Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1 - Atome
1.1 Atome
1.2 Quarks
1.3 Isotope

Kapitel 2 - Radioaktivität
2.1 Strahlungsarten
2.2 Der radioaktive Zerfall am Beispiel des Urans
2.3 Ionen

Kapitel 3 - Kernspaltung
3.1 Entdeckung
3.2 Die Kernspaltung am Beispiel des Uran
3.3 Kettenreaktion
3.4 Anreicherung

Kapitel 4 - Kernfusion
4.1 Kernfusion

Kapitel 5 - Kernwaffen
5.1 Atombombe
5.2 Wasserstoffbombe
5.3 Cobaltbombe
5.3 Neutronenbombe

Anlagen
Abb. 1 - Das Atommodell
Abb. 2 - Uran ( U-238 )
Abb. 3 - Strahlung
Abb. 4 - Abschirmung
Abb. 5 - Zerfall von Uran
Abb. 6 - Halbwertszeit
Abb. 7 - Kernspaltung
Abb. 8 - Kettenreaktion
Abb. 9 - Kernfusion
Abb. 10 - Schema einer A-bombe
Abb. 11 - Zerstörungskraft eine A-Bombe

Quellen


Kapitel 1 - Atome


1.1 Atome Abb. 1

aus dem gr. von atomos - unteilbar; unteilbarer Urstoff.

Der Philosoph Demokrit nahm schon vor 2000 Jahren an, daß alle
Materie aus kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen bestehe.

1803 wurde diese Atomtheorie vom Engländer John Dalton erweitert.
Er entdeckte, daß es Stoffe gibt, die nur aus einer Atomsorte
bestehen. Man nennt sie chem. Elemente ( z.B. Gold, Sauerstoff und
Eisen ). Die Atome haben unterschiedliche Massen.

Heute findet man häufig folgende Definition des Atombegriffs:

" Ein Atom ist der kleinste Baustein eines chem. Grundstoffes oder
Elements, der ohne Verlust der typischen Eigenschaften dieses Elements
nicht mehr geteilt werden kann. "

Um ein Beispiel zu nennen wie groß Atome sind:

a) Alle 5 Milliarden Menschen die z.Zt. auf der Erde leben,
würden, wenn ein Mensch so groß wie ein Atom wäre, eine etwa 50
cm lange Kette bilden.

oder

b) Wenn der Atomkern die Größe einer Kirsche hätte, dann wäre ein
ganzes Atom so groß wie der Kölner Dom.

1913 entwickelte der dänische Physiker Nils Bohr ein neues
Atommodell, das auch heute noch der Wirklichkeit sehr nahe kommt.
Danach ist ein Atom ähnlich aufgebaut wie ein Sonnensystem, d.h.
um den massereichen Atomkern kreisen in großem Abstand die
Elektronen.

Das heutige Atombild:

Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Dabei ist
der Kern positv und die Hülle negativ geladen. Dabei trägt der
Atomkern fast die gesamte Masse des Atoms. Er ist aufgebaut aus
Protonen und Neutronen, die jeweils fast 2000 mal schwerer sind
als die Elektronen, aus der die Atomhülle besteht.

Das Proton hat die positive elektrische Ladung, die den gleichen
Wert besitzt wie die negative des Elektrons. Das Neutron jedoch
ist elektrisch neutral.

Den Wert der elektrischen Ladung des Protons oder Elektrons nennt
man Elementarladung.

Protonen und Neutronen werden oft zusammenfassend als Nukleonen
bezeichnet und bestehen ihrerseits aus noch kleineren Teilchen,
den Quarks.


1.2 Quarks

Lange Zeit glaubte man, daß die Nukleonen "Elementarteilchen",
ähnlich wie das Elektronen nicht mehr teilbar seien und auch keine
innere Struktur hätten. Sie sind jedoch aus noch kleineren
Teilchen, den sogenannten "Quarks" aufgebaut. Sie kommen in der
Natur nie als freie unabhängige Teilchen vor.

Heute kennt man sechs verschiedene Quarks.
Die zwei, für die normale, stabile Materie wichtigen sind:

das u-Quark ( von eng. "up" ) und das d-Quark ( von eng. "down").

Drei Quarks bilden jeweils ein Nukleon.

Die jeweiligen elektrischen Ladungen:

u-Quark = + 2/3
d-Quark = - 1/3
Elektron = - 1


Aufbau der Nukleonen:

Protonen = 2 u-Quarks + 1 d-Quark ( 2/3 + 2/3 - 1/3 = +1 )

Neutronen = 2 d-Quarks + 1 u-Quark ( - 1/3 - 1/3 + 2/3 = 0 )


Die Menschen, die Erde, das ganze Milchstraßensystem sind
praktisch aus
drei Grundbausteinen aufgebaut:

u-Quarks, d-Quarks und Elektronen.








Beispiel:

Ein 30-kg schweres Kind besteht aus:

2.8 * 10^28 u-Quarks, 2,6 * 10^28 d-Quarks und 10^28 Elektronen,
wobei 10^28 eine 1 mit 28 Nullen ist.

Die Quarks bilden Nukleonen, diese schließen sich zu Atomkernen
zusammen.

Kerne und Elektronen vereinigen sich zu Atomen, diese fügen sich
zu kleinen oder riesigen Molekülen wie Wasser oder Eiweiß
zusammen. Milliarden von Molekülen bilden unsere Körperzellen, von
denen ein Mensch viele Billionen besitzt.


1.3 Isotope Abb. 2

Die Atome eines Elements haben alle die gleiche Anzahl von
Protonen und Elektronen, können sich trotzdem aber voneinander
unterscheiden. Sie haben dann im Kern unterschiedliche
Neutronenzahlen. Allgemein bezeichnet man Atome mit gleicher
Protonenzahl aber unterschiedlicher Neutronenzahl als Isotope
eines bestimmten Elements.
Uran kommt in der Natur z.B. mit 234, 235 und 238 Nukleonen vor.
Urankerne besitzen alle 92 Protonen. Die 3 Uranisotope haben daher
142 ( 234 - 92 ), 143 und 146 Neutronen in ihren Atomkernen. Man
bezeichnet sie als U-234, U-235 und U-238.

Die Gesamtzahl der Nukleonen eines Isotops wird als Massenzahl,
die Zahl der Protonen als Ordnungszahl oder Kernladungszahl
bezeichnet. U-235 hat also die Massenzahl 235 und die Ordnungszahl
92.

Gleichnamige Ladungen stoßen sich bekanntlich ab, ungleiche ziehen
sich an. So halten die positiven Atomkerne die negativen
Elektronen fest und zwingen sie auf ihre Kreisbahnen. Da die
meisten Atomkerne aus mehreren Protonen
bestehen, müßten sie daher eigentlich zerplatzen.

Wie ist es z.B. möglich, daß beim Kohlenstoffkern 6 positive
Protonen auf engstem Raum zusammenbleiben? Das liegt daran, daß
zwischen den Nukleonen eine noch viel größere Kraft, die sog.
Kernkraft wirkt, allerdings nur, wenn die Nukleonen einen sehr
kleinen Abstand voneinander haben.



Kapitel 2 - Radioaktivität


2.1 Strahlungsarten Abb. 3

Nicht alle chem. Elemente sind stabil. Alle Elemente mit einer
höheren Ordnungszahl als 80 und einige Isotope zerfallen, wobei
die Atomkerne einen Teil ihrer Masse in Form von Strahlung
abgeben. Man unterscheidet 3 Arten von Strahlung:

1. Alpha - Strahlung

Sie besteht aus Heliumkernen, die aus 2 Neutronen und 2 Protonen
bestehen. Daher ist die Strahlung positiv.

2. Beta - Strahlung

Sie besteht aus Elektronen und ist daher negativ. Diese Elektronen
entstehten dadurch, daß sich Neutronen umwandeln.

3. Gamma - Strahlung

Sie besteht aus energiereichen masselosen Strahlungsteilchen bzw.
Quanten ( Energiepakete ), wie z.B. auch beim Licht.


Entdeckt wurde die Radioaktivität 1896 vom franz. Physiker Henri
Becquerel und wurde vom Ehepaar Pierre und Marie Curie genauer
untersucht.
B. wollte herausfinden, ob bestimmte Steine, die vorher mit Licht
bestrahlt wurden, beim Nachleuchten außer sichtbarem Licht auch
unsichtbare Röntgenstrahlen aussenden. Dieses sind extremkurzwellige
und energiereiche elektromagnetische Strahlen, welche
elektrische und magnetische Energie mittels einer Welle
transportieren. Die Röntgenstrahlen durchdringen viele Stoffe
(z.B. Haut, Muskeln, Papier, usw. ) und belichten Photoplatten.
Dabei arbeitete Becquerel mit uranhaltigem Gestein. Dieses legte
er in einer Dunkelkammer auf eine unbelichtete Photoplatte, ohne
daß er wußte, daß das Gestein Strahlen aussendete. Nach der
Entwicklung der Photoplatte stellte er fest, daß sie durch
unbekannte Strahlung belichtet worden war. So wurde zufällig die
radioaktive Strahlung entdeckt.

Radioaktive Strahlung kann man heute mit dem Geigerzähler
nachweisen.

Zur Abschirmung dieser Strahlen nimmt man Stoffe, wie BleiAbb. 4
oder Beton.




2.2 Der radioaktive Zerfall am Beispiel des Urans Abb
. 5

Uran wandelt sich in mehreren Schritten in Blei um. Dabei werden
Uranatomkerne mit je 238 Kernbausteinen ( 92 P , 146 N )
schließlich zu Bleiatomkernen mit nur noch 206 Kernbausteinen ( 82
P, 124 N ) umgewandelt.
In diesem Umwandlungsprozess zerfällt das Uran in Thorium,
Protactinium und Polonium und noch 10 andere Elemente. Ein Teil
der radioaktiven Strahlung besteht aus Kernbausteinen. Daher ist
die radioaktive Strahlung mit
Elementumwandlungen verbunden. Beim Zerfall eines radioaktiven
Elements entsteht ein neues Element.

Die Anzahl der Kernzerfälle pro Sekunde heißt Aktivität des
Körpers, gemessen in der Einheit ein Becquerel ( 1 Bq ). Eine
Aktivität beträgt dann 1 Bq, wenn ein Kernzerfall pro Sekunde
stattfindet.
Abb. 6
Der Zeitraum, in dem ein Element zur Hälfte seiner Masse zerfallen
ist, nennt man Halbwertszeit. Bei einem Stück Uran-238 dauert die
Halbwertszeit etwa 4,5 Milliarden Jahre, bei Polonium 138 Tage und
bei Frankium 21 Minuten.


2.3 Ionen

Wenn radioaktive Strahlung z.B. auf ein Atom trifft, das nach
außen hin elektrisch neutral ist, so kann ein Elektron aus dem
Atom herausgelöst werden. Das Atom ist dann positiv geladen. Diese
Restatome, die unterschiedlich viele positive und negative
Ladungen besitzen, nennt man Ionen. Durch radioaktive Strahlung
können also neutrale Atome zu Ionen umgewandelt werden ( ionisiert
werden ).



Kapitel 3 - Kernspaltung


3.1 Entdeckung

Im Jahr 1938 beschossen die beiden deutschen Wissenschaftler Otto
Hahn und Fritz Straßmann Uranatomkerne mit Neutronen. Sie stellten
bei diesem Versuch fest, daß einige dieser Urankerne in zwei etwa
gleich große Stücke gespalten wurden. Die Neutronen können also
größere Atomkerne spalten. Protonen und Elektronen sind dafür
ungeeignet, da Protonen von den Protonen des Atomkerns abgestoßen
oder abgelenkt werden und Elektronen zu wenig Masse haben. Langsam
fliegende Neutronen dringen in der Regel viel häufiger in
Atomkerne ein als schnelle. Dabei bedeutet langsam immer noch
7920 Km/h. Das liegt daran, daß sich langsame Neutronen länger in
Kernnähe aufhalten und mehr Zeit haben, mit ihm zu reagieren.
Neutronen können nicht nur Atomkerne spalten, sondern auch
umwandeln, indem sie in den Kern eingebaut werden.


3.2 Die Kernspaltung am Beispiel des Urans Abb. 7

Das natürliche Uran besteht aus U-234, U-235 und U-238. Von 1000
Uranatomen haben 993 U-238-Kerne und 7 U-235-Kerne. Der U-234-
Anteil ist dabei unwichtig.

Langsame Neutronen spalten nur die U-235-Kerne. Dabei ensteht
zunächst ein Zwischenkern U-236, der jedoch instabil ist und in
mehrere Bruchstücke zerplatzt, z.B. in einen Barium-144-Kern,
einen Krypton-90-Kern und zwei neue Neutronen. Nach genauerer
Untersuchung stellte man fest, daß diese entstandenen Bruchstücke
weniger Masse haben, als der beschossene Kern und das Geschoß.

Es ist also Masse verlorengegangen, die in einen gewaltigen
Energiebetrag, die Kernenergie, umgewandelt wird.



Dies geschieht nach Einsteins Formel: E = m * cý




Was ist also geschehen ?

Wie schon gesagt, wird ein Atomkern von sog. Kernkräften
zusammengehalten, die verhindern, daß die positive Protonen im
Kern sich abstoßen. Sie wirken allerdings nur, wenn sich die
Kernbausteine ganz nahe beieinander befinden.

Im Atomkern ist auch die Kernenergie gespeichert. Wenn nun nach
Eindringen des Neutrons der Kern in zwei Teile zerbricht, wirken
nur noch die abstoßenden Kräfte zwischen den beiden
Kernbruchstücken. Sie entfernen sich deshalb mit
hoher Geschwindigkeit voneinander. Daraus folgert man, daß die
Kernenergie in Bewegungsenergie der Bruchstücke umgewandelt wird.
Die Kernbruchstücke, stoßen an Nachbaratome, die in starke
Schwingungen versetzt werden und
sich aneinander reiben. Die Bewegungsenergie wird dabei in
Wärmeenergie umgewandelt.

Die neuentstehenden mittelschweren Atomkerne sind in der Regel
selbst radioaktiv und senden gefährliche Strahlungen aus.

Um U-238-Kerne zu spalten, braucht man sehr schnelle Neutronen.

In einem Kilogramm Uran-235 steckt soviel Energie wie in 93
Waggons Kohle oder 67 Kesselwagen mit Heizöl. Mit dieser
Energiemenge ( 23 Mio. kW/h ) könnten alle Bewohner
Westdeutschlands ihre Wohnungen eine Stunde lang beleuchten.


3.3 Kettenreaktion Abb. 8

Beschießt man ein Stück U-235 mit einem Neutron, spaltet dieses
irgendwo einen ersten Kern, der wiederum zwei Neutronen ausstößt.
Diese spalten weitere Kerne, welche wiederum 4 - 5 Neutronen
freisetzen. Wenn 4 dieser Geschosse auf Nachbaratome treffen und
diese zertrümmern, so bilden
sich 8 - 12 neue Neutronen. Diese spalten, abgesehen von einer
gewissen Verlustrate, wieder Kerne, wobei jedesmal ein gewaltiger
Energiebetrag freigesetzt wird. Dieser Vorgang setzt sich weiter
fort, und in
Sekundenbruchteilen wächst die Zahl der gespaltenen Kerne und
damit die Energiegewinnung lawinenartig an. Diesen Vorgang nennt
man Kettenreaktion.




3.4 Anreicherung

U-235 Kerne werden durch langsame Neutronen gespalten. Um U-238
Kerne zu spalten, benötigt man hingegen sehr schnelle Neutronen.
Langsame dringen zwar auch in den Kern ein, werden jedoch in ihn
eingebaut, so daß sich U-239 bildet. Dieses wandelt sich über eine
Zwischenstufe in Plutonium-239 um, das seinerseits gut durch langsame
Neutronen gespalten werden kann.

Man kann diesen Umweg aber wie folgt umgehen:

Das natürliche Uran besteht zu 99,3% aus U-238, was bedeutet, daß
sich keine Kettenreaktion ereignen kann, wenn es mit langsamen
Neutronen beschossen wird. Die 2 - 3 Neutronen, welche bei einer
Spaltung eines U-235-Kerns
entstehen, sind meistens zu schnell, um einen der wenigen U-235-
Kerne zu spalten, andererseits sind sie zu langsam, um das U-238
zu zertrümmern. Sie werden, wie gesagt, nur eingefangen. Eine
einmal ausgelöste Kernspaltung kann also ohne weiteres keine
Kettenreaktion erzeugen.

Es gibt jedoch eine Möglichkeit, diese zu erreichen.

1. Man erhöht den U-235 Gehalt ( z.B.: von 0,7% auf ca. 3% ), um
mehr
spaltbares Material zu erhalten; dies nennt man dann
Anreicherung.

2. Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen müssen verlangsamt
werden.
Das auf 3% angereicherte Uran allein nützt noch nicht viel, da
die beim
Spaltprozeß entstehenden Neutronen zu schnell sind. Deshalb
benutzt
man Stoffe, die Neutronen abbremsen können. Diese heißen
Moderatoren.
Hierzu eignen sich z.B. Kohlenstoff, Wasser und Berillium.



Kapitel 4 - Kernfusion


4.1 Kernfusion Abb. 9

Die Energie der Sonne stammt aus Kernverschmelzungen, oder auch
Kernfusionen genannt. Die Sonne setzt ungeheure Energien frei. Es
handelt sich dabei nicht um Kernspaltungen, weil dazu Elemente mit
hohen Massenzahlen nötig sind. Die Sonne besteht größtenteils aber
aus Elementen mit sehr kleinen Massenzahlen, vor allem ausWasserstoff
und Helium.

Auch bei normalen Verbrennungen finden Verschmelzungen statt.
Verbrennt z.B. Kohle, verschmelzen die Atomhüllen von Kohlenstoff
und Sauerstoff, es entsteht Kohlenstoffdioxid. Bei der Kernfusion
verschmelzen nicht die Atomhüllen, sondern die Atomkerne.

Wie bei der normalen Verbrennung ist auch für Kernfusionen eine
Art Aktivierungsenergie nötig. Zwei Atomkerne verschmelzen nämlich
erst dann, wenn sie durch hohe Temperatur und Druckverhältnisse
dicht aneinander
geraten. Denn es müssen erst die starken abstoßenden Kräfte
( Coulombsche Abstoßungskräfte ) der Atomkerne überwunden werden, da
diese beide positiv geladen sind.

Zur kontrollierten Verschmelzung kommen eigentlich nur die
beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium in Frage. Diese
Stoffe müssen auf ca. 100 Mio. øC erhitzt werden. Erst dann
reichen die Bewegungsenergien der Kerne zur šberwindung der
Abstoßungskräfte aus.

Verschmelzen Deuterium- und Tritiumkerne miteinander, so entsteht
jeweils ein Heliumkern und ein Neutron. Die beiden neugebildeten
Teilchen haben insgesamt weniger Masse als die beiden
Ausgangskerne. Der Verlust wird dabei in einen gewaltigen
Energiebetrag umgewandelt.

Bei der Bildung von einem Kilogramm Helium durch Kernfusionen wird
zehnmal soviel Energie frei wie bei der vollständigen Kernspaltung
von einem Kilogramm Uran. Allgemein sagt man Kernfusion ist der
Aufbau eines schwereren Atomkerns aus zwei leichteren.

Die Fixsterne, wie auch unsere Sonne beziehen ihre Energie durch
diesen Prozeß. Der Mensch hat sich diese Energiequelle bis jetzt
erst in der Wasserstoffbombe zunutze gemacht. Sogenannte
Fusionsreaktoren können mit den heutigen technischen Mitteln nicht
verwirklicht werden.

Die erste Wasserstoffbombe wurde von den USA im Jahre 1954
gezündet.



Kapitel 5 - Kernwaffen



5.1 Atombombe Abb. 10

Während in Atomkraftwerken Kettenreaktionen völlig kontrolliert
ablaufen, findet bei einer Atombombenexplosion eine
unkontrollierte Kettenreaktion statt. Diese läuft innerhalb von
Sekundenbruchteilen ( 1/1 Mio. Sekunde ) ab. Dadurch werden
explosionsartig große Mengen an Wärmeenergie frei ( 14 Mio. øC ,
23 kWh pro Kg U-235 ). Neben diesen ungeheuren Energien werden
auch tödliche radioaktive Spaltprodukte freigesetzt.

In der Atombombe kann es nur dann zur Kettenreaktion kommen,
wenngenügend freie Neutronen auf genügend spaltbare Kerne treffen.

Zwei Bedingungen müssen hierfür erfüllt werden:

1. Die Bombe muß reines U-235 enthalten, da sich nur diese Kerne
spalten lassen. Natururan eignet sich hiefür nicht, da es ja nur aus
0,7 % U-235 besteht. Das passive U-238 wird in Isotopentrennungsanlagen
herausgefiltert.

2. Eine ausreichend große Masse Uran muß vorhanden sein, denn
sonst verlassen die meisten Neutronen das Uran durch seine
Oberfläche, ohne daß eine Kettenreaktion ausgelößt wird. Diese notwendige
Mindestmasse, nennt man auch kritische Masse. Die kritische Masse beträgt
bei U-235 23 Kilogramm. Man kann diese Masse auch noch herabsetzten, indem
man das Uran mit einem sogenannten Neutronenreflektor umhüllt, der die
austretenden Neutronen in das Uran zurücklenkt.


Man kann außer U-235 auch noch Plutonium-239 verwenden. Hierbei
beträgt die kritische Masse sogar nur 5,6 Kilogramm. Es kommt in
der Natur nur sehr selten vor, wird aber in den Reaktoren von
Kernkraftwerken ständig erzeugt.
Abb. 11
Die bei der Explosion verlorengegangene Masse ist vergleichsweise
gering. Bei der Hiroshima-Bombe ( 6.8.1945 ) tötete ein Gramm
Materie, das in Energie umgewandelt wurde, ca. 200 000 Menschen.


5.2 Wasserstoffbombe

Bei Wasserstoffbomben bzw. thermonuklearen Sprengkörpern entsteht
die Energie durch Kernfusion der H-Isotope Deuterium und Tritium
oder Lithium-6. Zur Einleitung einer solchen Reaktion sind hohe
Temperaturen von einigen
MillionenøC nötig. Deswegen benutzt man eine Atombombe als Zünder.


5.3 Cobaltbombe

Umgibt man eine Wasserstoffbombe mit einem Cobaltmantel, so wird
das natürliche Cobaltisotop Co-59 durch Neutroneneinfang in das
radioaktive Co-60 umgewandelt, dessen starke Gammastrahlung eine
Halbwertzeit von 5,272 Jahren ( 5 Jahre und 99,28 Tage ) hat. Als
radioaktiver Niederschlag würde es eine verheerende Wirkung auf
alles Leben ausüben.


5.4 Neutronenbombe

Im Grunde genommen ist die Neutronenbombe eine sehr kleine
Wasserstoffbombe. Allerdings entsteht bei ihrer Detonation nur
wenig Hitze und eine schwache Druckwelle, so daß fast keine
Beschädigungen an Gebäuden und Waffen auftreten. Dafür kommt es
aber, zu einer sehr starken Neutronenstrahlung, die bei der
Kernfusion entsteht. Sie wirkt vor allem gegen Lebewesen.

Die Gefährlichkeit der Neutronenbombe beruht in erster Linie auf
der biologischen Strahlenwirkung, der bei der Deuterium-Tritium-
Fusionsreaktion freigesetzten schnellen Neutronen, die fast alle
Materialien durchdringen. Die von Neutronen getroffenen
organischen Moleküle können ihre biologischen Funktionen nicht
mehr ausführen, was zur Zerstörung der Zellen und schließlich zu
Krankheit und Tod führt.

Der radioaktive Niederschlag hingegen ist so gering, daß man das
Zielgebiet bereits nach 24 Stunden wieder betreten kann.





Anlagen: Abb. 1 - Das Atommodell
Abb. 2 - Uran ( U-238 )
Abb. 3 - Strahlung
Abb. 4 - Abschirmung
Abb. 5 - Zerfall von Uran
Abb. 6 - Halbwertszeit
Abb. 7 - Kernspaltung
Abb. 8 - Kettenreaktion
Abb. 9 - Kernfusion
Abb. 10 - Schema einer A-bombe
Abb. 11 - Zerstörungskraft eine A-Bombe


Quellen: 1. Brockhaus - Naturwissenschaften und Technik
2. Was ist Was - Band 3 - Atomenergie
3. Was ist Was - Band 79 - Moderne Physik
4. Cornelsen - Physik für die Sek. Stufe 1 AH
5. Schülerduden - Die Physik
6. Fischer Kolleg - Das Abiturwissen PHYSIK