nun die Masse nach der Kernspaltung kleiner als davor, ist auch die Ruheenergie geringer, da c 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 \Delta m, ist die freigesetzte Energie \Delta E definiert als:

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

Freigesetzte Energie berechnen

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 \text{u} angegeben. Die folgende Tabelle gibt die Atommassen der notwendigen Stoffe an.

Stoff Atommasse
Uran 235,04\, \text{u}
Neutron 1,01\, \text{u}
Barium 143,92\, \text{u}
Krypton 88,92\, \text{u}

Die Masse vor der Spaltung berechnet sich als:

mvor = 235,04 u + 1,01 u = 236,05 u

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

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

Aus der Differenz beider Massen ergibt sich der Massendefekt:

Δ m = mvor – mnach = 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.

Kernfusion versus Kernspaltung

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.

Häufig gestellte Fragen zur Kernspaltung

Um eine Kernspaltung auszulösen, muss ein schwerer Atomkern mit einem langsamen Neutron beschossen werden, sodass der Atomkern durch die Aufnahme des Neutrons instabil wird und zerfällt.

Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern durch den Beschuss mit einem langsamen Neutron in mehrere Atomkerne gespalten. Bei diesem Prozess wird neben mehreren Neutronen auch Energie freigesetzt.

Im Kernkraftwerk wird Uran-235 gespalten. Häufig entstehen die Spaltprodukte Krypton-89 und Barium-144.

Das ist abhängig vom Atomkern, der gespalten wird. Aus Kernkraftwerken ist die Spaltung von Uran-235 bekannt. Dabei entstehen häufig die Elemente Krypton-89 und Barium-144.

Die Gesamtmasse des Atomkerns und des Neutrons vor der Spaltung ist größer als die Masse der entstehenden Atomkerne und Neutronen. Diese Massendifferenz wird Massendefekt genannt. Aus der einsteinschen Formel lässt sich herleiten, dass eine geringere Masse auch bedeutet, dass die Energie geringer sein muss. Da die Energie jedoch eine Erhaltungsgröße ist, muss die Energiedifferenz freigesetzt worden sein.

Im Jahr 1939 veröffentlichten die Physiker Otto Hahn und Fritz Strassmann erste Forschungsergebnisse zur Kernspaltung. Otto Hahn entdeckte im Jahr davor Barium als Spaltprodukt von Uran. Dies gilt als Entdeckung der Kernspaltung.

Bei der Kernspaltung entstehen neben Atomkernen auch weitere Neutronen. Treffen diese mit der passenden Geschwindigkeit auf andere Atomkerne, können sie weitere Kernspaltungen auslösen.

Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern in mehrere leichte Atomkerne gespalten, wohingegen bei der Kernfusion zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Atomkern verschmelzen.

Uran ist ein chemisches Element. Uran-235 wird in Kernkraftwerken häufig zur Energiegewinnung genutzt, da bei seiner Spaltung große Mengen Energie freigesetzt werden.

Reines Uran ist ein relativ weiches Schwermetall und sieht silbrig glänzend aus.

Otto Hahn wird gelegentlich fälschlicherweise als Erfinder der Atombombe bezeichnet. Das deutsche Uranprojekt der Nationalsozialisten, an dem auch Otto Hahn beteiligt war, führte allerdings zu keinem messbaren Erfolg. Während des Zweiten Weltkriegs startete die US-amerikanische Regierung das Manhattan-Projekt, ein Atombombenprogramm, um den Nazis zuvorzukommen. Leiter des Programms war Robert Julius Oppenheimer. Am 16. Juli 1945 wurde in New Mexico auf einem Testgelände in der Wüste die erste Atombombe gezündet. Da durch die Kapitulation des Deutschen Reichs am 8. bzw. 9. Mai 1945 der Zweite Weltkrieg in Europa zu diesem Zeitpunkt beendet war, kamen die ersten (und letzten) beiden militärisch genutzten amerikanischen Atombomben über den japanischen Städten Hiroshima und Nagasaki zum Einsatz. Als Otto Hahn davon in britischer Kriegsgefangenschaft erfuhr, machte er sich schwere Vorwürfe. Zeit seines Lebens kämpfte er gegen die militärische Nutzung seiner Entdeckung.

Bei einer Kernspaltung nimmt der Atomkern ein weiteres Neutron auf. Dadurch wird er instabil und zerfällt.

Lise Meitner schrieb gemeinsam mit Otto Frisch eine theoretische Erklärung zur Kernspaltung.

Enrico Fermi führte bereits vor Otto Hahn Experimente durch, in denen er Uran mit Neutronen beschoss. Dabei entdeckte er verschiedene Spaltprodukte. Und ihm gelang am 21.12.1942 um 15:25 Uhr mit seinem Team die erste kontrollierte Kettenreaktion der Menschheit.

Otto Hahn entdeckte in den 1930er-Jahren als Erster Barium als Spaltprodukt von Uran.

Otto Hahn führte die erste Kernspaltung durch, bei der Barium als Spaltprodukt von Uran entdeckt wurde.

Otto Hahn entdeckte die Kernspaltung 1938 am Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin.

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