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Thema: Vor 70 Jahren: Entdeckung der Kernspaltung

  1. #1
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    Standard Vor 70 Jahren: Entdeckung der Kernspaltung

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    Eine der grossen und folgenreichsten Entdeckungen auf dem Gebiet der Kernphysik jährt sich in den nächsten Tagen zum 70. Male: die Entdeckung der Spaltung des Urankerns.

    Ich will versuchen, im Schnelldurchlauf wichtige Stationen auf dem Weg zu dieser Entdeckung zu rekapitulieren.

    Im Jahre 1932 entdeckte J. Chadwick das Neutron. Weil elektrisch ungeladen erwies es sich als ein sehr geeignetes Geschoss, um in den positiv geladenen Atomkern einzudringen. So ist es nicht verwunderlich, dass viele Physiker begannen, alle möglichen chemischen Elemente mit Neutronen zu beschiessen.

    Eine Gruppe von Physikern unter dem Italiener Enrico Fermi begann 1934 systematisch mit der Neutronenbestrahlung von chemischen Elementen. Sie entdeckten bei diesen Experimenten nicht nur als erste die durch Neutronenbeschuss in vielen Elementen entstehende künstliche Radioaktivität, insbesondere in Form von Beta- und Gammastrahlung. Die bei den Experimenten mit Uran (Z=92) gefundenen Betaaktivitäten schienen auch darauf hinzudeuten, dass im Ergebnis des Neutroneneinfangs und nachfolgendem Betazerfall sich das Uran in Transuran-Elemente umwandelte, insbesondere in ein Isotop des Elementes mit der Ordnungszahl Z=93.

    Die Chemikerin Ida Noddack (1896-1978) äusserte Ende 1934 im Anschluss an Fermis Versuche zur Uranbestrahlung mit Neutronen die Ansicht, dass - ausser der Entstehung von Transuranen - auch ein ganz anderer Prozess, nämlich ein Zerplatzen des Urankerns in zwei Bruchstücke mittlerer Kernladungszahl denkbar sei. Sie konnte ihre Ansicht aber weder durch experimentelle Hinweise noch theoretische Argumente stützen.

    1935 gab Carl-Friedrich von Weizsäcker (1912-2007) erstmals eine halbempirische Formel für die Abhängigkeit der Kernbindungsenergie von der Massen- und Kernladungszahl an. Hieraus war zu folgern, dass die Zersplitterung eines schweren Atomkerns in zwei annähernd gleich schwere Bruchstücke von einer enormen Energiefreisetzung begleitet sein sollte. Niemand hielt aber die Herbeiführung einer solchen Kernreaktion mit den damals für Geschossteilchen verfügbaren Energien für möglich.

    Die überraschende Entdeckung der Kernspaltung im Dezember 1938 war das unerwartete Resultat umfangreicher experimenteller Untersuchungen, die Otto Hahn (1879-1968) und die Österreicherin Lise Meitner (1878-1968) im Anschluss an Fermis Befunde bei der Uranbestrahlung mit Neutronen und seiner Vermutung aufnahmen, dass dabei ein oder mehrere Elemente mit Ordnungszahlen oberhalb 92, also Transurane, entstehen. Sie wollten die auftretenden Aktivitäten und Zerfallsprodukte näher analysieren und chemisch identifizieren. Im weiteren Verlauf bezogen sie Fritz Strassmann (1902-1980) als hervorragenden analytischen Chemiker in die Untersuchungen ein.

    Bis 1937 war nach dem Neutronenbeschuss von Uran eine Vielzahl von Betaaktivitäten gefunden worden, die entsprechend der Arbeitshypothese von O. Hahn, L. Meitner und F. Strassmann sämtlich als Transurane (Z>92) anzusehen waren. Man hielt fest an dem bisher bewährten Prinzip, dass Kernreaktionen nur zur Bildung von Isotopen des Ausgangselementes oder unmittelbar benachbarter Elemente führen.

    Die vermeintlichen Transurane ordnete man aufgrund der chemischen Analysen in das Periodensystem der Elemente ein und bezeichnete sie als Eka-Rhenium, Eka-Osmium, Eka-Iridium, Eka-Platin und Eka-Gold (Eka-X bedeutet sinngemäss "im Periodensystem unter dem Element X stehend").

    Um es vorwegzunehmen: Alle von 1934 bis zur Entdeckung der Kernspaltung im Dezember 1938 vermeintlich gefundenen Transurane erwiesen sich als Spaltprodukte des Urans.

    Die Untersuchungen, die auf die richtige Spur führten, begannen in Paris. Irene Joliot-Curie (1897-1956) und ihr Mitarbeiter P. Savitch fanden 1937 in ihren bestrahlten Uranproben eine aktive Substanz mit der Halbwertszeit von 3,5 Stunden, die nicht leicht zu identifizieren war. Im weiteren Verlauf ihrer Experimente beobachteten sie 1938 Ähnlichkeiten dieser Substanz mit Lanthan (Z=57, gehört zur Gruppe der Seltenen Erden). I. Joliot-Curie und P. Savitch vermochten es jedoch nicht, diese Substanz als Lanthan zu identifizieren und verfehlten damit um Haaresbreite die Entdeckung der Kernspaltung.

    O. Hahn stand den Ergebnissen der französischen Forschergruppe vorerst skeptisch und ungläubig gegenüber. Zusammen mit F. Strassmann wiederholte er die Experimente der Franzosen und entschloss sich angesichts der merkwürdigen Ergebnisse seiner eigenen Experimente zu einer Serie von neuen Versuchen. L. Meitner konnte an diesen Versuchen nicht mehr teilnehmen, da sie im Sommer 1938 als Jüdin aus Nazi-Deutschland fliehen musste.

    O. Hahn und F. Strassmann fanden bei ihren Versuchen ebenfalls eine 3,5-Stunden-Aktivität, von der sie zunächst annahmen, dass sie ein Gemisch von Radium (Z=88)- und Actinium (Z=89)-Isotopen sei. Sie versuchten, diese Substanz mit Barium (Z=56) als Trägersubstanz aus dem bestrahlten Uran abzutrennen, um dann das vermutete Radium vom Barium abtrennen zu können. Letzteres gelang jedoch nicht. Ein anschliessender Kontrollversuch mit dem Radium-Isotop Mesothorium I zeigte, dass das Mesothor wieder abgetrennt werden konnte, die 3,5-Stunden-Aktivität aber in der Barium-Trägersubstanz verblieb.

    Am 19. Dezember 1938 schrieb O. Hahn an L. Meitner in Stockholm:

    "Aber immer mehr kommen wir zu dem schrecklichen Schluss: Unsere Radium-Isotope verhalten sich nicht wie Radium, sondern wie Barium … Ich habe mit Strassmann verabredet, dass wir vorerst nur Dir dies sagen wollen. Vielleicht kannst Du irgendeine phantastische Erklärung vorschlagen. Wir wissen dabei selbst, dass es [das Uran] eigentlich nicht in Barium zerplatzen kann."

    Am 28. Dezember 1938 stellt O. Hahn brieflich schliesslich an L. Meitner die Frage:

    "Wäre es möglich, dass das Uran-239 zerplatzt in ein Barium und ein Masurium (heute: Technetium, Z=43)?"

    Am 22. Dezember 1938 reichten Hahn und Strassmann das Manuskript ihrer Arbeit unter dem Titel "Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle" an die Zeitschrift "Die Naturwissenschaften" ein. Die Veröffentlichung erfolgte am 6. Januar 1939. Zusammenfassend schrieben sie:

    "Wir kommen zu dem Schluss: Unsere 'Radiumisotope' haben die Eigenschaften des Bariums; als Chemiker müssten wir eigentlich sagen, bei den neuen Körpern handelt es sich nicht um Radium, sondern um Barium; …"

    Und weiter heisst es:

    "Als Chemiker müssten wir … statt Radium, Actinium, Thorium die Symbole Barium, Lanthan, Cer einsetzen. Als der Physik in gewisser Weise nahestehende 'Kernchemiker' können wir uns zu diesem, allen bisherigen Erfahrungen der Kernphysik widersprechenden, Sprung noch nicht entschliessen."

    L. Meitner, die als einzige aller Physiker vor der Publikation vom 6. Januar 1939 über die Ergebnisse unterrichtet war, schrieb am 1. Januar 1939 an O. Hahn:

    "Wir [L. Meitner und ihr Neffe O. R. Frisch] haben Eure Arbeit sehr genau gelesen und überlegt, vielleicht ist es energetisch doch möglich, dass ein so schwerer Kern zerplatzt."

    Meitner und Frisch gingen bei ihren Überlegungen zur theoretischen Erklärung des Spaltungsphänomens vom Tröpfchenmodell des Atomkerns aus, dessen Grundlagen schon 1930 von G. Gamow entwickelt worden waren. Wie bereits C. F. von Weizsäcker erkannt hatte, ist der Spaltungsprozess energetisch möglich, weil der Urankern schwächer gebunden ist als die beiden Spaltbruchstücke. Die Differenz zwischen der Kernbindungsenergie der beiden Spaltfragmente und der des Urankerns wird in Form der kinetischen Energie der Spaltbruchstücke frei. Auf der Grundlage ihrer Vorstellungen schätzten Meitner und Frisch die pro Spaltakt frei werdende Energie zu rund 200 MeV. Das entsprach etwa dem Neunfachen der grössten bis dahin bekannten Energiefreisetzung einer Kernreaktion.

    Kurz nach der Entdeckung der Kernspaltung meinte Niels Bohr:

    "Wir waren Dummköpfe. Wie konnten wir dies so lange nicht bemerken!"

    Tja, hätten die Herren Theoretiker mal auf eine Frau (Ida Noddack) gehört ...

    Gruss
    hardy

  2. #2
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    Standard

    hardy
    Besten Dank für Deinen historischen Überblick. Ich habe bisher nur einen Teil der Geschichte gekannt, in dem lediglich die Akteure Hahn, Meitner und Frisch vorkamen.

    Herzliche Grüsse
    Orbit

  3. #3
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    Standard

    Hallo hardy,

    hab' gerade Deinen Beitrag gelesen.

    Vielen herzlichen Dank dafür!

    MAC

  4. #4
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    Danke für eure Antworten, Orbit und mac.

    Wissenschaftsgeschichte ist eines meiner Steckenpferde.
    Allerdings muss ich auch zugeben, dass ich zum Thema Kerntechnik eine besondere Beziehung habe.

    Ich hoffe gezeigt zu haben, dass die Entdeckung der Kernspaltung ab 1934 sozusagen in der Luft lag. Mehrere Forschergruppen waren nahe dran.

    Die Kernspaltung wurde zuerst auf radiochemischem Wege nachgewiesen. Es soll aber nicht unerwähnt bleiben, dass auch von physikalischer Seite unverkennbare Hinweise vorlagen, die unabhängig von den Ergebnissen Hahns und Strassmanns aufgefunden worden waren.

    Der amerikanische Physiker Philip H. Abelson (1913-2004) wollte Transurane in bestrahlten Uranproben durch ihre charakteristische Röntgenstrahlung nachweisen. Das gemessene Röntgenspektrum entlarvte jedoch das vermutete Transuran als ein Jodisotop! Ähnliche Ergebnisse fanden N. Feather und E. Bretscher. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Ergebnisse lagen aber die Resultate von Hahn und Strassmann schon vor, war die Kernspaltung schon entdeckt. Die Priorität der Entdeckung gehörte Hahn und Strassmann.

    Otto Hahn erhielt alleine den Nobelpreis für Chemie des Jahres 1944 für die Entdeckung der Kernspaltung. Lise Meitner und Fritz Strassmann wurden nicht berücksichtigt. Zur Rolle von L. Meitner äusserte F. Strassmann:

    "Lise Meitner war die geistig Führende in unserem Team gewesen, und darum gehörte sie zu uns – auch wenn sie bei der 'Entdeckung der Kernspaltung' nicht [direkt] gegenwärtig war"

    Lise Meitner schrieb am 20. November 1945:

    "Hahn hat sicher den Nobelpreis für Chemie voll verdient, da ist wirklich kein Zweifel. Aber ich glaube, dass Frisch und ich etwas nicht Unwesentliches zur Aufklärung des Uranspaltungsprozesses beigetragen haben – wie er zustande kommt und dass er mit einer so großen Energieentwicklung verbunden ist, lag Hahn ganz fern."

    Heutzutage hätte man wohl allen drei Forschern den Nobelpreis zuerkannt.

    Gruss
    Hartmut
    Geändert von hardy (19.12.2008 um 17:40 Uhr) Grund: Ergänzung

  5. #5
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    Standard

    Hallo hardy,

    auch von mir danke für diesen wirklich interessanten Überblick.

    Ich möchte aber auch an folgende Daten erinnern:

    06. und 09.August1945: Über Hiroshima und Nagasaki werden 2 Atombomben gezündet.
    26. April 1986: Im Kernkraftwerk Tschernobyl kommt es zu einer Kernschmelze.

    Ich glaube, das gehört bei der Geschichte dazu.

    Grüße
    SK

  6. #6
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    Standard

    Hallo SK,

    Zitat Zitat von Schmidts Katze Beitrag anzeigen
    Ich glaube, das gehört bei der Geschichte dazu.
    ich bin sicher, dass die Forschung der genannten Personen nicht zielgerichtet auf Hiroshima, Nagasaki und Tschernobyl war.

    Nathan

  7. #7
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    Zitat Zitat von Nathan5111 Beitrag anzeigen
    Hallo SK,

    ich bin sicher, dass die Forschung der genannten Personen nicht zielgerichtet auf Hiroshima, Nagasaki und Tschernobyl war.

    Nathan
    Ich auch, Nathan.
    Aber es gehört zu der Geschichte.

    Grüße
    SK

  8. #8
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    Zitat Zitat von Schmidts Katze Beitrag anzeigen
    Aber es gehört zu der Geschichte.
    Zur Geschichte der "Entdeckung der Kernspaltung"?

  9. #9
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    Zitat Zitat von fork Beitrag anzeigen
    Zur Geschichte der "Entdeckung der Kernspaltung"?
    Ja, natürlich.
    Oder sitzen wir im Elfenbeinturm, forschen vor uns hin, und kümmern uns nicht darum, was Techniker und Ingenieure aus unseren Erkenntnissen machen?

    Wissenschaft erweitert die Möglichkeiten der Menschen im guten wie im schlechten.
    Hat die Fähigkeit, Atomkerne zu spalten, uns weitergebracht oder eher geschadet?

    Grüße
    SK

  10. #10
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    Zitat Zitat von Schmidts Katze Beitrag anzeigen
    Hat die Fähigkeit, Atomkerne zu spalten, uns weitergebracht oder eher geschadet?
    Hallo SK,

    sie hat unsere Möglichkeiten im guten (Kernkraftwerke) wie im schlechten (Kernwaffen) erweitert.

    Gruss
    hardy

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