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Titel / Referat: Kernenergie - Geschichte und Nutzung

Schlagwörter: Atomkraft, Kernphysik, Kernphysik, Atomphysik, Kernaufbau, Strahlung, Gefahren, Radioaktivität Hausaufgabe, Referat

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Geschichte der Kernphysik


1.Einleitung

Antoine Henri Becquerel, Pierre Curie und Marie Curie erhielten für ihre Versuche zur Radioaktivität, die man als den historischen Beginn der modernen Kernforschung bezeichnen könnte, 1903 den Nobelpreis für Physik.

Radioaktivität ist immer mit der Umwandlung eines chemischen Elements in ein anderes verbunden. Dies wurde von Ernest Rutherford entdeckt, wofür er 1908 den Nobelpreis für Chemie erhielt.


1.1.Definition der klassischen Physik


Die Physik ist die Wissenschaft von den Eigenschaften und Zustandsformen, der Struktur und Bewegung (Veränderung) der unbelebten Materie, von den diese Bewegung hervorrufenden Kräften oder Wechselwirkungen und von den dabei unveränderlichen Größen.
Die klassische Physik gliedert sich in Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik und Elektrodynamik. Die Newtonschen Axiome bzw. die Prinzipien der Mechanik und die Hauptsätze der Thermodynamik bilden in Verbindung mit den Erhaltungssätzen die Grundlagen der klassischen Physik.
Durch die Spezielle Relativitätstheorie wird sie auf beliebig bewegte Inertialsysteme erweitert, durch die Allgemeine Relativitätstheorie auf beliebig bewegte Bezugssysteme. Die Quantentheorie erklärt die Erscheinungen in Atomen und bei deren Zusammenwirkung in Molekülen und Festkörpern, die Wechselwirkung von Strahlung mit stofflicher Materie und die chemische Bindung. Sie bildet die Grundlage für die Kern- und Elementarteilchenphysik.



Geschichtliches: 

Der Begriff Physik stammt aus der Antike und bedeutet Naturlehre. Die Anfänge liegen in der praktischen Nutzung verallgemeinerter Erfahrungen (z.B. Hebel) in asiatischen und ägyptischen Kulturen. Diese wurden in antike naturphilosophische Betrachtungen einbezogen und zu deuten versucht: Experimente werden nur gelegentlich durchgeführt. Leukipp und Demokrit entwickelten eine materialistische Atomlehre. Wichtige Ergebnisse wurden in der Mechanik, Statik, Hydrostatik (Archimedes) und der Optik (Euklid) erreicht. Gelehrte sammelten das antike Wissen, konnten es teilweise erweitern und gaben es so auch nach Europa weiter. Im feudalen Europa kam es nur in der Kinetik zu gewissen Fortschritten - Der Umsturz des astronomischen Weltbildes im 16. Jahrhundert gab auch den Anstoß, eine von der Religion unabhängige physikalische Wissenschaft aufzubauen, wesentlich gegründet auf eine experimentell-mathematische Erfassung der Naturerscheinungen.
Als erste physikalische Disziplin bildete sich, angeregt durch praktische Fragestellungen, die klassische Mechanik (G. Galilei, J. Kepler) im 17. Jahrhundert heraus, gefolgt von der Optik (W. Snellius, I. Newton).Im 18. Jahrhundert wurden wesentliche Grundlagen der Elektrizitäts- und Wärmelehre erkannt. Im 18.-und 19. Jahrhundert wurden die Forderungen der Praxis stärker in physikalische Untersuchungen einbezogen. Es wurden die analytische Mechanik aufgebaut, die Himmelsmechanik vollendet, die Hydrodynamik und die Anfänge der technischen Mechanik entstanden. Im 19. Jahrhundert wurden die Thermodynamik (Lord Kelvin, R. Clausius) und die Elektrodynamik (M. Faraday, J. C. Maxwell) zu den beherrschenden Disziplinen; der Energieerhaltungssatz wurde entdeckt (J. R. Mayer, H. Helmholtz). Eine neue Epoche der Physik wurde seit etwa 1900 mit der Entwicklung der Quanten-, Atom- und Kernphysik sowie der Relativitätstheorie eingeleitet (M. Planck, A. Einstein, E. Rutherford, N. Bohr).



1.2.Definition Kernphysik


Die Kernphysik ist ein Teilgebiet der Physik, in dem der Aufbau der Atomkerne, die Eigenschaften ihrer Anregungszustände, die Gesetze ihrer Umwandlung bei Kernreaktionen und beim radioaktiven Zerfall sowie die Wechselwirkung der Nukleonen untersucht werden.
In der experimentellen Kernphysik werden die Eigenschaften der Atomkerne (Massen, Radien, magnetische Momente, Drehimpulse) bestimmt. Eine große Rolle spielt die Untersuchung der Kernstruktur mit Geschossteilchen aus Beschleunigern (Elektronen, Protonen, Deuteronen, usw.) oder aus Kernreaktoren (Neutronen). Dabei erhält man Aussagen sowohl über die Kernkräfte als auch über die ganze Vielfalt der angeregten Kernzustände.
Die theoretische Kernphysik beschäftigt sich mit der Entwicklung und mathematischen Beschreibung von Kernmodellen und Mechanismen von Kernreaktionen . Damit könne messbare Größen berechnet werden z.B. Übergangswahrscheinlichkeiten, die mit experimentellen Werten verglichen werden können.
Zentren der Kernphysik sind u.a. das VIK (Vereinigtes Institut für Kernforschung, 1956 gegründet)in Dubna (bei Moskau), das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, 1957 gegründet)und DESY (Deutsches Elektronen-Synchroton, Helmholtz-Gemeinschaft). Mit der Geschichte der Kernphysik möchte ich mich in meiner folgenden Arbeit näher beschäftigen.


2.Geschichte der Kernphysik und ihre physikalischen Hintergründe


2.1.Kurzer Überblick


Die Kernphysik basiert heute im Groben auf die Gliederung des Atomkerns in unterschiedlichste Elementarteilchen, wie z.B. den Leptonen, Mesonen und Hyperonen. Dabei war man aber vor hundert Jahren bei Weitem noch nicht im Kern, sondern untersuchte im Wesentlichen noch einzig und allein die Atomhülle. Aus diesem Grund gliedert sich folgender Abschnitt ganz nach dem schrittweisen Vordringen zum Kern.


2.2.Das Atom


2.2.1.Geschichte des Atoms


Viele Erscheinungen in der Physik und der Chemie lassen sich nur durch die Annahme erklären, dass alle Grundstoffe (Elemente) aus Millionen kleinster Teilchen bestehen. Früher nahm man an, dass diese Teilchen bei allen physikalischen und chemischen Vorgängen unverändert bleiben. Man nannte sie deshalb Atome (von atomos, griech. =unzerstörbar, unteilbar). Heute jedoch weiß man, dass Atome vorübergehend (durch Ionisation) oder auch dauerhaft (durch Atomspaltung) getrennt oder gespalten werden können. Das heißt, dass sie verändert werden. Ernest Rutherford machte 1909 seine größte Entdeckung: Kurz nachdem er zur Universität Manchester umgezogen war, fand er heraus, dass Alpha-Teilchen, wenn man mit ihnen dünne Metallfolien beschießt, einige die Metallfolien durchdringen, andere aber absorbiert werden. Man schloss daraus, dass Atome nicht gleichmäßig mit Masse gefüllt sein können.
Seit längerer Zeit erfährt die Wissenschaft von den Atomen und Kernen einen Aufschwung wie kaum ein anderes Gebiet der Physik. Atom- und kernphysikalische Fragen nehmen eine immer größere Bedeutung in den verschiedensten Zweigen von Wissenschaft und Technik ein. Kein Mediziner, Ingenieur, Chemiker, Geologe oder auch Politiker kommt an ihnen vorüber ohne ihnen Beachtung zu schenken. Das Atom rückte vom kaum beachteten „chemischen und physikalischen Teilchen“ in das Blickfeld des Weltinteresses. Auch wenn erst kurz in der Welt bekannt reicht die Zeitgeschichte des Atoms bis in die Zeit der alten Griechen zurück. Griechische Philosophen haben schon sehr früh eine erstaunliche Gedankenleistung vollbracht, indem sie die Existenz des Atoms voraussagten.




2.2.2.Aufbau eines Atoms


1911 wies Ernest Rutherford nach, dass sich die größte Masse eines Atoms in seinem Kern befindet. Er nannte dieses Zentrum im Atom Atomkern. Der Atomkern mit seinen Protonen und Neutronen ist elektrisch positiv geladen und ist im Vergleich zum Gesamtatom, welches ungefähr 10 -10 m groß ist, mit 10-15 m bis 10-14 m sehr klein. Wollte man ein maßstabgerechtes Model eines Atoms bauen, müsste man eine Kugel mit einem Durchmesser von 200 m gebrauchen ,der Atomkern hätte dann einen Durchmesser von 1 cm. Die Anzahl der Protonen Z ist gleich der Anzahl der elektrisch negativ geladenen Elektronen in der 100.000 mal größeren Atomhülle. Die Elektronen, welche 1897 vom englischen Physiker Joseph John Thomson nachgewiesen wurden, umkreisen mit großer Geschwindigkeit den Atomkern und bestimmen durch die ihre Anzahl die chemischen Eigenschaften eines Atoms. Damit entspricht die Kernladungszahl der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente. An bestimmten Stellen der Atomhülle sind die Elektronen am häufigsten anzutreffen. Diese Stellen werden im Modell als Elektronenschalen dargestellt. Das Modell gibt ausgewählte, wesentliche Eigenschaften des Atoms wieder. Es berücksichtigt die komplizierte Bewegung, den Aufenthaltsraum der Elektronen und die Energieverhältnisse in der Atomhülle. Durch die Anziehungskräfte der positiv geladenen Protonen und der negativ geladenen Elektronen wird das Atom zusammen gehalten. Von außen gesehen besitzt das Atom eine elektrisch neutrale Ladung, da sich Atomkern und Atomhülle, ladungsmäßig gesehen, ausgleichen. Man muss beachten, dass die Atomhülle nicht starr, also nicht vergleichbar mit einer Stahlkugel ist. Man sollte eher den Vergleich zu weichen Schaumgummikugeln ziehen. Dies kommt einer Atomhülle modellhaft näher und wird in der Fachsprache Orbital genannt.



2.2.3.Aufbau eines Atomkerns


Der englische Physiker James Chadwick ist für seine Entdeckung des Neutrons bekannt. 1911 verließ er die Universität von Manchester, und arbeitete während den 20-Jahren zusammen mit Ernest Rutherford auf dem Gebiet der Kernphysik. Seine Experimente mit der Bombardierung von Lichtstrahlen mit Alpha-Teichen führten 1932 zur Entdeckung des Neutrons, mit welcher er 1935 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Sofort nach der Entdeckung des Neutrons sprach Heisenberg die Hypothese aus, dass der Atomkern aus Protonen und Neutronen aufgebaut ist. 1934 begründete Heisenberg sein Kernmodell durch eine in sich abgeschlossene Theorie. Obwohl der Atomkern in Bezug auf wesentliche physikalische und chemische Eigenschaften als unteilbares Gebilde erscheint, erweist er sich bezüglich vieler Erscheinungen als ein zusammengesetztes Objekt. Ein Atomkern setzt sich zusammen aus Protonen (wurden 1919 von Ernest Rutherford entdeckt), welche elektrisch positiv geladen sind, und Neutronen, welche elektrisch neutral sind. Beide Kernbausteine werden auch unter dem Sammelbegriff Nukleonen geführt, der aus dem neulateinischen stammt und soviel wie Baustein des Atomkerns bedeutet. Nukleon genannt. Neutronen und Protonen haben ungefähr die gleiche Masse. Die Anzahl der Protonen im Atomkern wird auch Kernladungszahl Z genannt. Ein Atomkern ist außerdem gekennzeichnet durch die Massenzahl A, welche sich aus der Kernladungszahl Z und der Anzahl der Neutronen N zusammensetzt:A=Z+N. Diese Massenzahl wird auch Nukleonenzahl genannt. Eine Kernart mit einer ganz bestimmten Zusammensetzung wird Nuklid genannt.
Die symbolische SchreibweiseK bedeutet:Ein Kern K hat A Nukleonen und Z Protonen. Das heißt, dass die Protonenzahl Z und die Neutronen N die Nukleonenzahl A ergibt. Dies wiederum heißt, dass die Nukleonenzahl gleich der Massenzahl ist.
Ich möchte das nun an einem Beispiel erklären. Mein Beispiel soll heißen Fe.
Der Eisenkern hat 26 Protonen und 30 Neutronen. Seine Nukleonen- oder Massenzahl ist 56. Auch die Schreibweise Fe-56 ist üblich.
Die Kräfte, die die Kernbausteine zusammen halten werden im allgemeinen als Kernkräfte oder starke Wechselwirkung bezeichnet. Diese starken Anziehungskräfte, welche nur auf sehr kurzer Distanz wirken, sind Ursache dafür, dass sich die Protonen untereinander nicht abstoßen. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um eine Kraft deren Ursache elektrischer oder gravitativer Herkunft sind, d.h., es gibt keine elektrischen Ladungen oder Massen, welche diese Art der Kraft hervorrufen. Nähert sich ein Proton dem Atomkern so wird es wegen der gleichen positiven elektrischen Ladung abgestoßen. Nur wenn es eine entsprechend hohe Geschwindigkeit besitzt kann es in den Bereich der Anziehungskräfte gelangen.6
Ich möchte hier aber noch eine Ausnahme bezüglich der Existenz von starken Wechselwirkungen im Kern nennen:Das Wasserstoffatom. Das Wasserstoffatom hat als Kern nur ein einziges Proton, dass somit nicht mit einem anderen Nukleon wechselwirken kann. (H). Dieses eine Proton kann infolge seiner Ladung auch nur ein Elektron in der Atomhülle festhalten.
Ich möchte nun noch einmal auf die Neutronen zu sprechen kommen, da sich über ihre Eigenschaften und ihr Verhalten noch wichtige Dinge sagen lassen. Neutronen spielen bei kernphysikalischen Prozessen eine enorm große Rolle z.B. in Kernreaktoren oder bei der Gewinnung von künstlichen radioaktiven Nukliden. Die Neutronen wurden von James Chadwick entdeckt. Er fand heraus, dass manche Atomkerne unter Beschuss von Alpha-Teilchen keine Protonen sondern Neutronen aussenden, dessen Masse mit der eines Protons nahezu übereinstimmte. Die Neutronen waren den Forschern bis dato entgangen, da sie aufgrund ihrer elektrischen Neutralität in der Nebelkammer7 keine Spuren hinterließen. Zum heutigen Zeitpunkt steht die Existenz des Neutrons außer jedem Zweifel, da sie indirekt nachgewiesen werden können. Man lässt sie in der Nebelkammer auf schweren oder überschweren Wasserstoff8 einwirken, wobei sie mit den Protonen zusammenstoßen und diesen eine hohe Geschwindigkeit erteilen. Mitten auf dem dunklen Hintergrund lassen sich dann die Bahnspuren der Protonen erkennen. Die Spuren der Neutronen sind jedoch nicht erkennbar.

Die Masse des Atomkerns: Die Protonen und Neutronen im Atomkern haben fast die Gleiche Masse. Die Masse eines Protons ist jedoch 1836 mal größer als die eines Elektrons. Das bedeutet, dass fast die gesamte Masse sich im Atomkern befindet, wie es Rutherford auch experimentell zeigte. Die Masse eines Nukleons beträgt etwa 1.67*10-24 kg. Die Masse eines Bleikerns z.B. beträgt 3,5*10-22 kg, damit aber immer noch unvorstellbar klein. Die Dichte eines Bleikerns beträgt ungefähr 1,46*1014 g*cm-3. Metallisches Blei hat eine Dichte von 11 g*cm-3. Die Dichte eines Bleikerns ist damit 1011 mal so hoch wie die der Bleiatome. Dies alles gilt fast genau gleich für alle anderen Stoffe und ist doch eigentlich unglaublich. 1 cm3 solcher Kernsubstanz hat eine Masse von ungefähr 150 Millionen Tonnen (37,5 Millionen Elefanten, wovon jeder ca. 4 t. wiegt). Bestünde unsere Erde aus diesem Stoff, hätte sie einen Durchmesser von rund 400 m. Im Universum sind solche Körper jedoch vorhanden, sie bestehen nur aus Kernsubstanz und haben bei der Masse unserer Sonne einen Radius von 10 km9.
Man nimmt an, dass wenn die Masse von Protonen, Neutronen und Elektronen miteinander addiert werden , man die gleiche Masse erhält die das gesamte Atom besitzt. Im Fall des Wasserstoffs stimmt dies, da ein Elektron mit einer relativen Atommasse von 0,000549u10 addiert mit einem Proton mit einer relativen Atommasse von 1,00728u die relative Atommasse 1,00783u ergibt, die relative Atommasse eines Wasserstoffatoms. Kommen wir nun jedoch als Bespiel zum Fall Helium. Ein Heliumatom hat 2 Elektronen, 2 Protonen, 2 Neutronen und eine relative Atommasse von 4,00261u.Man nimmt an dass man diesen Wert erreicht wenn alle sechs Elementarteilchen miteinander addiert werden. Man erhält jedoch eine relative Atommasse 4,03300u, welche um 0,03039u vom Ausgangswert abweicht. Diese Erscheinung wird Massendefekt genannt und tritt bei jedem Stoff außer Wasserstoff auf.
Wenn man sich vorstellt, dass alle Atome früher aus ihren elementaren Bestandteilen entstanden sind, dann ist es klar dass bei der Bindung eines jeden Atoms Masse verloren gegangen ist. Bei der Bildung eines Atomkerns aus seinen elementaren Bestandteilen wird eine dem entstehenden Massendefekt entsprechende Energiemenge frei. Man nennt sie Bindungsenergie eines Atomkerns.
Wenn man den Kern wieder in seine Bestandteile zerlegen will müsste man die gleiche Menge an Bindungsenergie wieder zuführen. Die Bindungsenergie ist ein Maß für die Beständigkeit (Festigkeit) eines Kernes.



2.2.Die Radioaktivität


2.2.1.Geschichte der Radioaktivität


1896 entdeckte der französische Physiker Antoine Henri Becquerel, dass Uransalze eine unsichtbare Strahlung aussenden, die lichtdicht verpackte Fotoplatten schwärzte und ein geladenes Elektroskop entladen konnte. Dazu schrieb er am 24. Februar 1896 einen Artikel „Sur les radiations émises par phosphorescence“, in dem er von folgendem Versuch berichtet: „Eine fotografische Platte wurde lichtdicht verpackt und mit einer Schicht aus fluoreszierenden Kaliumuranylsulfat bedeckt. Das Uransalz setzte er einige Stunden dem Sonnenlicht aus, damit es fluoresziere. Nach dem Entwickeln zeigten sich Schwärzungen. Zwischen Fluoreszenzschicht und Fotoplatte gelegte Metallteile zeichneten sich als Silhouette ab. Durch dünne Glasscheiben zwischen den Platten konnte chemische Wirkungen ausgeschlossen werden“. Becquerel vermutete, dass die fluoreszierende Substanz Strahlen aussendet. Diese Vermutung war jedoch falsch, da Becquerel bei schlechtem Wetter Uransalz mit Fotoplatten mehrere Tage in eine Schublade legte. Trotz der nicht vorhandenen Fluoreszenzstrahlung konnte Becquerel eine eindeutige Schwärzung feststellen. Also musste die Strahlung vom Uransalz selbst ausgehen. Das Ehepaar Marie und Pierre Curie untersuchten solche Strahlen aussendenden Mineralien genauer. Dabei entdeckten sie 1898 das Polonium und das noch stärker strahlende Radium. Im selben Jahr wurde die Strahlung von G. C. Schmidt auch bei Thorium nachgewiesen. In den folgenden Jahren, zwischen 1898 und 1904, arbeiteten insbesondere Rutherford, M. und P. Curie, Becquerel, Villard, Meyer und Schweidler an der Untersuchung der Radioaktivität. Diese Arbeiten brachten die Erkenntnis, dass die Becquerel-Strahlung aus drei Strahlenarten besteht. Diese Strahlenarten wurden nach Rutherford Alpha-, Beta- und Gammastrahlen genannt. Man identifizierte die Betastrahlung relativ bald als den Katodenstrahlen ähnlich (und damit als Elektronen) und die Gammastrahlung der Röntgenstrahlung ähnlich. Dass sie tatsächlich elektromagnetischer Struktur waren, konnte erst durch Laues Beugungsexperimente am Kristall im Jahre 1912 endgültig bewiesen werden. Bei der Alpha-Strahlung ließ sich zunächst nicht genaueres entdecken, lediglich ihre positive Ladung konnte auf Grund der Ablenkung im Magnetfeld festgestellt werden. Vermutet wurde, dass es sich um elektrisch positiv geladene Atome handelt. Für die weitere Untersuchung waren vorallem bessere Nachweisgeräte notwendig. Zur damaligen Zeit standen nur wenige radioaktive Stoffe als Alpha-Strahlungsquellen zur Verfügung, deren Intensität dazu noch relativ gering war. Die bis dahin einzige Nachweismethode war die Szintillationsmethode. 1897 hatte Borgmann gezeigt, dass ein mit Zinkblendepulver bestrichener Fluoreszenzschirm gut auf Alpha-Strahlung anspricht. 1903 wurde diese Methode von Crookes, Elster und Geitel weiterentwickelt. Beim Betrachten des Schirmes mit einer Lupe sah man kurze einzelne Lichtblitze (Szintillationen). Der Physiker Regener zeigte 1908, dass es sich bei den Lichtblitzen um Alpha-Teilchen handelt. Geiger und Rutherford entwickelten 1908 eine Messmethode bei der sie die ionisierende Wirkung eines Alpha-Teilchens ausnutzten. In einem gasgefüllten Messingzylinder wurde in der Mitte ein Draht gespannt und zwischen Draht und Zylinderrand eine Spannung angelegt.;jedes gefangene Alpha-Teilchen wirkte auf das Gas ionisierend und ein Stromstoß war messbar. 1912 verließ Geiger Manchester und übernahm das neueinzurichtende Radium-Laboratorium der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin. Hier entwickelte er 1913 den Spitzenzähler (Geigerzähler):Der Zähldraht läuft in eine feine, freistehende Spitze aus;durch den konzentrischen Feldverlauf von der Außenelektrode zur Spitze wurde eine wesentlich höhere Empfindlichkeit erreicht. Mit diesem Geigerzähler waren Alpha- und Betastrahlen messbar. 1908 hatten Rutherford und Geiger aus ihren Szintillationsmessungen die Rutherfordsche Hypothese von 1904 bestätigt. Auf dieser Grundlage ließ sich dann unter anderem die Theorie von der radioaktiven Umwandlung der Elemente, die Rutherford und Soddy bereits zwischen 1900 und 1903 ausgearbeitet hatten, endlich erklären. Auf dieser Grundlage wurden um 1912 die radioaktiven Zerfallsgesetze für den Alpha-Zerfall von Soddy aufgestellt. Das Gleiche geschah 1912/1913 für den Beta-Zerfall, aufgestellt von Fajans und Russell. Bis zu diesem Zeitpunkt wurden ungefähr 30 „Radioelemente“, die durch diese Strahlung erkennbar waren, entdeckt. All diese Elemente konnten durch die Fajans-Soddyschen Verschiebungsregeln in drei Zerfallsreihen eingeordnet werden. Im Jahre 1921 fand Hahn heraus, dass es eine Kernisomerie gibt, d.h., dass manche Kerne nach einer bestimmten Zeit (der Halbwertzeit) ohne äußerlichen Einfluss zerfallen. Dieses Phänomen konnte aber erst nach der Entdeckung der künstlichen Radioaktivität noch weiter untersucht werden, da erst zu diesem Zeitpunkt genügend weitere Atomarten zur Verfügung standen. Da sich die neu entdeckten radioaktiven Stoffe nicht durch chemische Prozesse oder physikalische Einwirkungen beeinflussen ließen, schloss man, dass die Strahlenaussendung nicht durch chemische Vorgänge verursacht wird. Heute weiß man, dass die Strahlung von instabilen Stoffen ausgeht, die zerfallen.


2.2.2.Natürliche und Künstliche Radioaktivität


Natürliche Radioaktivität:Nach der Entdeckung der Becquerel-Strahlung begann das Ehepaar Marie und Pierre Curie weiter an ihnen zu forschen. Bald schon war ihre gemeinsame Arbeit von Erfolg gekrönt. Nachdem die beiden Physiker alle Stoffe auf Strahlung untersucht hatten, kamen sie zu zwei vorläufigen Ergebnissen:1)Von allen bekannten Stoffen strahlen nur Uran und Thorium
2)In den natürlichen Uranmineralien ist die Strahlung viel stärker,
als ihrem Gehalt an reinem Uran entspricht
Es musste in den Stoffen ein weiterer, noch stärker strahlender Stoff enthalten sein. Die darauf folgenden Messungen ergaben, dass es mindestens zwei stark strahlende Elemente geben müsste. Eine der beiden Elemente hing stark mit dem Wismut zusammen. Das andere war aufs engste mit dem Barium verwandt und erhielt die Bezeichnung Radium („Das Strahlende“). Beide Entedeckungen wurden im Juli bzw. im Dezember 1898 veröffentlicht. Der an sich einwandfreie Nachweis auf Grund der Strahlung genügte aber noch nicht. Die Chemiker mussten überzeugt werden, dazu musste das Element selbst isoliert werden. Hierzu wurde über eine Tonne Erzrückstände aus der Uranfarbenfabrik Joachimsthal beschafft. Diese wurden nun in einem alten Holzschuppen an der „École physique“ mühselig bearbeitet. Ein paar wackelige Tische, ein alter Schmelzofen, mehr war nicht vorhanden. Es ging darum, die äußerst geringen radioaktiven Spuren aus der dunkelbraunen, erdigen und mit Fichtennadeln durchsetzten Masse mit normalen chemischen Analysen herauszulösen. Nach dem Aufschließen mit Soda, dem Filtriere und Ausfällen der unwichtigen Metalle, erhielt man jeweils kleine Mengen Bariumchlorid. Hiervon wurde versucht das benötigte Radium abzutrennen, dies erwies sich jedoch als besonders schwierig. Zuerst ist der langwierige Prozess der „fraktionierten Kristallisation“ zu nennen. Er beruht darauf, dass das in der Bariumlösung enthaltene Bariumchlorid etwas leichter auskristallisiert als das Radiumsalz. Umso öfter dieser Prozess wiederholt wird, umso reiner wird das Radiumsalz, jedoch ist danach nur noch der Bruchteil eines Gramms des geheimnisvollen, leuchtenden Stoffs vorhanden. Erst 1912 erreichte Marie Curie das Ziel ihrer harten Arbeit. Genügend für die Feststellung des Spektrums und des Atomgewichts, hatte sie Gramm reines RaCl2 beisammen und konnte damit auch den Chemikern den Beweis des Vorhandenseins der Strahlung von Polonium und Radium erbringen.
Jedes Isotop eines Stoffs ist radioaktiv, wenn der Stoff selbst auch radioaktiv ist. Alle radioaktiven Stoffe sind im Periodensystem der Elemente gekennzeichnet. Diese Stoffe zerfallen nach der Halbwertszeit von selbst und senden dabei radioaktive Strahlung aus.


Künstliche Radioaktivität:Noch Jahrzehnte nach der Entdeckung der natürlichen Radioaktivität nahm man an, dass nur die Isotope des Urans und des Thoriums und einige weitere Stoffe selbstständig Strahlen aussenden können. Diese Stoffe wurden daher als Fehlkonstruktion der Atomwelt, welche sich am Anfang der Erdgeschichte gebildet hat und nun langsam in ihre stabile Endform übergeht, bezeichnet. Man vermutete, dass es diese Fehlkonstruktionen mittelfristig gesehen irgendwann nicht mehr geben wird. Da machte der französische Physiker Frédéric Joliot-Curie zusammen mit seiner Frau Irène Curie, der Tochter von Marie Curie, eine Aufsehen erregende Entdeckung. Er hatte in ein Aluminiumgefäß einen starken Alpha-Strahler, in Form eines Poloniumpräparates gebracht. Zunächst zeigte sich, dass vom Aluminium eine Strahlung von Neutronen ausging. Dieser Vorgang ließ sich auf folgende Weise deuten:Der Kern des Aluminiums nimmt ein Alpha-Teilchen auf, dadurch erhöht sich die Massenzahl um 4 und die Ordnungszahl um 2 Einheiten. Dazu gibt der Kern ein Neutron ab, wodurch sich seine Massenzahl wieder um 1 Einheit verringert.
Demnach entsteht ein Isotop des Phosphors. Dieser Vorgang wäre nichts besonderes gewesen, da schon viele ähnliche Kernumwandlungen bekannt waren. Doch außer den Neutronen wurde vom Aluminium eine neuartige Beta-Strahlung, welche aus positiv geladenen Elektronen bestand, emittiert. Diese wurden auf gleiche Art wie das negativ geladene Elektron, nur in entgegengesetzter Richtung vom Magnetfeld zurückgeworfen. Diese Teilchen wurden Positronen genannt. Das Positron konnte vorher nur in der kosmischen Strahlung beobachtet werden, zum ersten mal erschien es nun auch bei irdischen Kernvorgängen. Als nun das aktive Präparat aus dem Aluminiumgefäß entfernt wurde, hörte die Neutronenstrahlung sofort auf, da jetzt ihre Ursache beseitigt worden war. Die Positronenstrahlung hörte jedoch nicht auf. Sie konnte nur von dem soeben entstandenen Phosphor ausgehen, der auf künstliche Weise radioaktiv geworden war. Der von Joliot-Curie künstlich hergestellte radioaktive Phosphor blieb nicht das einzige Beispiel für künstliche Radioaktivität. Heute ist man in der Lage von jedem stabilen Element mindestens ein radioaktives Isotop zu erzeugen. Es gibt zum Beispiel auch radioaktives Eisen oder radioaktives Natrium.


2.2.3.Radioaktive Strahlung


Alphastrahlung:
G. Gamov wird von Ioffe 1928/29 und 1930/31 zu Bohr nach Kopenhagen geschickt, dort befasst sich mit theoretischen Fragen des Alpha - Zerfalls. Im Jahr 1928 wird die Theorie des Alpha - Zerfalls von Gamov entwickelt..
Die beim Zerfall von Atomkernen ausgesendeten Heliumkerne (2 Protonen und 2 Neutronen) werden als Alpha-Teilchen bezeichnet. Als Teilchenstrom bilden sie die Alphastrahlung. Der Kern des Radiums-226 hat 88 Protonen und 138 Neutronen. Demnach beträgt seine Kernladungszahl 88 und seine Massenzahl 226. Der Kern ist nicht stabil, da sich die abstoßenden Kräfte der Protonen untereinander nicht vollständig aufheben können. Der Kern möchte daher in einen stabileren Zustand übergehen. Dazu sendet der Kern ein Alpha-Teilchen aus, dies vermindert die Massenzahl um 4 und die Kernladungszahl um 2. Es entsteht das neue Element Radon, welches selbst auch radioaktiv ist. Dieser Vorgang wird auch Alphazerfall genannt.
Wenn man eine Gleichung schreiben würde, müssten beide Kernladungszahlen zusammen wieder 88 und die Massenzahl zusammen 226 ergeben. Das heißt, man kann sich errechnen welcher Stoff beim Alphazerfall auftritt. Er ist natürlich abhängig vom Ausgangsnuklid. Bei alphastrahlenden Elementen kann man, wenn sie in einem geschlossenen Behälter aufbewahrt werden, nach einiger Zeit Heliumgas nachweisen.



Betastrahlung:
Beim Betazerfall wird vom Kern des Nuklids ein Elektron ausgesendet. Die Geschwindigkeit des Elektrons kann zwischen null und Lichtgeschwindigkeit liegen. Mehrere Elektronen zusammen bilden dann die Betastrahlung. Das ausgesandte Elektron stammt jedoch nicht aus der Atomhülle. Im Kern des Nuklids wird ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umgewandelt. Da die Elektronen eine negative Ladung besitzen, werden die Strahlen als Beta--Strahlen bezeichnet. Nach dem Aussenden eines Beta-Teilchens besitzt der Kern ein Proton mehr, das bedeutet, dass auch die Kernladungszahl des neu entstandenen Elements um eine Einheit gestiegen ist. Die Nukleonenzahl bleibt gleich, dass heißt, dass sich die Massenzahl also auch nicht geändert hat. Beta--Strahlen, die einen Elektronenstrom bilden, besitzen die gleichen Eigenschaften wie der elektrische Strom in metallischen Leitern.
Bei einigen natürlichen und künstlich hergestellten Nukliden tritt eine Strahlung auf, bei der Teilchen mit der gleichen Masse aber entgegengesetzter Ladung eines Elektrons ausgesendet werden. Diese Teilchen bezeichnet man als Positronen. Die Strahlung wird deshalb Positronenstrahlung oder Beta+-Strahlung genannt. Das Positron entsteht im Kern, wenn sich ein Proton in ein Neutron und ein Positron umwandelt. Bei der Beta+-Strahlung nimmt die Kernladungszahl um eine Einheit ab, währen sich die Massenzahl nicht ändert. Natrium-22 wandelt sich zum Beispiel unter Aussenden eines Positrons in Neon-22 um.


Gammastrahlung:
Bei einigen Kernumwandlungen tritt eine Strahlung auf, die gleicher Natur wie das Natur wie das Licht ist, allerdings viel energiereicher. Abgesehen von der Art der Entstehung ist sie mit der Röntgenstrahlung zu vergleichen. Die Gammastrahlung wird, wie auch das Licht, nicht auf einmal als Ganzes abgegeben, sondern in immer in kleinen Stücken. Die Gammaquanten bewegen sich immer mit einer konstanten Geschwindigkeit. Diese beträgt c0=299 792 458 (Vakuumlichtgeschwindigkeit). Die Gammstrahlen treten besonders häufig beim Alpha- oder Betazerfall auf. Nach dem Aussenden eines Alpha- oder Beta- Teilchens gibt der Atomkern auch noch einige Gammaquanten ab. Dies geschieht, weil der Kern noch überschüssige Energie besitzt. Durch die Abgabe der Gammaquanten ändert sich zwar der Energiegehalt des Kerns, nicht jedoch die Massen- und Kernladungszahl. Durch die Abgabe eines Gammaquants geht der Kern in einen niedrigeren und meist stabileren Energiezustand über.




2.3.Kernspaltung


Als erster Physiker erkannte der Italiener Enrico Fermi, dass sich Neutronen am Besten zur Beschießung von Kernen eignen müssten. Sie sind elektrisch neutral und werden weder von der Atomhülle noch vom Atomkern abgestoßen. Bald gelang es Fermi auf diese Weise eine große Anzahl von radioaktiven Nukliden herzustellen. Bei den schweren Elementen fand man heraus, dass das Neutron im beschossenen Kern stecken bleibt und dieser daraufhin Beta-Strahlung aussendet. Demnach musste sich die Atommasse und die Ordnungszahl um eine Einheit vergrößert haben. Besonders leicht gelangen solche Versuche, wenn die benutzten Neutronen bei vorherigen Zusammenstößen mit Wasserstoff auf eine geringe Geschwindigkeit gebremst wurden. Als Fermi diese Versuche schließlich bis zum Uran ausdehnte, fanden sich Reaktionsprodukte, die sich chemisch vom Uran und seinen von der Kernladungszahl niedrigeren Stoffen unterschieden. Es konnte sich aber auch nicht um noch niedrigere Elemente handeln, da man bei Kernumwandlungen immer nur Isotope des bestrahlten Elements oder den nächst niedrigeren Nachbarn gefunden hatte. Es musste sich also um Elemente der Ordnungszahlen 93 und 94 handeln, deren Kerne schwerer waren als die des Urans. Sie wurden Transurane genannt.
Als dann die deutschen Physiker Otto Hahn, Lise Meitner und Friedrich Wilhelm Straßmann die Fermischen Versuche wiederholten, konnten sie Vermutungen von Fermi nicht nur bestätigen sondern fanden in den Jahren 1935 bis 1938 sogar noch radioaktive Elemente bis zu der Ordnungszahl 96. Zu diesem Zeitpunkt erschienen Berichte von Curie und Savitch. Sie schrieben über einen Stoff der bei der Neutronenbestrahlung von Uran entstanden war. Er besaß eine Halbwertzeit von 3,5 Stunden und gehörte chemisch gesehen zu den seltenen Erden. Hahn und Straßmann unterzogen diesem Stoff einer gründlichen Prüfung und fanden im Herbst 1938 heraus, dass dieser Stoff wahrscheinlich ein Gemisch aus komplizierten Elementen war. Er enthielt vor allem mehrere radioaktive Erdalkalimetalle. Zunächst deutete die Untersuchung auf Radium oder Radium-Isotope hin. Es bestand jedoch eine Merkwürdigkeit, das Radium ließ sich mit den bekannten Mitteln nicht vom Barium trennen. Nach mühevollen Kontrollversuchen erlangte man am 17. Dezember 1938 endliche die Gewissheit , dass es sich um einzig und allein um Barium handelte. Demnach musste der Kern des Urans in zwei Teile zerfallen sein, das zweite Bruchstück stellte sich bald darauf als Krypton heraus. Ihre beiden Kernladungen ergaben zusammen 92. Der Nachweis eines vollkommen neuen Kernprozesses, der Spaltung eines schweren Kerns in zwei Teile, war erbracht. Die Entdeckung der Kernspaltung bedeutete für alle Physiker eine große Sensation. In den Laboratorien vieler Länder begannen sofort nach der Entdeckung weitere Untersuchungen.

Nicht alle Atomkerne wandeln sich nach dem Beschuss mit Neutronen in einen anderen Kern um, bei manchen tritt Kernspaltung auf, das heißt, dass die Kerne instabil werden und zerbrechen. Bei bestimmten Uran- und Plutoniumisotopen ist diese Spaltung sehr leicht durchzuführen. Außerdem wird bei der Kernspaltung mehr Energie frei als für diese benötigt wird. Die Uranisotope
Uran-235 und Uran-238 verhalten sich gegenüber Neutronenbeschuss unterschiedlich. Bei Uran-238 wird eine Spaltung nur sehr selten erreicht und wenn dann nur mit schnellen Neutronen Die Kerne des Uran-235 lassen sich dagegen viel einfacher und auch mit thermischen (langsamen) Neutronen spalten. Sobald ein langsames Neutron auf den Atomkern des Uran-235 trifft, wird es in den Kern aufgenommen. Darauf entsteht das dadurch angeregte Uran-236. Dieses besteht aber ungefähr nur 10-24 s. Der neu entstandene Kern versucht, in einen stabilen Zustand, d.h. Energetisch stabileren Zustand überzugehen. Die Spaltung kann man sich im Modell so vorstellen, dass nach dem Aufnehmen des Neutrons der Kern zu schwingen beginnt, sich ellipsenförmig verformt, hantelförmig einschnürt und letztlich in zwei mittelschwere Trümmerkerne sowie zwei bis drei Neutronen zerfällt. An der Stelle der Einschnürung berühren sich nur sehr wenige Nukleonen, sodass nur noch geringe Kernkräfte für den Zusammenhalt des Kerns zur Verfügung stehen. Die abstoßenden elektrischen Kräfte zwischen den Protonen werden zwar mit zunehmender Entfernung immer kleiner, bleiben aber insgesamt gesehen bestehen. Ab einem bestimmten Grad der Einschnürung überwiegen die Abstoßungskräfte und treiben die beiden Teile des Kerns auseinander. Außerdem überwiegt die Tendenz der Kernteilchen, sich zu kleineren Kernen zusammenzufügen, da dies energetisch günstiger ist.
Die bei der Kernspaltung frei werdende Kernenergie tritt hauptsächlich als Bewegungsenergie der Reaktionsprodukte und Wärme in Erscheinung. Bei einer Kernspaltung wird Masse in Energie umgewandelt. Das bedeutet:Bei der Kernspaltung weicht die Masse der Reaktionsprodukte nur minimal von der des Ausgangsstoffes ab.
Bei der Kernspaltung sind die Spaltprodukte nicht eindeutig festgelegt. In den meisten Fällen verhalten dich die Nukleonenzahlen der Spaltprodukte etwa wie 2:3. Es gibt auch Fälle, in denen nur zwei anstatt drei Neutronen entstehen.



2.4.Isotope und Kernfusion


Vom Periodensystem der Elemente wissen wir, dass jedes Element seinen bestimmten Platz und daran gebunden seine bestimmte Ordnungszahl hat. Diese ist identisch mit der Kernladungszahl und bestimmt die Eigenschaften des Atoms. Aber ist auch die relative Atommasse für die Eigenschaften des Atoms verantwortlich? Früher nahm man das selbstverständlich an, genau diese Annahme führte 1896 Dimitri Iwanowitsch Mendelejew und Lothar Meyer zum Periodensystem der Elemente. Sie ordneten die bis dahin bekannten Elemente nach steigender Massenzahl in einem System an, wo für noch unbekannte Atome Lücken blieben, die kurze Zeit später durch Neuentdeckungen gefüllt wurden. Heute weiß man, dass alle radioaktiven Zerfälle nur bei dem Element mit der Ordnungszahl 82 enden können,,das ist nach dem Periodensystem der Elemente Blei. Dabei unterscheiden sich die entstehenden Blaiatome untereinander durch ihre Massenzahl. Demnach existieren vom gleichen Element mehrere Kernarten. Diese verschiedenen Kernarten nennt man Isotope. Isotope sind Nuklide mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl. Isotope lassen sich durch herkömmliche chemische Mittel nicht voneinander trennen.



Bei der Fusion leichter Kerne (Kernverschmelzung) werden noch viel größere Mengen an Energie frei als bei der Kernspaltung. Kernfusionen funktionieren nur bei außergewöhnlich hohen Temperaturen und hohem Druck. Bei der Erzeugung von 1 kg Helium durch Fusion wird eine Energie von etwa 200 Millionen kWh frei. Dies entspricht der zehnfachen Menge an Energie, die bei Kernspaltung von Uran frei wird. Daraus wird sichtbar, dass eine technische Beherrschung von thermonuklearen Reaktionen von großer Bedeutung ist. Die technische Energiegewinnung durch Kernverschmelzung wurde bis heute von Physiker (ausgenommen bei einzelnen Kernen im Laboratorium) noch nicht gelöst. Trotzdem gehört diesem Verfahren zur Energiegewinnung die Zukunft. Das beste Beispiel für funktionierende Kernfusion ist unsere Sonne.



3.Friedliche und militärische Nutzung der Kernphysik


3.1.Die Atombombe


Es ist eines der schwärzesten Kapitel in der Geschichte der Physik, da kurz nach der Entdeckung der gewaltigsten Energiequelle, über die die Menschen je verfügten, zahlreiche Wissenschaftler in den USA nicht zögerten, diese in den Dienst der sinnlosen Menschenvernichtung zu stellen. Es war eine physikalische Meisterleistung, jedoch wurden auf barbarische und sinnlose Weise tausende von Menschen durch Explosionen und Spätfolgen getötet.
Die zuerst in den USA mit dem unvorstellbaren Aufwand von 2 Milliarden $ hergestellte Atombombe enthielt zwei oder mehrere größere Stücke von fast reinem Plutonium-239 bzw. Uran-235. Die Größe jedes einzelnen Teilstücks liegt unter der kritischen Masse. Sobald sich die einzelnen Stücke berühren, kommt es zur Explosion, da die kritische Masse des Stoffs überschritten wurde.



Von einer Warnung zur Waffe:
Kurz vor Beginn des 2. Weltkrieges schrieb Einstein einen Brief an den Amerikanischen Präsidenten Franklin D. Roosevelt, in dem er selbst und andere führende Wissenschaftler den Präsidenten auf das Voranschreiten der Forschungen auf dem Gebiet der Atomwaffenforschung von Nazi-Deutschland aufmerksam machten. Kurz darauf wurde von der amerikanischen Regierung das Manhattan-Projekt ins Leben gerufen, welches zum Ziel hatte selbst eine funktionierende Atombombe zu bauen. Ganze zwei Milliarden Dollar wurden in das Projekt investiert. Die brillantesten Physiker der damaligen Zeit arbeiteten daran, sie alle standen unter der Leitung eines einzigen Physikers:J. Robert Oppenheimer. Ihm war es zu verdanken dass das hochgesteckte Ziel der USA nach nur sechs Jahren erreicht wurde. Noch am Ende des 2. Weltkrieges sollte sich herausstellen ob der Mensch seine furchtbarste Waffe auch gegen andere Menschen einsetzen kann. Er konnte. Am 6. August 1945 wurde eine Uranbombe mit dem Spitznamen „Little Boy“ auf Hiroshima abgeworfen. Punkt 8.15 Uhr detonierte die Bombe, aus einem Flugzeug abgeworfen, 600 m über dem Erdboden. 66.000 Menschen wurden auf einen Schlag getötet, 69.000 verletzt. Selbst in 4 km Entfernung wurde noch alles Brennbare entzündet.
Am 9. August 1945 ereilte Nagasaki das gleiche Schicksal wie Hiroshima. Diesmal wurde eine Plutoniumbombe mit dem Spitznamen „Fat Man“ verwendet. Diese Bombe verfehlte zwar ihr vorher bestimmtes Ziel um 2,4 km trotzdem wurde die Hälfte der Stadt zerstört. 39.000 Menschen wurden getötet, über 25.000 verletzt.
Letztendlich müssen heute noch die Einwohner der beiden Städte Japans die Spätfolgen tragen: Fehlgeburten und strahlungsbedingte Krankheiten sind etwas „ganz Gewöhnliches“. So bleibt nur zu hoffen, dass beide Städte ein Mahnmal für die Menschheit bleiben, wo doch die heutigen Bomben ein tausend mal höheres Zerstörungspotential haben…


1. Verdampfungspunkt Alles wird durch die Detonation verdampft. Todesfälle: 98%, Überdruck: 1,7 bar, Windgeschwindigkeit: 515 km/h 2. Vollständige Zerstörung Alle oberirdischen Strukturen werden zerstört. Todesfälle: 90%, Überdruck=1,1 bar, Windgeschwindigkeit: 465 km/h 3. Schwere Beschädigungen durch die Druckwelle Fabriken und andere große Gebäude stürzen ein, Autobahnbrücken werden stark beschädigt, Flüße fließen manchmal rückwärts. Todesfälle: 65%, Verletzungsfälle: 30%, Überdruck: 0,6 bar, Windgeschwindigkeit: 420 km/h 4. Schwere Beschädigungen durch die Hitzewelle Alles Brennbare wird entflammt, Menschen im Einzugsbereich der Hitzewelle leiden wegen der großräumigen Brände an Sauerstoffmangel. Todesfälle: 50%, Verletzungsfälle: 45%, Überdruck=0,4 bar, Windgeschwindigkeit: 225 km/h 5. Schwere Beschädigungen durch Feuer und Wind Ortsfeste Strukturen werden schwer beschädigt, Menschen werden durch die Luft gewirbelt, die meisten Überlebenden erleiden Verbrennungen 2. und 3. Grades. Todesfälle: 15%, Verletzungsfälle: 50%, Überdruck=0,2 bar, Windgeschwindigkeit: 160 km/h





3.2.Aufbau eines Kernreaktors


Die Wärme, die in einem Kernreaktor entsteht, wird durch kontrollierte Kernspaltung erzeugt. Kernspaltung entsteht, wenn sich ein spaltfähiger Atomkern ein Neutron - mit n bezeichnet - einfängt und sich daraufhin die Elektronen und Protonen so anordnen, dass zwei Tochterkerne entstehen.
n + Uran-235-----Tochterkern 1 + Tochterkern 2 + n + n ( + n)
Bei der Reaktionen werden meist 2-3 Neutronen freigesetzt die von den Tochterkernen nicht aufgenommen werden konnten. Direkt nach der Reaktion besitzen die Spaltneutronen eine recht hohe Energie von 1 MeV (Megaelektronenvolt), dies bedeutet, dass die Neutronen relativ schnell sind. Eine Kernspaltung mit hoher Effizienz gelingt aber nur dann, wenn die Neutronen langsam sind. Diese langsame Geschwindigkeit entspricht ungefähr 0,03 eV (Elektronenvolt), die Energie, die die Neutronen schon allein aufgrund ihrer Umgebungstemperatur besitzen. Neutronen dieser Energie bezeichnet mal daher als thermische Neutronen. Geleistet wird die notwendige Abbremsung von einem sogenannten Moderator, welcher in Druckwassergeneratoren schweres Wasser ist. Bei Kernreaktoren wird der Reaktor so gebaut, dass, wenn der Reaktor aus dem kalten hochgefahren wird, etwas mehr als ein Neutron weitere Kernspaltungen erzeugen. So steigt die Spaltungsrate kontrolliert an, trotzdem wird Wärme in ausreichenden Mengen erzeugt. Sobald die Wärmeleistung einen genügenden Wert erreicht hat, wird pro Spaltung genau nur noch eine weitere erreicht. Die oben genannten Zeitspannen unterliegen natürlich Schwankungen. Diese Schwankungen resultieren aus der Kritikität, welche in einigen Teilbereichen des Reaktors größer als eins sein kann. Das bedeutet, dass die Tochterkerne mit zunehmender Betriebsdauer immer mehr Neutronen einfangen, was dazu führt, dass die Kritikalität mit zunehmender Verweildauer der Brennelemente im Reaktor langsam abnimmt. Neutronenabsorbierende Zerfallsprodukte bei Kernreaktionen werden Reaktorgifte genannt, weil sie den Neutronenhaushalt im Reaktor nachteilig beeinflussen. Weitere Schwankungen oder Einflüsse entstehen durch die Absorberstäbe, welche an verschiedenen Stellen in den Reaktorkern zwischen die Brennelemente hineingefahren werden können. Diese Absorber sind mit Cadmium ausgestattet und dienen dem „Einfangen“ von Neutronen, die dadurch nicht mehr zu Kernspaltung zur Verfügung stehen. Je tiefer die Absorberstäbe also in den Kern des Reaktors hineingefahren werden, umso geringer wird die Kritikalität und die Leistung nimmt ab. Sobald die Absorberstäbe wieder weiter herausgefahren werden, nimmt die Kritikalität des Reaktors zu und die Wärmeleistung steigt wieder.


Tschernobyl:
Am Montag, dem 28. April 1986, 9.00 Uhr, maßen Techniker im schwedischen Atomkraftwerk Forsmark, 100 km nördlich von Stockholm, abnorm hohe Strahlenwerte. Der Reaktor wurde daraufhin überprüft und es stellte sich heraus, dass dieser Reaktor keine Lecks besaß. Und doch registrierten Geigerzähler bei den rund 600 Beschäftigten des Kraftwerks und bei Boden- und Pflanzenproben aus der Umgebung der Anlage Werte, die um das 14fache über dem Normalwert lagen. Bald trafen aus anderen Gebieten Skandinaviens ähnliche Befunde ein. Damit stand fest: Irgendwo mussten riesige Mengen Radioaktivität in die Atmosphäre entwichen sein.

Der Wind kam aus Südost - von der Sowjetunion. Die Skandinavier ersuchten Moskau um eine Erklärung, erhielten aber nur ausweichende Antworten. 12 Stunden nach dem Vorfall in Forsmark sendete das Moskauer Fernsehen eine knappe Erklärung des Ministerrates der UdSSR: "Im Atomkraftwerk Tschernobyl hat sich ein Unfall ereignet. Ein Reaktor wurde beschädigt. Maßnahmen zur Beseitigung der Unfallfolgen werden unternommen. Den Geschädigten wird geholfen. Eine Regierungskommission ist gebildet worden." Mit dieser eher ungenauen Nachricht begann für viele Europäer wohl das schwerste Problem der Atomenergie aller Zeiten. Der Atomkraftwerk-Komplex Tschernobyl liegt am Fluss Pripjat, 130 km nordwestlich von Kiew. Das Atomkraftwerk Tschernobyl war mit zwei Reaktorpaaren vom Typ RBMK-1000 ausgestattet. Eine dritte Doppelblockanlage befand sich im Bau.

Der RBMK ist ein graphitmoderierter Druckröhren-Siedewasserreaktor mit einer elektrischen Leistung von 1000 MW. Der Uranbrennstoff wird durch Wasser gekühlt. Dabei wird Dampf erzeugt, der zwei Turbinen mit jeweils 500 MW Leistung antreibt. Die Brennstäbe sind in einem Graphit-Moderator eingeschlossen, der die schnellen Neutronen bremst und so die Atomare Kettenreaktion aufrecht erhält. Am Nachmittag des 25. April begann die Bedienungsmannschaft, während einer planmäßigen Abschaltung von Block 4 eine der mächtigen 500-MW-Turbinen zu testen. Der Test sollte erweisen, ob die Turbine, die den stromerzeugenden Generator antrieb, nach der Notabschaltung noch so lange weiterdrehte, dass die Anlage in den entscheidenden 45 Sekunden bis zum Anlaufen der dieselbetriebenen Notstromaggregate ausreichend mit Strom versorgt wurde. Die Bedienungsmannschaft fuhr die Reaktorleistung auf 50% der Nennleistung herunter und setzte das Notkühlsystem außer Betrieb.

Um 14.00 Uhr fragte der Kontrollbeamte des Kiewer Versorgungsnetzes an, ob bis 23.10 weiter Strom geliefert werden könne. Das Personal in Tschernobyl war einverstanden, versäumte es aber, nach 23.10 das Notkühlsystem wieder einzuschalten. Die Techniker fuhren die Reaktorleistung auf 1% der Nennleistung herunter und damit weit unter das Niveau, wie es für das Experiment erforderlich war. Dann zogen sie den Großteil der Steuerstäbe heraus und schalteten weitere wichtige Sicherheitssysteme ab. Diese elementaren Verletzungen der Sicherheitsvorschriften hatten zusammen bewirkt, dass der Reaktorblock 4 am 26. April, 1.23 Uhr, instabil geworden war. Die Reaktorleistung stieg und damit verloren die Techniker die Kontrolle über den gesamten Block 4. Eine Minute später kam es in einem Teil des Reaktors zu einer prompt überkritischen Leistungsexplosion. Innerhalb von vier Sekunden erreichte Block 4 das 100fache der Nennleistung - möglicherweise stand er kurz vor der atomaren Explosion. In einigen Brennstäben schmolz das Uran und brachte das Kühlwasser zum Verdampfen. Dies verursachte eine Dampfexplosion. Die 1000 Tonnen schwere Abdeckung von Block 4 flog weg. Brennende Trümmer des Reaktors prasselten auf umliegende Gebäude nieder. An mehr als 30 Stellen entstanden Brände. Dann reagierte Wasser mit dem glühend heißen, 1700 Tonnen schweren Graphit-Block. Dabei bildete sich hoch explosiver Wasserstoff. Es kam zu einer zweiten Explosion, die radioaktive Trümmer und Radionuklide anderthalb Kilometer in den Himmel schleuderte.

Um das Feuer zu ersticken und eine weitere Freisetzung von Radioaktivität zu verhindern, warf man von Hubschraubern mehr als 5000 Tonnen Blei, Bor und andere Materialien über dem offenen Kern ab. Einunddreißig Feuerwehrleute und Beschäftigte des Kraftwerks kamen an diesem Tag aufgrund schwerer Strahlenverbrennungen ums Leben. Und es sollten noch viele folgen. Die erste Katastrophe war damit zwar abgewendet, doch die Probleme der sowjetischen Behörden waren damit noch längst nicht gelöst. Am 1. Mai begann die Temperatur des atomaren Brennstoffes wieder zu steigen und erreichte einen Spitzenwert von 20000 C (Ursache war der radioaktive Zerfall der atomaren Spaltprodukte, die im beschädigten Reaktor verblieben waren). Um dieses Problem zu lösen wurde gasförmiger Stickstoff unter hohem Druck in den Bereich unter dem Reaktor geblasen.

Am 6. Mai sank die Temperatur. Als auch diese Gefahr gebannt war, begann man mit dem "Einsargen" des Reaktors. Ein Trupp von Bergleuten bekam die Aufgabe, unter dem Block 4 einen Betonsockel anzulegen. Damit sollte verhindert werden, dass der heiße Kern ein Loch durch das Fundament des Reaktors fraß. Vierhundert Männer trieben in 3-Stunden-Schichten einen 168m langen Tunnel unter den Reaktor und kleideten ihn mit Stahlbeton aus. Bis zum 24. Juni hatten sie den monolithischen Betonsockel gegossen. Dann nahm man den Bau einer riesigen "Grabkammer" in Angriff, mit der die Anlage langfristig eingesargt werden sollte. Die gigantische Konstruktion aus über 7000 Tonnen Stahl und 410000 Kubikmetern Beton wurde im November 1986 fertiggestellt. Nach einer Meldung der sowjetischen Zeitung Iswestija kostet die Katastrophe von Tschernobyl allein die Sowjetunion 12 Milliarden Euro, und die Kosten steigen weiter. Das Blatt spricht von dem "vielleicht teuersten Unfall auf unserem Planeten". Ein Blick in die Statistiken zeigt, in welchem Ausmaß Block 4 das Land verseucht und Menschenleben bedroht hat: - 1000 km² Land um Tschernobyl waren bis zu einem gewissen Grad kontaminiert - 135000 Menschen und 86000 Stück Vieh wurden aus der 30-Kilometer-Zone um den Reaktor evakuiert - eine Kolonne aus 1216 Omnibussen und 300 Lastwagen zog sich über 15 km hin - 60000 Gebäude in 500 Gemeinden mussten dekontaminiert werden - in Kiew wurden als Vorsichtsmaßnahme 400 Brunnen gebohrt, welche die Wasserversorgung sichern sollten, zusätzlich wurden noch 6 km lange Wasserleitungen verlegt. Einer sowjetischen Schätzung zufolge ging die Hälfte des Fallouts von Tschernobyl im Umkreis von 35 km um den Reaktorkomplex nieder. Die andere Hälfte verteilte sich weltweit auf 20 Länder. Die Trümmer und Radionuklide, die durch die Explosion und das Feuer in die Atmosphäre geschleudert wurden, bildeten eine Wolke, die am 26. und 27. April über Litauen und Lettland hinwegzog und dann vorübergehend zum Stillstand kam. Anschließend wehten die vorherrschenden Winde Teile der Wolke nach Mittelskandinavien, nach Ost, West- und Südeuropa (30. April) sowie nach Großbritannien und Irland (2./3. Mai). Später wurde auch in so entfernten Gebieten wie der Arabischen Halbinsel, Sibirien und Nordamerika erhöhte Strahlung registriert.

Da der radioaktive Niederschlag auf dem europäischen Kontinent von Region zu Region recht unterschiedlich ausfiel, setzten die einzelnen Länder Grenzwerte fest, die erheblich voneinander abwichen. So schwankte die zulässige Höchstdosis für radioaktives Jod-131 in der Milch zwischen 20 Bq/l in Hessen und 2000 Bq/l in Frankreich. Ähnliches galt für die Ratschläge, die ausgegeben wurden. Während deutsche Stellen versicherten, dass die Milch im Gegensatz zu Gemüse sicher sei, wurde den Italienern empfohlen, auf Milch zu verzichten und alle Kaninchen zu erschießen. Die Franzosen wiederum erfuhren fast gar nichts. Achtzehn Monate nach Tschernobyl "empfahl" die Europäische Gemeinschaft Grenzwerte von 500 Bq/kg. Die Verseuchung Europas durch Tschernobyl begann erst knapp 2 Jahre nach dem Unfall allen richtig klar zu werden. So gab im Herbst 1988 das Umweltministerium München bekannt, dass man bei Waldpilzen in Süddeutschland bis zu 11400 Bq/kg festgestellt habe. Das Institut verglich es so, dass wenn man diese Pilze esse, man "Russisches Strahlenroulette spiele". Marvin Goldman, Professor an der University of California, verglich sowjetische Daten mit Werten, die außerhalb der damaligen UdSSR gemessen worden waren, speiste sie in ein Computermodell ein und fand heraus, dass Anteile von Cäsium-137 dreimal höher waren, als zuvor angenommen. Nach Goldmans Berechnungen ging ungefähr 1/3 in der Sowjetunion nieder, wiederum 1/3 im übrigen Europa und das letzte 1/3 in die nördliche Hemisphäre. Goldman teilte die neuen. Höheren Strahlenwerte durch einen daraus entstandenen neuen Risikofaktor und gelangte zu erschreckenden Ergebnissen: Danach beliefe sich die Zahl der durch Tschernobyl verursachten Krebsopfer weltweit auf 40000, "nur" 12000 davon wären Sowjetbürger, rund 21000, also mehr als die Hälfte, Europäer. Selbst wenn Goldmans düstere Prognose zutrifft, werden Europa und die Sowjetunion noch glimpflich davongekommen sein: Kiew und seine 2,5 Millionen Einwohner entgingen der radioaktiven Wolke; erst als sie Schweden erreichte, regnete es, Polen und die Sowjetunion blieben also zuerst verschont. Nach damaligen Angaben gelangte nur ein kleiner Teil des radioaktiven Inventars von Block 4 in die Umwelt, die anderen Reaktorblöcke wurden zum Glück nicht in Mitleidenschaft gezogen. Der Unfall von Tschernobyl löste neben einigen schnellen politischen Handlungen auch überlegte Handlungen aus, wie z.B. die auch unter schnellen politischen Handlungen stehenden Konventionen der IAEA. Auch wenn dort die Bemerkung "hastig" dabeisteht, war dies doch ein wichtiger Schritt zur Atomaren Sicherheit in Europa. - In Schweden erzwangen Atomgegner ein Referendum über einen stufenweisen Ausstieg aus der Kernenergie - In Österreich gab die Regierung Pläne bekannt, das erst kürzlich fertiggestellte und noch nicht in Betrieb genommene Atomkraftwerk Zwentendorf zu demontieren. 

Zehn Monate nach Tschernobyl zerbrach die rot-grüne Koalitionsregierung in Hessen, weil sich die beiden Partner nicht über die Zukunft einer Atomfabrik in Hanau einigen konnten. - Im blockfreien Jugoslawien wurden Forderungen nach einem Ausstieg aus der Kernkraft laut. Am 19.Februar 1987 legte man den einzigen in Betrieb befindlichen Reaktor endgültig still - nach seiner 36. Notabschaltung innerhalb von 6 Jahren - Einen Monat nach der Sondertagung der IAEA wegen des Reaktorunfalls in Tschernobyl einigten sich die Teilnehmer der IAEA-Jahreskonferenz im September 1986 auf eine hastig entworfene Konvention über die frühzeitige Information bei Reaktorunfällen. Sie verpflichtet die Unterzeichnerstaaten, im Falle eines nuklearen Unfalls im zivilen oder militärischen Bereich, andere Staaten, die von den Auswirkungen des Unfalls betroffen werden könnten, sowie die IAEA unverzüglich zu informieren. Bis März 1989 hatten bereits rund 70 Nationen die Konvention unterschrieben. Allerdings enthält die Konvention keine genaue Definition, was genau als Unfall bezeichnet wird. Somit bleibt es strittig, ob Unfälle, bei denen weniger Strahlung freigesetzt wird als in Tschernobyl, meldepflichtig sind.

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