Künstliche Kernumwandlung

Künstliche Kernumwandlung
Künstliche Radioaktivität
Beschießt man geeignete Atome mit Neutronen, so kann man Kernumwandlungen
erzwingen. Neutronen eignen sich dazu besonders gut, da sie keine elektrische Ladung
aufweisen und sich so dem Kern leicht nähern können. Die Neutronen dürfen dabei nicht zu
schnell sein. So genannte langsame Neutronen (thermische Neutronen) (Ekin < 10 eV)
lassen sich aus schnellen Neutronen erzeugen, wenn sie in einem Moderator (z.B. Wasser
oder Graphit) abgebremst werden. Durch solche erzwungenen Kernumwandlungen
entstehen auch radioaktive Isotope, die in der Natur nicht existieren. Man spricht von
künstlicher Radioaktivität.
Kernenergie
K
e
i
n
P
r
ü
f
u
n
g
s
s
t
o
f
f
Die Bindungsenergie von Atomkernen ist millionenfach höher als die Energien, die in der
Elektronenhülle auftreten. Das heißt: Bei der Bildung von Atomkernen aus Protonen und
Neutronen wird äußerst viel Energie frei. Dazu müssen sich die Teilchen aber erst sehr nahe
(d < 10-15 m) kommen, wozu wegen der elektrischen Abstoßung Energie erforderlich ist.
Die Masse eines Atomkerns ist etwas geringer als die Summe der Massen der in ihm
enthaltenen Protonen und Neutronen (Massendefekt). Die freiwerdende Energie folgt damit aus
der berühmten Formel E = mc2 von Albert Einstein.
Die Bindungsenergie pro Nukleon ist bei verschiedenen Elementen sehr unterschiedlich. Sie
steigt vom Wasserstoff aus stark an und erreicht beim Eisen ihr Maximum. Dann fällt sie wieder
ab.
Damit ergeben sich drei Möglichkeiten zur Freisetzung von
Kernenergie:
1.
Zusammensetzen von Kernen aus einzelnen
Protonen und Neutronen (technisch nicht möglich)
2.
Zusammensetzen eines Atomkerns mit einer
Ordnungszahl Z < 56 (Fe) aus zwei Kernen
geringerer Ordnungszahl (Kernfusion)
3.
Spaltung eines Kerns hoher Ordnungszahl (Z > 56) in
zwei Kerne geringerer Ordnungszahl (Kernspaltung)
Die Einheit 1MeV für die Energie wird in der Kernphysik statt dem sonst üblichen 1J verwendet.
1eV = 1,6022 ⋅ 10 − 19 C ⋅ 1 V = 1,6022 ⋅ 10 − 19 J .
(e ist die Elementarladung eines Elektrons oder Protons: e =  1,6022 ⋅ 10 − 19 C )
E = 1 ⋅ 10 − 3 ⋅ 9 ⋅ 10 16 J = 9 ⋅ 10 13 J
MJ
Steinkohle besitzt einen Heizwert von 30
. Um 9 ⋅ 10 13 J freizusetzen,
kg
Beispiel für E = mc2: m = 1g, dann ist
9 ⋅ 10 13 J
= 3 ⋅ 10 6 kg
J
muss man also
= 3 000 000 kg Kohle verbrennen.
30 ⋅ 10 6
kg
Kernfusion (Kernverschmelzung)
Die Sonne, die vollständig aus Wasserstoff und Helium besteht, bezieht ihre Energie aus der
Verschmelzung (Fusion) von Deuteriumkernen 21H zu Heliumkernen 42 He . Da die
Bindungsenergie von Helium wesentlich höher als die des Deuteriums ist, wird bei der
Fusion die Energiedifferenz freigesetzt.
2
1H
+
2
1H
→
4
2 He
+
Energie
Damit dieser Prozess eintritt müssen sich die Kerne aber sehr nahe kommen, wobei die
wechselseitige elektrische Abstoßung zu überwinden ist.
Dies kann einerseits durch die thermische Bewegung der Kerne geschehen, wie es im
Inneren von Sternen der Fall ist (Temperatur in der Sonne ≈ 2 ⋅ 10 7 °C), oder andererseits,
indem man Deuteriumkerne mit hohen Geschwindigkeiten aufeinander schießt.
Beide Möglichkeiten erfordern einen großen Energieaufwand, sodass eine technische
Nutzung der Kernfusion bisher noch nicht möglich ist.
In der Zukunft könnte die Kernfusion aber möglicherweise eine wichtige Energiequelle sein,
da der Vorrat an Deuterium in den Weltmeeren fast unerschöpflich ist.
Kernspaltung
Im Jahr 1939 entdeckten die beiden deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Straßmann,
dass der Kern des Isotops U 235 beim Beschuss mit langsamen Neutronen in zwei
Teilstücke zerbrach und zwar in einen Barium- und einen Kryptonkern. Bei der Spaltung
wurden außerdem zwei bis drei Neutronen und ein Teil der Kern-Bindungsenergie (ca. 200
MeV) frei.
Es können bei der Spaltung von U 235 aber auch andere Kerne entstehen wie z.B. La und
Br, Se und Ce oder Sr und Xe.
Kei
n
Pr
üfu
ng
sst
off
Bei der Spaltung eines Kerns (Z > 56) entstehen Bruchstücke (Zwei Kerne + Neutronen), die
zusammen eine kleinere Masse haben als der Ausgangskern. Die Energie E = mc2 des
Massendefekts wird dabei frei. ( → Temperaturerhöhung).
Die Kernkräfte können wegen ihrer geringen Reichweite die Bruchstücke nicht mehr
zusammenhalten. Dann fliegen diese wegen ihrer elektrischen Abstoßung mit hoher
Geschwindigkeit auseinander. Ihre kinetische Energie verwandelt sich im Gitter des Urans in
innere Energie ( → Temperaturerhöhung).
Die bei der Spaltung
ihrerseits wieder neue Kerne
Neutronen freiwerden, die
Die Spaltung setzt sich
Spaltungen:
freiwerdenden zwei bis drei Neutronen können
spalten, wobei wieder jeweils zwei bis drei
wieder neue Kerne spalten usw.
lawinenartig durch das ganze Uranstück fort.
20
21
22
23
24
… 2n
Man spricht in diesem Fall von einer Kettenreaktion.
Eine Kettenreaktion tritt ein, wenn Neutronen von spaltbaren Atomkernen
aufgenommen und bei der Spaltung zwei oder mehr neue Neutronen freigesetzt
werden.
Wird die Kettenreaktion nicht kontrolliert, so wird innerhalb kürzester Zeit eine ungeheure
Energie frei → Atombombe.
In Kernkraftwerken wird die Kettenreaktion kontrolliert. Dazu wird ein Teil der frei werdenden
Neutronen abgefangen, sodass die Kettenreaktion zwar aufrecht erhalten wird aber eine
konstante Energie abgibt.
Eine Kettenreaktion lässt anschaulich mithilfe eines Dominoeffekts darstellen:
Jede Spaltung erzeugt 2 neue Spaltungen.
Die Anzahl der Spaltungen S nach n Zerfällen ergibt sich aus
S = 2n
Merke die Begriffe:
künstliche Radioaktivität, Moderator, lawinenartige
Kettenreaktion, kontrollierte Kettenreaktion