Entdeckung der Kernspaltung

Aufgaben zur Kernspaltung Lies dir die Aufgaben auf dem Arbeitsblatt durch und schaue dir die Präsentation an. Verwende auch das Buch S. 186-191 Die Nummern auf dem Arbeitsblatt entsprechen den Nummern in der Präsentation. Schreibe die Antworten zu den Fragen ins Heft, bzw. direkt aufs Blatt

Eine Entdeckung verändert die Welt… Die Entdeckung der Kernspaltung vor etwa 70 Jahren hatte weit reichende Folgen für die ganze Menschheit. Atomwaffen Kernkraftwerke, Tschernobyl Atommüll Strahlenopfer …

1. Wie alles begann… Berlin 1938: Otto Hahn und Fritz Strassmann führten Versuche mit Uran durch: Sie beschossen Uranatome mit Neutronen und dachten, die Neutronen würden im Uran bleiben und somit neue, schwerere Elemente entstehen. Mit großem Erstaunen stellten sie bei ihren Experimenten jedoch fest, dass keine schwereren Elemente entstanden sind. Stattdessen sind kleinere Elemente wie Barium und Krypton entstanden. Arbeitstisch von O. Hahn und F. Strassmann

1. Wie alles begann… Otto Hahn schickte diese Erkenntnisse an seine Kollegin Lise Meitner in Schweden. Diese Physikerin musste bereits 1933 Deutschland verlassen, weil sie Jüdin war. Lise Meitner fand nun etwas Unglaubliches heraus: Bei den Versuchen von Otto Hahn und Fritz Strassmann musste es sich um eine Kernspaltung handeln! Die mit Neutronen beschossenen Uranatome sind also nicht größer geworden, sondern hatten sich in zwei kleinere Atome geteilt!

2. Die Kernspaltung Ein Neutron fliegt auf einen Urankern Der Atomkern wird durch das Neutron geteilt Es entstehen zwei neue, kleinere Atome Außerdem werden auch drei neue Neutronen frei

2. Die Kernspaltung

2. Die Kernspaltung Ein Neutron fliegt auf das Uranatom und dringt in den Kern ein Der Urankern beginnt sich etwa in der Mitte zu teilen Der Urankern hat sich in zwei Bruchstücke geteilt 89 36 Kr 235 92 U 236 92 U 144 56 Ba Aus dem Urankern sind zwei neue Elemente entstanden (Krypton und Barium). Außerdem sind bei der Teilung auch noch drei neue Neutronen frei geworden.

2. Leicht und schwer spaltbares Uran Bei genaueren Untersuchungen fanden die Wissenschaftler folgendes heraus: Nicht jedes Uranatom lässt sich gleich gut spalten! Erinnere dich: Uran kommt in der Natur in drei verschiedenen Isotopen vor: Uran 238 zu etwa 99,2 % Uran 235 zu etwa 0,72 % Uran 234 zu etwa 0,005 % Bei den Versuchen konnte folgendes festgestellt werden: Es lässt sich nur Uran 235 spalten, welches sehr selten in der Natur vorkommt! Uran 234 und Uran 238 sind nicht spaltbar.

2. Die Geschwindigkeit der Neutronen Es lässt sich also nur Uran 235 spalten. Aber es kommt noch auf etwas weiteres an: Es kommt auch auf die Geschwindigkeit der Neutronen an! Das Uran 235 lässt sich am leichtesten von „langsamen“ Neutronen spalten. Die Geschwindigkeit sollte etwa 2 km/s betragen. Ist das Neutron zu schnell, dann prallt es am Urankern einfach ab. Wie ein zu schneller Golfball, der einfach übers Loch drüber fliegt.

3. Beobachtungen bei der Spaltung Nur Uran 235 kann durch langsame Neutronen gespaltet werden. Bei jeder Spaltung wird ein Neutron benötigt. Es werden aber ca. 2-3 neue Neutronen frei. Diese können weitere Spaltungen verursachen. Bei jeder Spaltung wird mehr Energie frei, als zum Beschuss aufgewendet wird.

4. Kettenreaktion Wird ein Urankern gespalten, entstehen auch 2-3 neue Neutronen Diese können jetzt selber andere Urankerne spalten Dadurch kann eine Kettenreaktion ausgelöst werden Man unterscheidet zwei Arten von Kettenreaktion…

4. Unkontrollierte Kettenreaktion Jedes neu entstandene Neutron trifft wieder auf einen Urankern. Dadurch wächst die Zahl der Spaltungen extrem schnell an. In Bruchteilen von Sekunden wird eine riesige Energiemenge freigesetzt. Abb.1 Die unkontrollierte Kettenreaktion findet in einer Atombombe statt.

4. Kontrollierte Kettenreaktion Um die Kettenreaktion zu kontrollieren, werden Neutronen weggenommen. Für die Spaltung wird immer nur ein Neutron übrig gelassen. Die Anzahl der Spaltungen nimmt nicht zu, sondern bleibt immer gleich Abb.2 Die kontrollierte Kettenreaktion findet in einem Atomkraftwerk statt.

5. Kettenreaktion in der Natur… Uran kommt auf der Erde in verschiedenen Gebieten vor. Könnte es in der freien Natur zu Kernspaltungen und einer Kettenreaktion kommen? Das kann aus folgenden Gründen nicht passieren: Zum Start der Kernspaltung würde ein Anfangsneutron benötigt, das außerdem die richtige Geschwindigkeit besitzt. In der Natur kommt spaltbares Uran 235 nur in sehr geringen Mengen vor. Es gibt vor allem nicht spaltbares Uran 238. Die Wahrscheinlichkeit ist sehr gering, dass ein Neutron auf einen Uran 235 Kern treffen würde.

6. Wärme durch Kernspaltung In einer Atombombe entsteht durch die Kernspaltung eine extrem hohe Temperatur von 1 Million °C !! Entstehung der hohen Temperatur: Nachdem ein Urankern gespalten ist, fliegen die neu entstandenen Bruchstücke und die Neutronen mit sehr großer Geschwindigkeit auseinander. Wenn die umher fliegenden Kerne dann aufeinander treffen, reiben sie aneinander. Und durch die Reibung entsteht Wärme. Also: Schnelle Atomkerne prallen aufeinander  Reibung  Wärme

7. Die kritische Masse Wenn in einem Uranklotz eine Kernspaltung stattfindet und damit eine Kettenreaktion in Gang setzt, kann es sein, dass einige Neutronen den Uranklotz über dessen Oberfläche einfach verlassen, bevor sie eine erneute Spaltung verursachen: Wenn mehr Neutronen das Uran verlassen, als durch die Kettenreaktion bei der Spaltung entstehen, dann bricht die Kettenreaktion zusammen und hört auf, weil zu wenig Neutronen vorhanden sind. Es muss also verhindert werden, dass zu viele Neutronen das Uran verlassen.

7. Die kritische Masse Damit nicht zu viele Neutronen das Uran verlassen, muss der Uranklotz einfach groß genug sein: Dann ist es viel wahrscheinlicher, dass ein Neutron wieder den nächsten Urankern spaltet, bevor es den Klotz verlässt. Die Kettenreaktion kann stattfinden. Die Mindestmasse, ab der eine Kettenreaktion in Uran möglich ist, nennt man kritische Masse. Hat man weniger Uran, bricht die Kettenreaktion ab.

7. Die kritische Masse Bei Uran 235 beträgt die kritische Masse 50 kg. Ab dieser Menge kann also eine Kettenreaktion (z.B. in einer Atombombe) stattfinden. Eine Kugel mit 50 kg Uran hat einen Durchmesser von ca. 17 cm. Das entspricht etwa der Größe eines Handballs. Eine Atombombe mit dieser Menge Uran kann eine ganze Stadt dem Erdboden gleichmachen (Hiroshima).

8. Freigesetzte Energie Bei der Spaltung von 1 kg Uran, wird soviel Energie frei wie bei der Verbrennung von… 1 kg Uran 2 200 000 Liter Heizöl 2 600 000 kg Kohle 6 400 000 kg Holz

Noch einige Infos… Diese Länder sind im Besitz von Atomwaffen: USA (seit 1945): 10.656 Sprengsätze Russland (seit 1949): ca. 10.000 Sprengsätze China (seit 1964) 402 Sprengsätze Frankreich (seit 1964) 348 Sprengsätze Israel (seit 1967) über 200 Sprengsätze Großbritannien (seit 1953) 185 Sprengsätze Pakistan (seit 1998): 30 – 50 Sprengsätze Indien (seit 1998): 30 – 40 Sprengsätze Nordkorea (seit 2005) ca. 6-8 Sprengsätze

Noch einige Infos… Diese Länder betreiben Atomkraftwerke: