Kernreaktionen

 

Alphastrahlen in einer Nebelkammer
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Urankonzentrat, wird wegen der auffällig gelben Farbe auch als Yellow Cake bezeichnet

 

 

 

Linearbeschleuniger der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt

 

 

 

Schema einer Kernspaltung

 

Atombombenexplosion

 

Atombombe Little Boy

Ernest Rutherford machte im Jahre 1919 bei seinen Experimenten in der Nebelkammer eine überraschende Entdeckung. Er beschoss in der Nebelkammer N-14-Atome mit Alphastrahlen. Bei den späteren Auswertungen der Aufnahmen stellte er fest, dass sich die α-Spur gelegentlich in eine dünne lange Spur und in eine kurze dicke Spur aufgabelte. Damit hatte Ernest Rutherford die erste Kernumwandlung entdeckt. Heutzutage benutzt man die unterschiedlichsten Teilchen als Geschosse zum Auslösen von Kernreaktionen.

 

Reaktionen mit Alphateilchen

Durch die nähere Betrachtung der Nebelkammeraufnahem kann man aufgrund der Teilchen-Spuren auf die kinetische Energie der jeweiligen Teilchen schliessen. Mit Hilfe der Erhaltungssätze der Masse und der Beobahtungen gelang es Rutherford eine Erklärung für das Phänomen zu finden. Die lange dünne Spur ist demnach ein Proton, bei der kurzen Spur handelt es sich ein Sauerstoff-Atom.

  

Abb.: Reaktionssymbol und verkürzte Schreibweise

Die von Rutherford entdeckte Kernreaktion wird als (α,p)-Reaktion bezeichnet, da das Geschoßteilchen ein Alphateilchen ist und bei der Reaktion Protonen aus dem Kern geschleudert werden.

Eine (α,n)-Reaktion wurde 1932 von dem Naturwissenschaftler Chadwick gefunden. Dabei wird Beryllium () mit Alphateilchen beschossen und es entstehen sowie Neutronen. Diese Reaktion findet heutzutage häufig in der Wissenschaft Anwendung zur Erzeugung von Neutronen.

 

Reaktionen mit Neutronen

Da Neutronen keine Ladung besitzen treten sie kaum in Wechselwirkung mit der Materie. Sie können jedoch von Atomkernen eingefangen werden. Eine der bedeutendsten (n,p)-Reaktionen findet bei der Bildung von C14-Atomen statt.

  

Durch einen solchen Neutroneneinfang können so genannte Transurane entstehen, also Elemente mit einer Ordnungszahl größer 92. Bei solchen (n,γ)-Reaktionen bilden sich häufig, aufgrund der sich anschließenden β-Zerfallsreaktion, sehr schwere Transurane wie beispielsweise Plutonium-239.

Eine weitere technisch bedeutsames Verfahren ist eine (n,γ)-Reaktion zur Bildung von Uran-233. Dabei beschießt man Thorium-232 mit Neutronen und es entsteht Thorium-233 dieses Zerfällt unter Abstrahlung von Betateilchen zu Protctinium. In einem weiteren Beta-Zerfall ensteht dann das Uran-233.Plutonium-239 sowie Uran-233 finden in Kernreaktoren ihre Verwendung. 

 

Reaktionen mit Ionen

Durch den Beschuß einer Metallschicht mit Ionen kann man die schwersten denkbaren Transurane herstellen. Sie sind zwar meistenst sehr instabil und haben nur eine Lebensdauer von Bruchteilen einer Sekunde. Man kann aber auf die Massen der ursprünglichen Transurane mit Hilfe der Zerfallsprodukte Zurückschließen. Die Kernreaktion zur Bildung des bisher schwersten Elements gelang 1982 zum ersten mal. Damals beschoss man Bismut mit Eisen-Ionen mit einer Geschwindigkeit von 10% der Lichtgeschwindigkeit und erhielt Unnilenium.

 

 

Kernspaltung

Die bis heute bedeutendste Kernreaktion ist die Kernspaltung. Sie wurde zufällig von Hahn und Strassmann entdeckt. Die beiden Wissenschaftler führten 1938 Versuche zur Erzeugung von Transuranen durch, bei denen sie natürliches Uran mit Neutronen beschossen. Sie erwarteten eine (n,γ)-Reaktion. Es bildete sich aber statt des zu erwartenden Plutonium-239, Barium-56. Später erkannten die Naturwissenschaftler Meitner und Frisch dieser Beobachtung. Hahn und Strassmann hatten die erste Kernspaltung durchgeführt.

  

Bei der Spaltung eines Atomkernes laufen die folgenden Reaktionen ab. Zunächst wird der Uran-Kern mit einem Neutron beschossen. Durch das Einfangen des Neutrons wird der Kern deformiert und gerät in Schwingung. An den Einschnürungen sind die Krnbindungskräfte zu klein, um gegen die Abstoßung der Protonen zu wirken. Der Kern zerbricht unter Abgabe von Neutronen und γ-Strahlung.

Bei einer Kernreaktion werden enorme Mengen an Energie frei. Bei der Spaltung eines U-235-Kern sind es circa 200MeV. Die Ursach dafür ist ein Massendeffekt von 0,1%. Mit Hilfe der Einstein’schen Beziehung lässt sich die freiwerdende Energie berechne:

 

Die kinetische Energie der freiwerdenden Neutronen liegt bei 2MeV. Gelingt es nun ein solches schnelles Elektron auf eine Energie von etwa 0,025eV abzubremsen, können durch diese Elektronen weitere Kernspaltungen ausgelöst werden. Es entsteht eine Kettenreaktion, welche innerhalb von kürzester Zeit enorme Mengen an Energie freisetzen kann. Eine solche Reaktion ist die Grundlage für eine Atombombe.

Spaltbare Materialien, wie beispielsweise Uran-235 und Plutonium-239 wird erst beim Überschreiten der kritischen Masse explosiv. Bei Uran-235 liegt diese Masse bei circa 15kg reinem Uran und für Plutonium bei 4kg. Ist die Masse geringer, so verlassen die Neutronen das Material bevor sie durch Zusammenstöße abgebremst werden können. Somit ist eine Kettenreaktion nicht möglich.

Um eine Atombombe zu zünden werden also zwei unterkritische Massen zusammen mit Neutronen aufeinander geschossen.

 

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