Die Entdeckung der Kernspaltung Gliederung:

- Historischer Abriss - Das Experiment von Hahn und Strassmann in Berlin- Dahlem - Folgen des Experiments in der Wissenschaft - Folgen für die Welt - Zusammenfassung der Kernspaltung - Biographischer Abriss von O. Hahn, F. Strassmann und L. Meitner - Quellenangabe

Historischer Abriss

- 1896 Henri Becquerel: Radioaktive Strahlung an Uranpechblende beobachtet - 1909 Ernest Rutherford & Royds: α -Strahlung als Heliumkerne erkannt - 1911 Ernest Rutherford: Streuung von α - & β -Teilchen an Materie

Rutherfordsches Atommodell - 1912 Charles Thomson Rees Wilson: Bau einer Nebelkammer - 1913 Niels Bohr: Bohrsches Atommodell - 1913 Hans Geiger: Entwickelt Geigerzähler für β -Teilchen (1908 Proportionalzähler

für α -Teilchen) - 1915 Albert Einstein: allgemeine Relativitätstheorie - 1919 Francis William Aston: Massenspektroskopie, Begriff des Isotops - 1928 Georg Gamow: Quantentheorie des Atomkerns, Theorie des γ -Zerfalls, Deutung

des Tunneleffekts - 1932 D. Iwanenko: Theorie zum Bau des Atomkerns - 1932 Harold Clayton Urey: Entdeckung des schweren Wasserstoffs - 1932 James Chadwick: Nachweis der Existenz des Neutrons - 1932 John Douglas Cockroft & Ernest Walton: Kernzertrümmerung durch Beschuss

mit hochenergetischen Ionen - 1933 Carl David Anderson: Entdeckung des Positrons - 1934 Enrico Fermi und Wolfgang Pauli: Theorie des β -Zerfalls - 1934 Irène Curie & und Frèdèric Joliot: Künstliche Radioaktivität - 1934 Enrico Fermi: Theorie der Erzeugung von Transurane - 1935 Hideki Yukawa: Theorie der Kernkräfte durch Austausch von Mesonen - 1939 Otto Hahn & Fritz Strassmann: Chemischer Nachweiß der Kernspaltung

Das Experiment von Hahn und Strassmann in Berlin- Dahlem Ziel:

- Erzeugung der Transurane durch Neutronenbeschuss und β − -Zerfall

- 1934 Fermi äußerte vorsichtig das er Transurane erzeugt habe - 1938 Joliot-Curie erhielten durch fraktionierte Kristallisation das Element Ra

Nachweis:

- radiochemisch (Fällung der bestrahlten Substanz und Aufnahme der Kennlinie)

Das Experiment von Otto Hahn und Fritz Strassmann:

236 232 228235 * 2U n U Th Raα α+ → → + → + - man fand drei isomere Radiumisotope

- Reaktion wahrscheinlicher mit langsamen Neutronen - Gemisch mit Bariumsulfat gefällt

o fällt aber Uran, Actinium und Thorium mit (Aktivitätsverlauf nicht genau bestimmbar)

o lösen in starker Salzsäure und fällen mit sehr schwer löslichen Bariumchlorid - Energetisch schwer verständlich daher genaue Untersuchung

o Gruppenfällung nach Erdalkalien (mit Ba), Erden (La), IV (Zr) und nach Transuranen

- Bariumfällung als erstes an der Reihe (Trennung der Aktivitäten) 1. bestrahltes Uran in Schwefelwasserstoff lösen um Transurane und Platinsulfat

abzuscheiden - in Königswasser lösen - Bariumchlorid + Salzsäure gefällt daraus mit Schwefelwasserstoff Platin gefällt

o Bariumchlorid war inaktiv, Aktivität von Platinsulfid 500 counts/min entsprach langlebigen Transuranen

2. Fällung von Bariumchlorid aus 10g bestrahlten Uranyltrat - im Gleichgewicht Thor- & Proactiniumisotope war ~400 000 counts/min - Fällung aber nur ~14 counts/min inaktiv - keins davon viel mit BaCl2 aus

3. Actiniumpräparat ~2500 counts/min bei BaCl2-Fällung aber nur ~3 counts/min inaktiv 4. Analoge Untersuchung aus bestrahlten Uranproben mit stark aktiven

Bariumchloridniederschlag 5. Sulfidniederschläge aus neutraler, schwach essigsaurer oder schwach mineralsaurer

Lösung des aktiven Ba inaktiv! - aber Lanthan- und Zirkanfällung aktiv (aus Bariumfällung)

einfache Fällung aus BaCl2 aus stark salzsaurer Lösung ermöglicht keine Unterscheidung zwischen Ba + Ra (beide Elemente II. HG) daher Ra aktiv

Fig. 1

- Aktivitätsverlauf der mit BaCl2 gefällten Probe nach viertägiger Bestrahlung von U

- a: nach ersten 70 Stunden - b: 800 Stunden

mehrer Substanzen Ra-Isotope oder Folgeprodukte

Fig. 2

- a: 215 min: Ra II, Ra III und AcII (Th=2,5h) - b: Ra II (theo) (Th=14 min) (Ac-Zunahme durch Ra II Zerfall) - c=a-b: Ra II + Ra III relativ rein - d: Ra III (Th=86 min) - c-d=e: reines Ra II (Th= (14+-2)min) Zur Bestimmung von Ra III wurde U bestrahlt und 2,5 h später mit BaCl2 aufgelöst und erneut gefällt (Ba II zerfallen und Ac herausgelöst)

Fig. 3

- a: neuer Aktivitätsverlauf - b: Aktivitätsverlauf mit Actiniumisotop (Fehler aus a) - a-b=c: reines Ra III - weiterer Verlauf von b weißt auf Ra IV hin und wurde bestimmt: - Tage lang stehen gelassen und dann um gefällt) Ra IV Th=12,5d=300h

Fig. 4 - unverstärktes bestrahltes Uranpräparat - Verstärkungsfaktor a+b ist 7 (Ergebnis aus anderen Messung) - Ra IV Ac IV Thorisotop langlebig (250 -300 h) - weiteres Ra I da Ac mit Th=40 min - da Ac mit Th=40 min entdeckt muss Ra I existieren mit Th<1 min, sonst wäre es

nachweisbar gewesen (Ac nach weniger als 5 min nachweisbar gewesen) Zusammenfassung des gefundenen:

1min 30min

(14 2)min ~2,5

(86 6)min

250...300 40

h

Tage

h h

RaI AcI Th

RaII AcII Th

RaIII AcIII Th

RaIV AcIV Th

β β

β β

β β

β β

< <

±

±

<

→ →

→ →

→ →

→ →

aber Transurane standen damit in keinerlei Zusammenhang

- einige Th wurden nachgewiesen, aber dennoch seltsame Ergebnisse, da diese Ra-Isotope unbekannt

- zur Bestätigung An/und Abreicherung von Ra vorgenommen (sollte Aktivität verändern)

o BaBr2 reichert stark, Bariumchromat stärker und BaCl2 wenig an o Bariumcarbonat reichert etwas ab

- aber Aktivität blieb unverändert! - Fraktionierungsversuche mit ThX + MsTh1 bestätigten Erwartungen - Ra IV mit Ra-freien MsTh1 angewandt mit BaBr2 als Trägersubstanz fraktioniert und

mit MsTh1 angereichert Aktivität blieb unverändert lässt nur einen Schluss zu : Ra ist nicht Ra sondern Ba

- Indikatorversuch mit AcII + MsTh3 um Lanthan nachzuweisen - nach Mme Curie Fraktionierung von Lanthanoxalat aus salpetersauren Lösung MsTh3

stark angereichert, aber AcII nicht! - „Transurane“: Rhenium, Osmium, Iridium, Platin chemisch verwandt, aber nicht

gleich - es wurde auf Masurium, Rhenium, Rhodium, Palladium geprüft

Ba+Ma: 138 + 101 = 239 - Ra, Ac, Th Ba, La, Cs

War aber so neu, dass sie sich nicht trauten dies zu veröffentlichen (es könnten Messfehler und Zufälle das Ergebnis verfälscht haben) Th + schnelle Neutronen vergleichen mit Radiumisotopen, aber dazu fehlte eine starke genug Quelle. Zitat Hahn: " . . . nun müssen wir aber noch auf einige neuere Untersuchungen zu sprechen kommen, die wir der seltsamen Ergebnisse wegen nur zögernd veröffentlichen . . . 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 . . . als der Physik in gewisser Weise nahe stehenden >Kernchemiker< können wir uns zu diesem allen bisherigen Erfahrungen der Kernphysik widersprechenden Sprung noch nicht entschließen. Es könnten doch noch vielleicht eine Reihe seltsamer Zufälle unsere Ergebnisse vorgetäuscht haben." Folgen des Experiments in der Wissenschaft

- wissenschaftliche Revolution - zunächst Briefwechsel mit Lise Meitner um Erklärung zu finden - Lise Meitner in Schweden im Exil traf sich mit ihrem Neffen Otto Frisch (arbeitet mit

Niels Bohr zusammen) - durch Überlegungen was im Kern passiert (ein Neutron reißt nicht 100 weitere

Stücken mit) die Idee - Erklärung durch Tropfenmodell - Frisch und Meitner wollen per Telegraphen ihre Theorie schreiben - Frisch fängt Bohr vor seiner Reise nach New York ab und berichtet - Zitat Bohr:

„Oh, what idiots we have been that we haven't seen that before. Of course this is exactly as it must be." And he added, "This is very beautiful,"

- Bohr berichtet Fermi in New York - Frisch erhält im Experiment die berechnete Energie der Fragmente - Anderson erhält bei Messung dieses Resultat ebenfalls - theoretical physics conference in Washington Bohr präsentiert Bericht der Zeitschrift

“Nature” - Frederic Joliot bestätigt Ergebnisse in Paris - Nachweiß der Sekundärneutronen (Kettenreaktion möglich?) - Fermi baut mit Wissenschaftler ersten (künstlichen) Kernreaktor der die Reaktion

selbst erhält - Man erkennt sofort das Potenzial aber auch die Gefahren!

Folgen für die Welt

- mit 200 MeV/Zerfall gigantische Energiequelle - weitere Forschung möglich

o viele Neutronen zur Erzeugung von Isotopen und neuen Elementen Fortschritte in Medizin, Forschung und Technik

(künstliche Neutronenquellen, Teilchenbeschleuniger, Bestrahlungsmethoden) - Energiequelle der Zukunft (auch für Raumfahrt!)

Kernkraftwerk Gundremmingen - neue Siedewasserreaktor seit 1984 in Betrieb - Beide Blöcke mit Nettoleistung ~ 1 300 MW

Kernkraftwerke (Europa)

- Anzahl (geplante Kraftwerke) werden - im Jahr 2000 im Schnitt 217 Kernkraftwerke in Europa in Betrieb - weltweit über 430

ABER: militärische Nutzung der Kernenergie: - Atombomben: - erste Atombombe am 16. Juli 1945 auf dem Versuchsgelände bei Alamogordo (New

Mexico) gezündet - Eine Kugel in der Größe eines Tennisballes erzeugte eine Explosion, die der

Sprengkraft von 20 000 Tonnen TNT entspricht!

- 6. August 1945 erste Atombombe über Hiroshima gezündet o 10 km2 Stadtfläche zerstört o 100 000 starben

- bis heute riesige Arsenale von Atombomben vorhanden - aktuelle Krisen: Iran und Nordkorea - militärische Nutzung der Kernenergie auch als Antrieb bei U-Boot und

Flugzeugträgern (z.B. USS Enterprise)

Zusammenfassung der Kernspaltung

- Freigesetzte Energie berechenbar über: o Einsteinsformel o Formel des Tropfenmodells

- beide ergeben EB=180 MeV - es ergibt sich eine Verteilung für die Spaltfragmente:

Biographie Otto Hahn

- 8. März 1879 in Frankfurt/Main geboren - Abschluss der Schule 1897 - An der Universität Marburg Chemie studiert - 1901 promovierte in Marburg, Themenbereich der organischen Chemie - Militärdienstes und einige Zeit Assistent an der Universität Marburg - Ziel: die Industrie --> 1904 an die Universität London bei Sir William Ramsay

(Radiochemie) - 1905 arbeiten mit Radiumsalzen Radiothorium (Thorium 228) entdeckte - Herbst 1905 McGill University in Montreal, bei Sir Ernest Rutherford - 1906 Deutschland Mitarbeiter bei Emil Fischer an der Universität Berlin - Juni 1907 habilitiert - 1910 zum Professor ernannt - 1912 übernahm er eine Abteilung im Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin-

Dahlem (von 1928 bis 1945 dessen Direktor) - Während des 1. Weltkrieges zum Militär eingezogen (von Fritz Haber geleitete

Spezialeinheit für chemische Kriegsführung) - 1918 mit Lise Meitner Protactinium entdeckt - 1938 Spuren des Elements Barium - 1939 bekannt gegeben - 1944 Nobelpreis für Chemie - Von 1948 bis 1960 Präsident der Max-Planck-Gesellschaft - Nach 2. Weltkrieg gegen den Missbrauch der Kernenergie aufgetreten(Mitinitiatoren

der Mainauer Erklärung [mehrere Nobelpreisträger von 1955 machten auf die Gefahren der Atomenergie aufmerksam], und des Göttinger Manifests [1957 18 westdeutsche Atomwissenschaftler gegen die atomare Aufrüstung wandten])

- 28. Juli 1968 in Göttingen verstorben

Biographie Fritz Strassmann

- am 22. Februar 1902 in Boppard (nahe Koblenz) geboren - studierte Chemie in Hannover - ab 1935 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Kaiser-Wilhelm-Institut (KWI) in Berlin-

Dahlem - übernahm 1946 eine ordentliche Professur für Anorganische und Kernchemie an der

Universität Mainz - Gebiete seiner wissenschaftlichen Laufbahn:

o künstlichen Radionukliden o die Darstellung künstlicher radioaktiver Isotope von Uran und Thorium o die Spaltprodukte des Urans o Methoden zur geologischen Altersbestimmung.

- 1966 den Enrico-Fermi-Preis - am 22. April 1980 in Mainz verstorben

Biographie Lise Meitner

- am 7. November 1878 in Wien geboren - studierte seit 1901 an der Universitäten von Wien (eine der ersten Studentinnen, die in

Österreich zugelassen wurden) - 1918 mit Otto Hahn das Element Protactinium entdeckt - Seit 1918 Leiterin der radiophysikalischen Abteilung des Kaiser-Wilhelm-Instituts für

Chemie - seit 1922 Professorin für Physik an der Universität von Berlin (bis 1926) - 1938 Deutschland wegen jüdischer Abstammung verlassen - Atomforschung an der Universität von Stockholm - 1939 Veröffentlichung ersten Artikel zur Kernspaltung - Forschungsarbeiten:

o Atomtheorie o Radioaktivität o sagte Vorhandensein der „Kettenreaktion” voraus

- 1946 war sie Gastprofessorin an der Catholic University in Washington D.C. - 1959 Vorträge am Bryn Mawr College zu halten - am 27. Oktober 1968 in Cambridge (England) verstorben - 1994 109. Element ihr zu Ehren Meitnerium genannt.

Quellen:

Hahn, Strassmann aus „die Naturwissenschaften“ Heft 1 am 6.1.1939 „über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstandenen Erdalkalimetalle“

http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/geschichte/11spaltung/versuch.htm http://www.aip.org/history/mod/fission/ (digitale Ausgaben von „Die Naturwissenschaften) http://www.kerncheie.uni-mainz.de http://nobelprize.org http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/

Microsoft Encarta Enzyklopedie 2005

„Abitur Wissen“ ©Fischer Taschenbuch Verlag GmbH, Frankfurt/Main 1983

Povh, Rith, Scholz & Zetsche „Teilchen und Kerne“

Halliday, Resnick, Walker „Physik“