Nehmen Sie ein schweres Atom wie Uran oder Plutonium. Schlage es mit einem Neutron. Schau zu, wie es knackt.
Diese Spaltung ist Kernspaltung. Es handelt sich nicht um eine chemische Reaktion. Es ist etwas viel Gewalttätigeres und Energischeres. Der Kern teilt sich in zwei etwa gleich große Fragmente. Schwere Stücke. Radioaktive Nebenprodukte. Aber die wahre Geschichte sind nicht die Trümmer. Es ist die Energie.
Beim Zerfall des Atoms wird eine enorme Energiemenge freigesetzt.
Dieser Prozess ist der Motor hinter Kernkraftwerken. Es ist auch der Mechanismus hinter Atomwaffen. Der Unterschied liegt in der Kontrolle. Man erzeugt eine außer Kontrolle geratene Kettenreaktion. Der andere hält einen gleichmäßigen, beherrschbaren Puls aufrecht.
Die Mechanismen der Spaltung
Warum wird durch die Spaltung eines Atoms Energie freigesetzt? Die Antwort liegt im Massendefekt.
Die Gesamtmasse der beiden Fragmente ist etwas geringer als die des ursprünglichen Kerns. Diese fehlende Masse verschwindet nicht. Es wird direkt in Energie umgewandelt. Die Gleichung von Albert Einstein, E=mc², erklärt diese Umrechnung. Ein winziges Stück Masse liefert eine kolossale Menge an Energie, weil das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit eine so große Zahl ist.
Die Bruchstücke fliegen auseinander. Sie tragen kinetische Energie. Sie prallen auf umliegende Atome. Hitze steigt. Dampf dreht Turbinen. Strom fließt.
Kontrolle der Kettenreaktion
Die Spaltung geschieht nicht isoliert. Durch den Spaltungsprozess werden häufig zusätzliche Neutronen freigesetzt. Diese Neutronen können andere Uranatome treffen. Diese Atome spalteten sich. Sie setzen mehr Neutronen frei.
Das ist eine Kettenreaktion.
Wenn keine Kontrolle erfolgt, beschleunigt sich die Reaktion exponentiell. Das ist eine Bombe. Bei kontrollierter Reaktion bleibt die Reaktion stabil. Das ist ein Reaktor.
In den Kern werden Steuerstäbe aus neutronenabsorbierenden Materialien wie Bor oder Cadmium eingesetzt. Sie absorbieren überschüssige Neutronen. Sie verlangsamen die Reaktion. Der Bediener stellt diese Stäbe ein, um das gewünschte Leistungsniveau aufrechtzuerhalten.
Warum es heute wichtig ist
Die Kernspaltung liefert einen erheblichen Teil des weltweit kohlenstoffarmen Stroms. Es läuft zuverlässig. Im Gegensatz zu Sonne oder Wind ist es nicht vom Wetter abhängig. Im Betrieb entstehen keine direkten CO2-Emissionen.
Der Abfall bleibt jedoch bestehen. Die radioaktiven Fragmente der gespaltenen Atome bleiben über Tausende von Jahren gefährlich. Lagerung und Entsorgung sind ständige Herausforderungen. Die Technologie ist leistungsstark. Es ist auch äußerst komplex.
Jenseits der Energie
Bei der Kernspaltung geht es nicht nur um Kraftwerke. Medizinische Isotope werden häufig in Reaktoren hergestellt. Diese Isotope helfen bei der Diagnose und Behandlung von Krankheiten. Krebstherapien basieren auf präzisen Strahlungsquellen. Einige stammen aus Spaltungsnebenprodukten.
Die Wissenschaft ist im Konzept einfach. Einen schweren Kern spalten. Holen Sie sich Energie. Bei der Anwendung übernimmt die Komplexität. Sicherheit, Verschwendung und Politik verkomplizieren das Bild.
Die Physik ändert sich nicht. Die Konsequenzen tun es.
Mit fortschreitender Technologie zielen neue Reaktordesigns auf mehr Effizienz und Sicherheit ab. Kleine modulare Reaktoren versprechen eine günstigere, skalierbare Leistung. Die Fusionsforschung bietet einen völlig anderen Weg: Sie kombiniert Atome statt sie zu spalten. Aber die Kernspaltung bleibt ein Eckpfeiler der aktuellen Energielandschaft.
Wir verlassen uns darauf. Wir fürchten es. Wir schaffen es.
Das Atom spaltet sich. Die Energie fließt. Die Frage ist nicht, ob wir das schaffen. Es geht darum, ob wir es klug machen können.
Wie Kernspaltung tatsächlich funktioniert
Es beginnt mit einer Spaltung. Bei der Kernspaltung zerfällt der Kern eines Atoms in zwei leichtere Kerne. Das passiert nicht nur zum Spaß. Manchmal geschieht es spontan. Häufiger muss man das Problem erzwingen.
Sie können den Bruch mit Teilchen wie Neutronen, Protonen, Deuteronen oder Alphateilchen herbeiführen. Gammastrahlen funktionieren auch.
Sobald dieser Kern platzt, ist die Auszahlung enorm.
Energie wird in großen Mengen freigesetzt. Es bilden sich sofort radioaktive Produkte. Mehrere Neutronen fliegen ins Leere.
Und hier ist der Clou. Diese freigesetzten Neutronen? Sie driften nicht einfach ab. Sie treffen nahegelegene Kerne aus spaltbarem Material. Dort wird eine Spaltung induziert. Noch mehr Neutronen werden freigesetzt.
Die Sequenz wiederholt sich. Es kommt zu einer Kettenreaktion. Kerne werden in Scharen gespalten. Eine enorme Energiemenge explodiert nach außen.
Kontrollierte Macht vs. unkontrollierte Zerstörung
Bringen Sie diese Kettenreaktion unter Kontrolle. Tun Sie es in einem Kernreaktor. Du bekommst Macht. Saubere, dichte Energie zum Nutzen der Gesellschaft.
Mach es falsch. Oder tun Sie es mit Absicht. Wie bei einer Atombombe. Das Ergebnis ist eine Explosion unglaublicher zerstörerischer Kraft.
Die gleiche Physik. Gegensätzliche Ergebnisse. Man ernährt Städte. Der andere gleicht sie aus.
Das Atomzeitalter und seine Komplikationen
Die Entdeckung der Kernspaltung leitete eine neue Ära ein. Das Atomzeitalter.
Sein Potenzial für Gut oder Böse hat alles geprägt. Soziologische Veränderungen. Politische Umbrüche. Wirtschaftsbooms. Wissenschaftliche Sprünge.
Es brachte auch große Bedenken mit sich. Das Risiko-Nutzen-Verhältnis ist nicht einfach. Es ist eine ständige Gratwanderung.
Auch aus rein wissenschaftlicher Sicht bleibt die Kernspaltung komplex. Es stellt Rätsel dar. Theoretische Erklärungen sind unvollständig. Wir verstehen die Mechanik besser als das Gesamtbild.
Wir wissen, wie man das Atom spaltet.
Wir sind immer noch dabei, herauszufinden, was es wirklich bedeutet, diese Macht zu besitzen.
Das Wort „Spaltung“ wurde erst 1939 erfunden. Die deutschen Physiker Lise Meitner und Otto Frisch prägten den Begriff, um einen schweren Kern zu beschreiben, der sich in zwei leichtere, etwa gleich große Kerne aufspaltet. Es war das Ende einer chaotischen wissenschaftlichen Saga und der Beginn einer intensiven Forschungsphase.
Die wahre Geschichte begann früher. James Chadwick entdeckte das Neutron 1932 in England. Enrico Fermi und sein Team in Italien begannen bald, Elemente mit diesen neutralen Teilchen zu beschießen. 1934 bemerkten sie etwas Seltsames. Durch den Beschuss von Uran mit langsamen Neutronen entstanden vier verschiedene radioaktive Spezies. Sie emittierten Betateilchen. Wissenschaftler glaubten, Transurane mit den Ordnungszahlen 93, 94 oder höher gefunden zu haben.
Radiochemiker strömten herbei, um diese neuen Isotope zu untersuchen. Die Ergebnisse waren verwirrend. Die Verwirrung dauerte bis 1939.
Otto Hahn und Fritz Strassmann in Deutschland bewiesen endgültig, dass es sich bei diesen „transuranischen“ Elementen tatsächlich um Barium, Lanthan und andere Elemente des mittleren Periodensystems handelte. Sie folgten einem Hinweis von Irène Joliot-Curie und Pavle Savić in Frankreich.
Ida Noddack hatte 1934 vorgeschlagen, dass sich aus schweren Kernen leichtere Elemente bilden könnten. Die Idee wurde ignoriert. Es stellte die anerkannte Kernphysik in Frage und es fehlten chemische Beweise. Hahn und Strassmann lieferten den Beweis.
Meitner und Frisch nutzten das Flüssigkeitstropfenmodell, um den Prozess zu erklären. Sie wiesen auf die massive Energiefreisetzung hin. Labore weltweit bestätigten die Reaktion. Innerhalb eines Jahres wurde der Prozess in über 100 Artikeln beschrieben.
Die chemischen Beweise, die Hahn und Strassmann so entscheidend zur Entdeckung der Kernspaltung führten, wurden durch den Einsatz von Träger- und Markierungstechniken gewonnen.
Wie Wissenschaftler Spaltprodukte identifizierten
Die chemischen Techniken waren entscheidend. Es entstanden unsichtbare Mengen radioaktiver Spezies. Wissenschaftler leiteten ihre Identität ab, indem sie verfolgten, wie sie sich mit bekannten Trägerelementen bewegten.
Sie fügten bekannte radioaktive Tracer hinzu. Sie verglichen das Verhalten, um die Unbekannten zu identifizieren. Diese radiochemischen Methoden haben seitdem 34 Elemente aus der Spaltung isoliert. Die Spanne reicht von Zink (Ordnungszahl 30) bis Gadolinium (Ordnungszahl 64).
Das breite Spektrum an Radioaktivitäten macht die Kernspaltung zu einer ergiebigen Quelle für Tracer. Diese werden in chemischen, biologischen und industriellen Anwendungen eingesetzt.
Welche Isotope die Spaltung verursachen und warum sie wichtig ist
Frühe Experimente verwendeten gewöhnliches Uran. Es wurde schnell festgestellt, dass Uran-235 dafür verantwortlich war. Es spaltet mit langsamen Neutronen.
Uran-238 kommt häufiger vor. Für die Spaltung sind schnelle Neutronen mit einer Energie von mehr als 1 MeV erforderlich. Auch Thorium- und Protaktiniumkerne spalten sich mit schnellen Neutronen.
Andere Partikel funktionieren auch. Schnelle Protonen, Deuteronen und Alphas lösen die Reaktion aus. Gammastrahlen sind ebenfalls wirksam.
Die Erfindung des Kernreaktors
Im Jahr 1939 stellten Frédéric Joliot-Curie, Hans von Halban und Lew Kowarski fest, dass bei der Uran-235-Spaltung mehrere Neutronen emittiert wurden. Dies deutete auf eine sich selbst tragende Kettenreaktion hin.
Fermi und seine Mitarbeiter erkannten das Potenzial. Sie erkannten die Kraft einer kontrollierten Reaktion. Am 2. Dezember 1942 gelang es ihnen.
Sie betrieben den ersten Kernreaktor der Welt. Es wurde „Haufen“ genannt. Es bestand aus Uran- und Graphitblöcken. Es wurde auf dem Campus der University of Chicago errichtet.
Es folgte das Manhattan-Projekt. Es war eine geheime Anstrengung. Es entwickelte die Atombombe, nachdem die USA in den Zweiten Weltkrieg eingetreten waren.
Als der Krieg endete, verlagerten sich die Bemühungen. Wissenschaftler entwickelten neue Reaktortypen. Sie strebten eine groß angelegte Stromerzeugung an. Dies war die Geburtsstunde der Atomindustrie.
Die Grundlagen des Spaltprozesses waren nun klar. Die Technologie hatte sich von der Theorie zur Realität entwickelt. Die Auswirkungen auf Energie und Kriegsführung waren unmittelbar. Die Welt veränderte sich 1934 auf eine Weise, die nur wenige hätten vorhersagen können.
Das Geheimnis der Kernspaltung ist keine Zauberei. Es ist strukturell. Man muss sich ansehen, wie Kernmaterie aufgebaut ist. Und wie stabil es ist.
Kerne bestehen aus Nukleonen. Das ist einfach das schicke Wort für Protonen und Neutronen. Die Gesamtzahl dieser Teilchen ist Ihre Massenzahl. Ganz einfach. Aber hier wird es seltsam. Die tatsächliche Masse eines Kerns ist immer kleiner als die Summe seiner Teile. Wenn man alle freien Neutronen und Protonen einzeln wägen würde, würden sie mehr wiegen als der Kern, den sie erzeugt haben.
Der Unterschied zwischen diesen beiden Gewichten ist der Massendefekt. Und diese fehlende Masse? Es ist nicht verschwunden. Es wurde Energie.
Einsteins Gleichung erklärt dies. E = mc 2. Energie ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat. Es ist eine enorme Conversion-Rate. Dieser Massendefekt ist ein direktes Maß für die Bindungsenergie. Das ist im Grunde der Kleber, der den Kern zusammenhält.
Stellen Sie es sich so vor. Wenn sich ein Kern bildet, setzt er Energie frei. Man muss die gleiche Energiemenge wieder einsetzen, um es auseinanderzubrechen. Um es in einzelne Nukleonen zu zerlegen. Je höher die Bindungsenergie, desto stabiler ist der Kern. Umso schwieriger ist es, sie auseinanderzuziehen.
„Der Unterschied wird als Massendefekt bezeichnet und ist ein Maß für die gesamte Bindungsenergie (und damit die Stabilität) des Kerns.“
Diese Stabilität ist wichtig. Denn wenn der Kern instabil ist, könnte er spalten. Fission. Wenn es stabil ist, sitzt es dort. Warten.
Die bei der Bildung freigesetzte Energie ist die gleiche Energie, die Sie aufbringen müssten, um sie zu zerstören. Es ist ein geschlossener Kreislauf. Ein dichter Verschluss. Aus Masse wird Energie. Energie hält die Masse zusammen. Und deshalb spalten sich einige Atome leicht, während andere Milliarden von Jahren ungestört bleiben.
Schauen Sie sich die Kurve der durchschnittlichen Bindungsenergie pro Nukleon an. Es ist eine in der Physik bekannte Form, deren Höhepunkt etwa bei der Massenzahl 56 liegt. Das ist der optimale Punkt. Das ist Eisen.
Die Grafik erzählt eine einfache Geschichte über Stabilität. Eisen liegt oben auf dem Hügel. Wenn Sie einen Kern haben, der schwerer als Eisen ist, möchte er sich spalten. Es möchte in leichtere Brocken zerfallen, die tiefer auf dem Energiehang liegen. Der Unterschied in der Bindungsenergie verschwindet nicht einfach. Es wird freigegeben. Das ist Spaltung.
Wenn Sie etwas Leichteres als Eisen haben, ist der Weg ein anderer. Diese Kerne können durch Zusammenstoß an Stabilität gewinnen. Sie verschmelzen zu einem schwereren Kern mit einem größeren Massendefekt. Der Massenunterschied wird in Energie umgewandelt. Das ist Fusion. Es ist der Motor der Sonne. Es ist die Grundlage der Wasserstoffbombe. Es ist auch der heilige Gral der sauberen Stromerzeugung, ein Bereich, der jahrzehntelang aktiv und oft frustrierend verfolgt wurde.
Das Hindernis für den spontanen Verfall
Hier bricht das einfache Energiemodell zusammen.
Wenn Energieüberlegungen der einzige Faktor wären, würde alle Materie irgendwann zu Eisen zerfallen. Alles würde die stabilste Konfiguration anstreben. Aber es passiert nicht. Das Universum ist nicht so faul – und auch nicht so effizient.
Es gibt Barrieren. Andere Faktoren stoppen die spontane Umwandlung.
Um zu verstehen, warum, behandeln Physiker den Kern wie einen geladenen Flüssigkeitstropfen. Es ist eine qualitative Analogie, aber sie hält. Die starke Kernkraft bindet Nukleonen zusammen. Es ist attraktiv. Es ist mächtig. Aber es ist eine kurze Reichweite. Es funktioniert nur zwischen nächsten Nachbarn.
Nukleonen an der Oberfläche haben weniger Nachbarn als die im Inneren vergrabenen. Dadurch entsteht Oberflächenspannung. Der Tropfen möchte seine Oberfläche minimieren, um Energie zu reduzieren. Die effizienteste Form zum Einschließen von Volumen ist eine Kugel. Der Kern nimmt also eine Kugelform an.
Das Coulomb-Abstoßungsproblem
Für Protonen gelten nicht die gleichen Regeln für kurze Reichweiten. Sie sind positiv geladen. Sie stoßen sich gegenseitig über die weitreichende Coulomb-Kraft ab.
Wenn der Kern größer wird, wird diese Abstoßung zu einem ernsten Problem. Sobald Sie eine Nukleonenzahl von etwa 40 überschreiten, kämpft die Anziehungskraft der starken Wechselwirkung darum, alles gegen den elektrischen Druck zusammenzuhalten.
Die Lösung? Verdünnung.
Schwerere Kerne behalten ihre relative Stabilität bei, indem sie überschüssige Neutronen hinzufügen. Neutronen verstärken die starke Anziehungskraft, ohne die Coulomb-Abstoßung zu verstärken. Sie wirken als Klebstoff und verdünnen die Protonendichte. Mit zunehmender Massenzahl werden immer mehr Neutronen benötigt, damit der Tropfen nicht auseinanderfliegt.
Dieses empfindliche Gleichgewicht definiert die Grenzen des Periodensystems. Es erklärt, warum einige Elemente stabil sind und andere zerfallen. Es erklärt, warum wir das Universum nicht einfach bergab in einen Haufen Eisenkugeln laufen lassen können. Die Barrieren sind real. Die Physik ist komplex. Und die Energie, die in diesen schweren, neutronenreichen Tropfen steckt? Warte immer noch darauf, freigeschaltet zu werden.
Wenn ein Kern erregt wird, beginnt er zu wackeln. Es hört auf, eine perfekte Kugel zu sein.
Oberflächenkräfte springen sofort ein. Sie wollen den Kern wieder in eine runde Form bringen, weil eine Kugel die Oberflächenspannung minimiert. Aber es gibt eine Gegenkraft. Die Protonen im Inneren stoßen sich gegenseitig weg. Wenn sich der Kern ausdehnt, entfernen sich diese Protonen weiter voneinander. Die Abstoßung lässt nach.
Diese beiden gegensätzlichen Tendenzen schaffen ein Problem. Eine Barriere.
Abbildung 2 zeigt dies deutlich. Die Energiekurve steigt zunächst an. Warum? Denn die starke Kernkraft – der Klebstoff, der den Kern zusammenhält – hat eine kurze Reichweite und ist stark. Es bekämpft die Verformung.
Aber die Coulomb-Abstoßung zwischen Protonen schwächt sich schneller ab, als die Oberflächenspannung zunimmt. Schließlich treffen sie in einer Pattsituation aufeinander.
Das ist Punkt B.
Dieser spezielle Ort wird als „Sattelpunkt“ bezeichnet.
In einer dreidimensionalen Karte der potenziellen Energie sieht dieser Gipfel wie ein Pferdesattel aus. Es ist der höchste Widerstandspunkt, bevor der Kern zur Spaltung übergeht. Wenn Sie nicht genug Energie haben, um über diesen Sattel zu kommen, passiert nichts.
Ab Punkt B ändern sich die Regeln. Die Coulomb-Abstoßung übernimmt das Ruder. Es treibt den Kern in eine weitere Ausdehnung. Die Protonen drücken stärker, als die Oberflächenspannung aushalten kann. Der Kern dehnt sich, bis er bricht.
Dies ist Punkt S, der Spaltungspunkt. Der Kern zerbricht in zwei Teile. Qualitativ gesehen ist die Spaltung lediglich das Ergebnis der Weigerung von Protonen, in der Nähe zu bleiben.
Induzierte Spaltung
Nicht jeder Kern spaltet sich von selbst. Die Höhe dieser Energiebarriere hängt ganz davon ab, welchen Kern man betrachtet.
Um eine Spaltung zu erzwingen, muss man den Kern anregen. Sie müssen ihn mit genügend Energie treffen, um die Barriere zu überwinden. Sie können dies mit Gammastrahlen (Photospaltung) oder durch das Einschlagen eines Teilchens erreichen. Neutronen, Protonen, was auch immer funktioniert.
Hier kommt es auf die ungerade-gerade Natur der Neutronen an. Es verändert die Bindungsenergie.
Wenn man einem Kern, der bereits eine ungerade Neutronenzahl hat, ein Neutron hinzufügt, erhält man eine gerade Zahl. Diese Paarung ist stabil. Die Bindungsenergie steigt.
Wenn man einem geraden Neutronenkern ein Neutron hinzufügt, erhält man eine ungerade Zahl. Der Bindungsenergiegewinn ist geringer.
Dieser Unterschied erklärt, warum einige Materialien mit langsamen Neutronen gespalten werden, während andere schnelle Neutronen erfordern.
Die meisten schweren Elemente sind hinsichtlich der Spaltung instabil, sitzen aber in einem tiefen Loch. Sie brauchen einen Tritt, um rauszukommen.
- Uran-233, Uran-235, Plutonium-239: Diese haben eine ungerade Anzahl von Neutronen. Durch das Hinzufügen eines weiteren Neutrons wird genügend Bindungsenergie freigesetzt, um sie über die Barriere zu drücken. Langsame, energiearme Neutronen funktionieren gut.
- Thorium-232, Uran-238: Diese haben eine gerade Anzahl von Neutronen. Der Bindungsenergiegewinn ist zu schwach. Um den Unterschied auszugleichen, benötigen Sie die kinetische Energie des einfallenden Neutrons. Benötigt wird ein schnelles Neutron mit etwa 1 MeV Energie.
Die Mathematik ist einfach. Wenn die Aktivierungsenergie nicht vorhanden ist, bleibt die Barriere bestehen.
Spontane Spaltung
Quantenmechanik ist seltsam. Es geht um Wahrscheinlichkeiten, nicht um Gewissheiten.
Selbst im Grundzustand – der Konfiguration mit der niedrigsten Energie, die sicher unterhalb der Barriere liegt – hat ein spaltbares System eine kleine, endliche Chance, auf der anderen Seite zu sein.
Nehmen Sie Uran-238. Es ist innerhalb der Barriere eingeschlossen. Aber Quantentunneln ermöglicht es ihm, die Wand zu durchdringen. Es klettert nicht rüber. Es geht durch.
Das ist eine spontane Spaltung. Kein Einfluss von außen erforderlich.
Die Wahrscheinlichkeit ist winzig. Bei Uran-238 dauert es mehr als 10^{15}$ Jahre, bis die Hälfte des Materials auf diese Weise zerfällt. Das ist eine lange Zeit.
Aber für die schwersten bekannten Nuklide steigt die Wahrscheinlichkeit sprunghaft an. Die Barriere wird dünner. Die spontane Spaltung wird zur vorherrschenden Zerfallsart. Einige dieser superschweren Kerne halten nur Bruchteile einer Sekunde.
Diese Instabilität ist eine harte Grenze. Es kann die Bildung noch schwererer Kerne insgesamt verhindern. Das Universum zeichnet eine Linie in den Sand, und die spontane Spaltung ist der Radiergummi.
Die Stadien der Spaltung
Abbildung 3 zeigt den Zeitverlauf einer schweren Kernspaltung. Die Uhr unten zeigt uns, wie schnell dies geschieht. Es ist kein langsames Brennen. Es ist heftig und augenblicklich.
Die Wahrscheinlichkeit einer Teilung
Wenn ein schwerer Kern aufplatzt, zerfällt er nicht immer in die gleichen Teile. Die Neutronen und Protonen bewegen sich auf unvorhersehbare Weise. Dadurch entsteht eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für Masse und Kernladung.
Wissenschaftler bezeichnen die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Fragment auftritt, als Spaltungsausbeute. Sie wird als Prozentsatz aller Spaltungen gemessen, die zu diesem bestimmten Ergebnis führen.
Sobald der Kern zerbricht, stoßen die beiden Hälften zurück. Sie sind positiv geladen. Die Coulomb-Abstoßung zwischen ihnen ist immens. Sie fliegen mit kinetischer Energie auseinander, die durch ihre Ladungen und den Abstand zwischen ihren Ladungszentren im Moment der Spaltung bestimmt wird. Selbst bei gleicher Massenaufteilung variiert die Energie. Die Parameter verschieben sich. Die Rückstoßgeschwindigkeit ändert sich.
Strippen und Entschleunigen
Die Fragmente bewegen sich zu schnell für ihre eigenen Elektronen. Die Atomelektronen können nicht mithalten. Sie werden abgestreift.
Die Spaltfragmente fliegen als hoch geladene Atome auseinander, nicht als neutrale Einheiten.
Die Kernladung wird nicht sofort durch Atomelektronen neutralisiert. Das Fragment ist immer noch deformiert. Beim Zurückschnappen in eine stabile Form wird Verformungsenergie freigesetzt. Diese wird in innere Erregerenergie umgewandelt. Neutronen verdampfen. Schnelle Gammastrahlen werden fast gleichzeitig emittiert.
Diese sich schnell bewegenden, hoch geladenen Atome kollidieren mit dem Medium, das sie durchqueren. In der Luft beträgt die Reichweite nur wenige Zentimeter. Die kinetische Energie wird als Ionisierung und Wärme auf das Medium übertragen. Das Atom wird langsamer.
Während dieser Verlangsamung entzieht es der Umgebung Elektronen. Es wird neutral, wenn es stoppt. Jetzt ist es kein Fragment mehr. Es handelt sich um ein Spaltprodukt.
Möglicherweise hat sich die Massenzahl geändert. Beim Übergang gingen Neutronen verloren. Das Produkt ist immer noch radioaktiv. Es ist nicht stabil. Es unterliegt einem Betazerfall. Die Zeitskala? Sekundenbruchteile bis viele Jahre. Beta-Emission erzeugt Elektronen und Antineutrinos. Gammastrahlen und Röntgenstrahlen sind oft mit von der Partie.
Die versteckten Variablen
Massen-, Ladungs- und kinetische Energieverteilungen hängen von der spaltenden Spezies ab. Sie hängen auch von der Erregungsenergie des Aktes ab.
Die Phänomenologie ist umfangreich. Es gibt viele Aspekte zu interpretieren. Betrachten Sie die Systematik der Spaltquerschnitte. Das ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Kernspaltung kommt. Bedenken Sie die Variation der emittierten Neutronen. Dies variiert je nach Art und Massenaufteilung.
Schauen Sie sich die Winkelverteilung der Fragmente relativ zum Teilchenstrahl an. Schauen Sie sich die Halbwertszeiten der spontanen Spaltung an. Schauen Sie sich spontane Spaltungsisomere an, bei denen es sich um angeregte Zustände des Kerns handelt.
Bei einigen Ereignissen werden leichte Teilchen wie Wasserstoff-3, Helium-3 oder Helium-4 emittiert. Nicht immer. Aber in kleinen, bedeutenden Mengen. Unter den Produkten gibt es verzögerte Neutronenemitter. Der Zeitrahmen jeder Phase ist wichtig. Die Verteilung der Energiefreisetzung zwischen Teilchen und Strahlung ist komplex.
Eine vollständige Diskussion aller dieser Aspekte ist hier unmöglich. Doch ein paar Details geben Aufschluss. Sie bieten einen Vorgeschmack auf die Faszination.
Massenverteilungen der Spaltfragmente
Die Art und Weise, wie sich Spaltfragmente aufspalten, ist eines der prägendsten Merkmale des gesamten Kernprozesses. Es ist kein Zufall. Es hängt stark von zwei Dingen ab: der Masse der Kernspaltung und der dabei vorhandenen Anregungsenergie.
Bei niedrigen Anregungsenergien wird es asymmetrisch. Nehmen Sie Uran-235 oder Plutonium-239. Sie teilen sich nicht in zwei gleiche Hälften. Stattdessen befürworten sie eine ungleiche Aufteilung. Dadurch entsteht eine zweihöckrige Wahrscheinlichkeitsverteilung. Die leichte Gruppe von Fragmenten verschiebt sich zu höheren Massenzahlen, wenn der spaltende Kern schwerer wird. Die schwere Gruppe bleibt größtenteils stationär.
Erhöhen Sie die Energie und die Regeln ändern sich.
Symmetrische Spaltungen werden wahrscheinlicher. Asymmetrische fallen ab. Das Tal zwischen den beiden Gipfeln füllt sich. Bei hohen Anregungen wird die Kurve einhöckerig. Der maximale Ertrag liegt genau bei der Symmetrie.
Nicht für alle Kerne gelten die gleichen Regeln. Radiumisotope weisen eine seltsame dreihöckerige Verteilung auf. Leichtere Nuklide bleiben einhöckerig und symmetrisch. Für die Spaltung ist jedoch zunächst eine erhebliche Aktivierungsenergie erforderlich. Dann gibt es noch die sehr schweren Kerne in der Nähe von Fermium-260. Hier ergibt die spontane Spaltung eine symmetrische, einhöckerige Kurve. Die kinetischen Energien der resultierenden Fragmente sind ungewöhnlich hoch.
Das Verständnis dieser Verteilungen war ein großes Rätsel. Eine vollständige theoretische Erklärung bleibt trotz erheblicher Fortschritte schwer zu erreichen.
Wie Zerfallsketten das Gleichgewicht wiederherstellen
Stabilität erfordert ein bestimmtes Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis (n /p ). Dieses Verhältnis muss mit steigender Protonenzahl zunehmen. Bis zu Calcium (20 Protonen) beträgt das Verhältnis eins. Danach geht es bergauf. Für die schwersten Elemente erreicht sie etwa 1,5.
Wenn ein schwerer Kern spaltet, emittiert er einige Neutronen. Das hilft, reicht aber nicht aus. Die verbleibenden Fragmente haben immer noch ein zu hohes n /p -Verhältnis für Stabilität. Sie sind instabil.
Sie beheben dies durch radioaktiven Zerfall. Insbesondere Beta-Minus-Zerfall. Neutronen wandeln sich in Protonen um. Es werden ein negatives Elektron (Betateilchen) und ein Antineutrino emittiert. Die Massenzahl bleibt gleich. Die Ordnungszahl erhöht sich um eins. Mit jeder Konvertierung entsteht ein neues Element.
Diese aufeinanderfolgenden Betazerfälle bilden eine isobare Zerfallskette des Spaltprodukts. Jede Massenzahl hat ihre eigene Kette. Die Halbwertszeiten dieser radioaktiven Spezies nehmen im Allgemeinen zu, wenn sie sich der stabilen Isobare am Ende der Leitung nähern.
Um die Terminologie klarzustellen:
– Isotope haben die gleiche Kernladung (Z, Protonen), unterscheiden sich jedoch in der Neutronenzahl und Massenzahl (A ).
– Isobaren haben die gleiche Massenzahl (A ), unterscheiden sich jedoch in der Ordnungszahl (Z ).
Betrachten Sie eine typische Massenaufspaltung bei der neutroneninduzierten Spaltung von Uran-235. Werden aus den Ausgangsfragmenten zwei Neutronen emittiert, entstehen Komplementärmassen von 93 und 141. Die Ladungsverteilung zwischen diesen Fragmenten ist dabei ein entscheidender Parameter.
Für diese spezifischen Massen verlaufen die isobaren Zerfallsketten wie folgt. Die Halbwertszeiten für jeden Beta-Zerfallsschritt sind entlang der Übergangspfeile angegeben.
Die Mathematik hinter der Kernspaltung ist präzise. Wenn Sie sich das Symbol für ein Element ansehen, ist die untere Zahl Z (Protonen) und die obere Zahl A (Masse). Bei der Spaltung von Uran-235 müssen alle 92 Protonen berücksichtigt werden. Der Kern zerbricht nicht einfach zufällig. Es neigt dazu, sich in komplementäre Paare aufzuspalten. Krypton-36 und Barium-56. Rubidium-37 und Cäsium-55. Strontium-38 und Xenon-54. Diese Kombinationen schonen die Ladung. Sie sind die wahrscheinlichen Ergebnisse.
Unabhängiger vs. kumulativer Ertrag
Nicht alle Spaltprodukte sehen gleich aus. Manche tauchen sofort auf. Manche brauchen Zeit. Die unabhängige Ausbeute misst, wie oft sich ein bestimmtes Nuklid nach dem Abkühlen direkt aus den ursprünglichen Fragmenten bildet. Es ist der Volltreffer. Aber das ist nicht die ganze Geschichte.
Wenn Sie ein vollständiges Bild wünschen, benötigen Sie den kumulierten Ertrag. Dies ist der Gesamtprozentsatz für jedes Nuklid in einer Zerfallskette. Sie erhalten es, indem Sie die unabhängige Ausbeute dieses Nuklids zu den Ausbeuten jedes Vorläufers addieren, der in dieses zerfällt. Es ist ein Summenspiel. Den Gesamtertrag der gesamten Kette für eine bestimmte Massenzahl nennen wir kumulativen Ertrag.
Die Hypothese der gleichen Ladungsverschiebung
Radiochemiker untersuchen dies seit Jahrzehnten. Sie fanden ein Muster. Die wahrscheinlichste Ladungsaufteilung konzentriert sich nicht auf Stabilität. Es ist verschoben. Und hier ist der Clou: Es wird sowohl bei den leichten als auch bei den schweren Fragmenten um die gleiche Distanz verschoben. Wissenschaftler nennen dies die Hypothese der gleichen Ladungsverschiebung (ECD). Physikalische Messungen haben dies bestätigt.
In dem Rubidium-Cäsium-Beispiel, das ich zuvor erwähnt habe, prognostiziert ECD, dass die wahrscheinlichsten Ladungen bei Rubidium-37 und Cäsium-55 liegen. Aber die Natur mag Abkürzungen. Wenn ein Fragment 50 Protonen hat, tritt ein starker Hülleneffekt ein. Dies stellt die ECD-Erwartungen außer Frage. Die Verteilung der Ladungsbildung ist eng. Es sieht Gaußsch aus. Es ist nahezu dasselbe, unabhängig von der Massenaufteilung oder dem spezifischen spaltenden Atom.
Die wahrscheinlichste Ladung ($Z_p$) ist hier ein nützliches Konzept. Es muss keine ganze Zahl sein. Es handelt sich um einen statistischen Durchschnitt. Wenn die Energie der Spaltung zunimmt, versuchen die Fragmente, das gleiche Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis ($n/p$) wie der ursprüngliche Kern beizubehalten. Dies wird als unveränderte Ladungsverteilung bezeichnet.
Schnelle Neutronen: Der unmittelbare Ausbruch
Wie viele Neutronen kommen heraus? Es variiert. Die durchschnittliche Zahl pro Spaltung beträgt $\bar{\nu}$. Für die spontane Uran-238-Spaltung beträgt sie etwa 2,0. Für Fermium-257 springt er auf 4,0. Für die durch thermische Neutronen induzierte Spaltung von Uran-235 beträgt er 2,4.
Aber $\bar{\nu}$ ist ein Durchschnitt. Jede einzelne Veranstaltung ist anders. Es kommt darauf an, wie die Massenaufteilung erfolgt. Es gibt immer noch Debatten darüber, wie viele Neutronen im Moment der Spaltung losfliegen. Die meisten Physiker sind sich jedoch einig, dass der Großteil der Neutronen von den zurückstoßenden Fragmenten direkt nach ihrer Spaltung freigesetzt wird.
Warum? Energie. Die Fragmente haben Energie. Interne Anregungswärme. Verformungsenergie wird wie eine Feder gespeichert. Wenn das Fragment wieder in seine stabile Form zurückkehrt, setzt diese Energie Neutronen frei. Je mehr Energie das Fragment hat, desto mehr Neutronen spuckt es aus.
Verzögerte Neutronen: Der Kontrollmechanismus
Die meisten Neutronen sind schnell. Einige haben Verspätung. Dies geschieht beim Betazerfall der Spaltprodukte. Die Beta-Zerfallsenergie ist hoch. Höher als die Bindungsenergie eines Neutrons im Tochterkern. Dies geschieht normalerweise, wenn die Tochter ein oder zwei zusätzliche Neutronen hinter einer geschlossenen Schale von 50 oder 82 hat. Diese zusätzlichen Neutronen sind lose gebunden.
Der Betazerfall versetzt die Tochter in einen aufgeregten Zustand. Ein aufgeregter Zustand, der instabil ist. Es emittiert ein Neutron. Aber es ist nicht augenblicklich. Es wird um die Halbwertszeit des Vorläufers verzögert. Wir haben sechs solcher Emitter verzögerter Neutronen identifiziert. Ihre Halbwertszeiten liegen zwischen 0,5 Sekunden und 56 Sekunden.
Ihr Ertrag ist winzig. Etwa 1 Prozent der prompten Neutronen. Warum sind sie also wichtig? Ohne sie wäre die Kontrolle eines Kernreaktors nahezu unmöglich. Die Kettenreaktion würde sich zu schnell ändern, als dass menschliche Hände oder sogar die meisten mechanischen Systeme sie anpassen könnten. Diese verzögerten Neutronen verschaffen uns Zeit. Sie machen die Reaktion beherrschbar.
Energiefreisetzungsberechnungen
Woher kommt die Hitze? Massenunterschied. Sie berechnen die gesamte Energiefreisetzung, indem Sie die Ruhemassen betrachten. Reaktanten versus Produkte. Nehmen Sie Uran-235 plus ein Neutron. Vergleichen Sie es mit stabilen Endprodukten wie Niob-93 und Praseodym-141 plus zwei Neutronen. Die Masse bleibt nicht erhalten. Einiges davon ist weg.
Einsteins Gleichung $E=mc^2$ sagt uns, wohin es führte. Es wurde Energie. Die Gesamtfreisetzung hängt von der spezifischen Massenaufteilung ab. Aber bei der durch thermische Neutronen induzierten Spaltung von Uran-235 verteilt sich die Energie in einem vorhersehbaren Muster.
Der Großteil bleibt bei den Fragmenten. Kinetische Energie. Die Fragmente fliegen mit hoher Geschwindigkeit auseinander, kollidieren mit umgebenden Atomen und erzeugen dabei Hitze. Dann gibt es die Neutronen. Sie tragen kinetische Energie. Gammastrahlen setzen sofort Energie frei. Betateilchen und Neutrinos transportieren beim Zerfall Energie. Leider entkommen Neutrinos vollständig. Sie nehmen Energie mit sich und lassen sie niemals los.
Aus diesem Grund ist das Reaktordesign so komplex. Sie verwalten die Wärme in Festkörpern, die Strahlung im Vakuum und die in den Weltraum entweichenden Partikel. Die Rechnung ist sauber. Die Realität ist chaotisch. Und die Energieverteilung bestimmt, wie heiß Ihr Kern wird.
Die Physik verlorener Energie und Kernmodelle
Nicht jedes in einem Reaktorkern eingefangene Neutron bleibt dort. Einige entkommen vollständig, und die Energiefreisetzung dieser sofortigen Neutronen hängt davon ab, wie sie schließlich gestoppt werden. Diese sofortige Energiefreisetzung erfolgt auf einer Zeitskala von etwa 10^{-12}$ Sekunden. Es wird im laufenden Reaktor größtenteils in Wärme umgewandelt und zur Stromerzeugung genutzt.
Es kommt aber auch zu einer verzögerten Energiefreisetzung. Dies ist auf den radioaktiven Zerfall von Spaltprodukten zurückzuführen, deren Halbwertszeit zwischen Bruchteilen einer Sekunde und vielen Jahren variiert. Die kurzlebigeren Spezies zerfallen im Reaktor und ihre Energie trägt zur erzeugten Wärme bei; Allerdings bleiben die langlebigeren Spezies radioaktiv und stellen ein Problem bei der Handhabung und Entsorgung der Reaktorbrennelemente dar, wenn diese ausgetauscht werden müssen.
Die Antineutrinos, die den Beta-Zerfall der Spaltprodukte begleiten, sind nicht reaktiv und ihre kinetische Energie (etwa 10 MeV pro Spaltung) wird nicht wiederhergestellt. Insgesamt können pro Spaltung etwa 200 MeV Energie für Energieanwendungen zurückgewonnen werden.
Die Herausforderung theoretischer Präzision
Kernspaltung ist ein komplexer Prozess, bei dem Hunderte von Nukleonen in einem einzigen Kern neu angeordnet werden, um zwei separate Kerne zu erzeugen. Ein vollständiges theoretisches Verständnis dieser Reaktion würde eine detaillierte Kenntnis der Kräfte erfordern, die an der Bewegung jedes einzelnen Nukleonen durch den Prozess beteiligt sind. Da derartiges Wissen noch nicht verfügbar ist, ist es notwendig, vereinfachte Modelle des tatsächlichen Systems zu erstellen, um dessen Verhalten zu simulieren und eine möglichst genaue Beschreibung der Prozessschritte zu erhalten. Die Erfolge und Misserfolge der Modelle bei der Berücksichtigung der verschiedenen Beobachtungen des Spaltungsprozesses können neue Einblicke in die grundlegende Physik liefern, die das Verhalten realer Kerne bestimmt, insbesondere bei den großen Kerndeformationen, die in einem spaltenden Kern auftreten.
Der Rahmen zum Verständnis von Kernreaktionen ist analog zu dem für chemische Reaktionen und beinhaltet das Konzept einer potentiellen Energieoberfläche, auf der die Reaktion stattfindet. Die treibende Kraft physikalischer oder chemischer Reaktionen ist die Tendenz, die potentielle Energie zu senken und die Stabilität des Systems zu erhöhen. So rollt beispielsweise ein Stein oben auf einem Hügel den Hügel hinunter, wandelt seine potentielle Energie oben in kinetische Bewegungsenergie um und kommt unten in einem stabileren Zustand niedrigerer potentieller Energie zur Ruhe. Die potentielle Energie wird in Abhängigkeit verschiedener Parameter des untersuchten Systems berechnet. Im Falle einer Spaltung kann die potentielle Energie als Funktion der Form des Systems berechnet werden, während es über die Barriere zum Spaltungspunkt wandert, und der Weg der niedrigsten potentiellen Energie kann bestimmt werden.
Wie bereits erwähnt, ist eine genaue Berechnung der potenziellen Kernenergie noch nicht möglich. Zur Annäherung an diese Berechnung wurden verschiedene Modelle zur Simulation des realen Systems erstellt. Einige der Modelle wurden entwickelt, um Aspekte der Kernstruktur und -spektroskopie sowie Merkmale von Kernreaktionen zu untersuchen, und sie wurden auch bei Versuchen eingesetzt, die Komplexität der Kernspaltung zu verstehen. Die Modelle basieren auf unterschiedlichen Annahmen und Näherungen über die Natur der Kernkräfte und die Dynamik des Spaltungsweges. Kein einzelnes Modell kann die gesamte umfangreiche Phänomenologie der Kernspaltung erklären, aber jedes Modell befasst sich mit unterschiedlichen Aspekten des Prozesses und bietet eine Grundlage für die weitere Entwicklung hin zu einer vollständigen Theorie.
Der Flüssigkeitstropfen und das Geheimnis der Asymmetrie
Der Kern sitzt nicht einfach da. Es bewegt sich. Manchmal schwankt das Ganze wie ein Wassertropfen. Manchmal tanzen einzelne Teilchen auf ihren eigenen Bahnen. Diese Dualität verwirrte die Physiker jahrzehntelang.
George Gamow brachte 1935 den Stein ins Rollen. Er stellte sich den Kern als einen inkompressiblen Flüssigkeitstropfen vor. Niels Bohr nahm diese Idee auf und setzte sie um. Bis 1939 hatten Bohr und John A. Wheeler das Flüssigkeitstropfenmodell verwendet, um die Kernspaltung zu erklären. Das Konzept war einfach. Sie schießen ein Neutron in einen Kern. Es wird absorbiert. Die Energie breitet sich aus. Der Kern wackelt. Schließlich spaltet es sich.
Das Modell funktionierte gut für das Gesamtbild. Es zeigte, wie die starke Kernkraft, die versucht, Dinge zusammenzuhalten, mit der elektrischen Abstoßung zwischen Protonen konkurriert, die versuchen, sie auseinanderzureißen. Aber es hatte einen fatalen Fehler. Es wurde vorhergesagt, dass ein Kern bei der Spaltung in zwei gleiche Hälften zerfällt. Symmetrisch. Sauber.
So ist es nicht passiert.
Bei der Spaltung entstehen ungleiche Massen. Ein Stück ist groß. Der andere ist klein. Das Flüssigkeitstropfenmodell konnte diese Massenasymmetrie nicht erklären. Es hatte auch mit Grundzustandsmassen und Spaltungsbarrieren zu kämpfen. Für stark angeregte Kerne war das Modell in Ordnung. Für stabile? Nicht so sehr.
Muscheln und magische Zahlen
Wissenschaftler brauchten einen anderen Blickwinkel. Sie hörten auf, den Kern als Klumpen zu betrachten. Sie begannen, einzelne Partikel zu betrachten.
Stellen Sie sich ein einzelnes Nukleon vor, das sich durch ein Feld bewegt, das von allen anderen erzeugt wird. Es ist ein durchschnittliches Potenzial. Ein kugelförmiger Brunnen. Die Quantenmechanik löst die Bewegung eines Teilchens in diesem Brunnen auf. Das Ergebnis? Energieniveaus.
Neutronen und Protonen haben ihre eigenen Ebenensätze. Sie gruppieren sich zu Muscheln. Genau wie Elektronen in einem Atom. Eine bestimmte Anzahl von Nukleonen füllt diese Schalen vollständig aus. Das sind die magischen Zahlen.
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Kerne mit diesen Zahlen sind hartnäckig stabil. Sie binden fest. Maria Goeppert Mayer und J. Hans D. Jensen formalisierten dies 1949. Sie nannten es das Kugelschalenmodell. Auch als Unabhängig-Teilchen-Modell bekannt.
Es erklärte die Massen im Grundzustand. Es erklärte Kernspins. Es erklärte, warum einige angeregte Zustände länger anhalten als andere (Isomere). Wenn der Kern kugelförmig ist und nahe einer magischen Zahl liegt, ist das Modell ausgezeichnet.
Aber was ist mit dem Rest des Periodensystems?
Der deformierte Kern
Nehmen Sie die Lanthaniden und Aktiniden. Lanthan durch Lutetium. Actinium bis Lawrencium. Ihre Nukleonenzahlen liegen zwischen den magischen Zahlen.
Das Kugelschalenmodell versagt hier. Diese Kerne sind nicht kugelförmig. Sie sind deformiert. Sie strecken sich. Sie sehen aus wie ein Fußball. Oder eine Wassermelone.
Im Jahr 1955 griffen Aage Bohr, Ben R. Mottelson und Sven G. Nilsson ein. Sie berechneten die Bewegung eines Nukleons in einem sphäroidalen Potential. Keine Kugel. Ein Sphäroid.
Ein Sphäroid hat drei Symmetrieachsen. Es kann sich drehen. Die Rotation erfolgt unabhängig von der inneren Erregung der Nukleonen. Auch der Kern kann vibrieren. Es kann pulsieren.
Dieser hybride Ansatz kombinierte die Bewegung unabhängiger Teilchen mit der kollektiven Bewegung des gesamten Systems. Rotationen. Vibrationen. Schalenstrukturen.
Sie nannten es das einheitliche Modell. Es wurde das deformierte Schalenmodell.
Es war nicht nur eine Optimierung. Es war eine Veränderung in der Art und Weise, wie wir den Atomkern sehen. Der Kern ist nicht nur ein Tropfen. Es ist nicht nur eine Ansammlung isolierter Bälle. Es ist ein dynamisches, verformbares Objekt.
Warum ist das wichtig?
Denn bei der Kernspaltung geht es nicht nur darum, Dinge zu zerstören. Es geht darum, die Struktur zu verstehen, die sie hält. Die Asymmetrie der Spaltung hängt mit diesen Schaleneffekten zusammen. Die Energieniveaus verschieben sich, wenn sich der Kern verformt. Der Weg zur Spaltung wird komplex.
Wir verwenden immer noch das Flüssigkeitstropfenmodell. Es ist nützlich für Kollisionen mit hoher Energie. Aber für die subtilen Details? Für die Massensplits? Für die Stabilität schwerer Elemente? Sie benötigen das Schalenmodell. Sie brauchen die Verformung.
Die Geschichte des Kerns ist die Geschichte dieser konkurrierenden Modelle. Fallen. Hülse. Einheitlich. Sie heben sich gegenseitig nicht auf. Sie schichten übereinander.
Wir sind noch dabei, die Parameter zu verfeinern. Ich optimiere immer noch die Potenziale. Der Kern bleibt eines der komplexesten Kleinsysteme, die wir kennen.
Und mit den Quarks im Inneren der Protonen haben wir noch nicht einmal begonnen.
Aage Bohr wandte das einheitliche Modell auf die Kernspaltung an, indem er die angeregten Zustände eines Systems als Funktionen eines Verformungsparameters behandelte. Stellen Sie sich diesen Parameter als Elongation vor – die physikalische Dehnung des Kerns auf dem Weg zur Spaltung. Bohr bewertete diese Zustände am Sattelpunkt. Dies ist der Höhepunkt der Energiebarriere.
Hier ist der Haken. Sobald das System den Sattelpunkt erreicht, fließt der größte Teil seiner Anregungsenergie in die Verformung des Kerns. Das System wird „kalt“. Es bleibt nur noch wenig Wärmeenergie übrig. Es sind nur tiefliegende angeregte Zustände verfügbar. Hier wird es für Theoretiker schwierig.
Wie Spin und Parität die Spaltungspfade bestimmen
Der Spin und die Parität des spezifischen Kanals, den das System am Sattelpunkt einnimmt, bestimmen das Ergebnis der Spaltung. Dies wird als Übergangszustandsanalyse bezeichnet. Es erklärt qualitativ mehrere Schlüsselmerkmale des Prozesses.
Die Spaltschwellen hängen vom Spin und der Parität des zusammengesetzten Kernzustands ab. Die Winkelverteilung der Fragmente wird durch den kollektiven Drehimpuls dieses Zustands bestimmt. Eine Asymmetrie in der Massenverteilung resultiert aus dem Überqueren der Barriere in einem Zustand negativer Parität. Der negativen Parität fehlt die Reflexionssymmetrie.
„Es ist das einzige Modell, das eine zufriedenstellende Interpretation der Winkelverteilungen von Spaltfragmenten liefert.“
Das Modell funktioniert gut, es basiert jedoch auf einer wichtigen Annahme. Es wird davon ausgegangen, dass die Eigenschaften des Übergangszustands am Sattelpunkt durch dynamische Überlegungen während des Abstiegs zum Spaltpunkt nicht verändert werden. Das ist ein großes „Wenn“. Trotzdem bleibt das Modell unverzichtbar. Jede vollständige Kernspaltungstheorie muss ihre attraktiven Merkmale enthalten.
Warum magische Zahlen für die Massenaufteilung wichtig sind
Die erste Verwendung des Kugelschalenmodells bei der Kernspaltung war einfacher. Es wurde erkannt, dass Peaks in der Spaltungsmassenverteilung mit magischen Zahlen korrelieren. Dies legte eine qualitative Interpretation der asymmetrischen Massenteilung nahe.
Kerne bevorzugen Stabilität. Eine Präferenz für die Bildung von Kernen mit Neutronenzahlen nahe 82 begünstigt den Peak der schweren Gruppe. Dies bestimmt die Massenaufteilung für das Spaltsystem. Siehe Abbildung 4 in den Originaldaten.
Es wurde eine zusätzliche Stabilität für 50 Protonen erwartet. Dies ist in den Daten nicht besonders deutlich zu erkennen. Nehmen Sie Zinn-132. Es handelt sich um einen doppelt magischen Kern mit 50 Protonen und 82 Neutronen. Seine Ausbeute bei der Niedrigenergiespaltung ist eher gering. Das Modell ist nicht perfekt.
Peter Fong und der statistische Ansatz
Peter Fong in den Vereinigten Staaten führte 1956 eine eher quantitative Anwendung durch. Er verwendete einen statistischen Modellansatz. Er setzte die Wahrscheinlichkeit, ein bestimmtes Fragmentpaar zu bilden, mit der verfügbaren Zustandsdichte am Spaltungspunkt in Beziehung.
Die Logik ist einfach. Zufällige Bewegung bedeutet, dass das System alle möglichen Konfigurationen erfährt. Es besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass es sich in Regionen befindet, in denen die größte Anzahl an Konfigurationen konzentriert ist. Das Modell geht davon aus, dass potentielle Energie am Sattelpunkt in Anregungsenergie umgewandelt wird. Am Spaltungspunkt stellt sich ein statistisches Gleichgewicht zwischen allen Staaten ein.
Geschlossenschalige Kerne verfügen über zusätzliche Bindungsenergie. Dies führt bei gegebener Anregungsenergie zu einer höheren Zustandsdichte. Andere Kerne tun dies nicht. Dies führt zu einer höheren Bildungswahrscheinlichkeit für geschlossenschalige Konfigurationen. Das Ergebnis ist eine asymmetrische Massenverteilung. Es stimmt gut mit Beobachtungen zur Neutronen-induzierten Spaltung von Uran-235 überein.
Das Problem des Spaltpunktgleichgewichts
Auch Änderungen der Massenverteilung bei erhöhter Anregungsenergie werden erklärt. Mit steigender Anregungsenergie nimmt die Bedeutung von Schaleneffekten ab. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit einer symmetrischen Spaltung im Vergleich zur asymmetrischen Spaltung.
Andere Merkmale werden qualitativ erklärt. Allerdings sind umfangreiche Änderungen der Modellparameter erforderlich, um Experimente für andere spaltbare Nuklide anzupassen. Es gibt grundlegende Probleme mit den Grundannahmen.
Die Kernfrage bei Scission-Point-Modellen ist die Gültigkeit. Bleibt das System beim steilen Abfall der Potentialenergieoberfläche lange genug am Spaltungspunkt? Gibt es Zeit, um einen Quasi-Gleichgewichtszustand herzustellen?
Es gibt Hinweise darauf, dass ein solcher Zustand vorherrscht. Es ist nicht eindeutig geklärt. Dennoch erweisen sich diese Modelle als nützlich. Sie interpretieren Beobachtungen von Massen-, Ladungs- und kinetischen Energieverteilungen. Sie erklären die Abhängigkeit der Neutronenemission von der Fragmentmasse.
Die Struktur der Fragmenthülle spielt wahrscheinlich eine wichtige Rolle. Es bestimmt den Verlauf des Spaltprozesses. Die Details bleiben ungeklärt. Die Physik ist chaotisch.
Flüssigkeitstropfenmodelle eignen sich gut für allgemeine Formen. Sie versagen, wenn sich die Kerne ausdehnen. Insbesondere verfehlen sie die Oberflächenenergiekosten bei großen Verformungen. Dies ist ein Problem für die Spaltung.
V.M. Strutinskii stellte dies 1967 fest. Er war ein russischer Physiker. Er schlug ein Hybridmodell vor. Es fügt dem Flüssigkeitstropfenpotential Muscheleffekte hinzu. Der Flüssigkeitstropfenanteil behält die kollektiven Oberflächen- und Coulomb-Effekte bei. Die Schalenkorrekturen hängen von der Verformung ab. Diese Korrekturen können mehrere Millionen Elektronenvolt erreichen. Das stellt die Flüssigkeitstropfenbarriere von etwa 5 MeV in den Schatten.
Die Stabilität der Schale ändert sich mit der Form. Magische Zahlen weichen von sphärischen Werten ab. In der Nähe der Spaltbarriere entsteht dadurch eine Struktur in der Energiekurve. Abbildung 7 zeigt dies. Die beiden Peaks variieren je nach Masse und Ladung.
Die Doppelhöckerbarriere erklärt Isomere
Diese doppelhöckerige Form löst Spaltungsrätsel. Es gibt kurzlebige spontane Spaltungsisomere. Sie wohnen im zweiten Brunnen. Staaten der Klasse II. Die Ausstiegshürde ist geringer. Die Halbwertszeiten sind kürzer.
Diese Staaten unterscheiden sich in ihrer Form. Zustände der Klasse I kehren durch Gammaemission in den Grundzustand zurück. Staaten der Klasse II behindern dies. Es handelt sich um Formisomere. Die doppelhöckerige Barriere erklärt auch neutroneninduzierte Spaltungsquerschnitte. Es strukturiert Fragmentwinkelverteilungen.
Strutinskiis Methode beflügelte die Berechnungen. Es behandelte makroskopische und mikroskopische Effekte konsequent. Die amerikanischen Physiker W.J. Swiatecki und James R. Nix leiteten diese Studien. Sie kartierten potentielle Energieoberflächen. Einige Arbeiten berührten sogar die dynamische Entwicklung.
Asymmetrie und der Spaltungspunkt
Aktiniden zeigen Asymmetrie an der zweiten Barriere. Asymmetrische Massenaufteilungen sind energieärmer. Später werden symmetrische Teilungen bevorzugt. Bei großen Verformungen versagt das Einzelpotential. Es kann zwei sich bildende Fragmente nicht gut verarbeiten.
Bei der Spaltung entsteht eine Diskontinuität. Die Ergebnisse hängen davon ab, ob das System als ein oder zwei Kerne behandelt wird. Ein Zwei-Zentren-Potenzial hilft. Es werden überlappende Kugeln verwendet. Es entspricht dem Einzentrumsverhalten bei kleiner Verformung. Es entspricht dem getrennten Verhalten bei großer Verformung.
Dies deutet auf eine frühzeitige Vorbildung von Splitterschalen hin. Bei Scission-Point-Modellen können die Annahmen unsicher sein. Dennoch stimmen sie mit der Beobachtung überein. Das Argonne Scission-Point-Modell ist der Schlüssel. Es werden deformierte Splitterschalen verwendet. Es beinhaltet die Interaktion über einen Hals. Es sagt Massen-, Ladungs- und kinetische Energieverteilungen voraus. Es deckt die Abhängigkeit der Neutronenemission ab. Es sagt keine Spaltungswahrscheinlichkeit voraus. Oder Winkelverteilungen.
Schalenkorrekturen verblassen mit der Anregungsenergie. Makroskopisches Verhalten übernimmt.
Magische Zahlen treiben die symmetrische Spaltung voran
Fermium-264 unterliegt einer symmetrischen Spaltung. Die kinetischen Energien der Fragmente sind ungewöhnlich hoch. Warum? Stabilität magischer Zahlen. 50 Protonen. 82 Neutronen.
Es bilden sich zwei Zinn-132-Fragmente. Das ist doppelt magisch. Es wird energetisch begünstigt. Die Spaltung von Uran oder Plutonium bei niedriger Energie begünstigt zwei solcher Fragmente nicht. Nur einer.
Zinn-132-Fragmente sind kugelförmig. Nicht verformt. Kompakte Konfiguration bei der Spaltung. Ladungszentren liegen näher beieinander. Es ergibt sich eine höhere kinetische Energie.
Die Physik ist klar. Struktur ist wichtig. Energieoberflächen sind nicht glatt. Sie haben Brunnen. Und Barrieren. Und Diskontinuitäten. Wir kartieren sie immer noch.
Schaleneffekte bleiben für den Spaltungsprozess von entscheidender Bedeutung. Dies gilt unabhängig davon, ob wir das Spaltsystem am Sattelpunkt oder die deformierten Fragmente in der Nähe des Spaltpunkts betrachten. Diese quantenmechanischen Eigenschaften helfen, viele beobachtete Merkmale zu erklären. Allerdings fehlt uns immer noch eine klare Antwort auf die genaue Phase, in der Fragmentverteilungen bestimmt werden.
Die Voraussetzungen für ein vernünftiges Verständnis der Kernspaltung sind vorhanden. Sie wurden einfach noch nicht zu einer vollständigen, dynamischen Theorie zusammengefasst.
Die adiabatische Näherung
Berücksichtigen Sie die Dynamik des Abstiegs. Das System bewegt sich auf einer Potentialenergiefläche vom Sattelpunkt zum Spaltpunkt. Eine extreme Sichtweise ist die adiabatische Näherung. Dieses Modell geht davon aus, dass die kollektive Bewegung des Systems langsam ist. Oder vielleicht ist die Kopplung zwischen kollektiven und internen Einzelteilchen-Freiheitsgraden schwach.
Wenn dies zutrifft, können sich schnelle Einzelteilchenbewegungen leicht an Änderungen in der Form des spaltenden Kerns anpassen. Es schreitet in Richtung Spaltung voran, ohne seinen inneren Zustand zu stören. Veränderungen finden statt, ohne Wärmeenergie zu gewinnen oder zu verlieren.
Die Abnahme der potentiellen Energie zwischen Sattel und Spaltungspunkten wird sich dann hauptsächlich in den kollektiven Freiheitsgraden bei der Spaltung bemerkbar machen und mit der kinetischen Energie der relativen Bewegung der entstehenden Fragmente in Zusammenhang stehen.
Dies wird als kinetische Energie vor der Spaltung bezeichnet. Die Energie fließt in die Bewegung der auseinanderfliegenden Fragmente ein.
Nichtadiabatische Energieübertragung
Das entgegengesetzte Extrem ist eine schnellere kollektive Bewegung. Oder eine stärkere Kopplung an die Teilchenbewegung. Hier wandelt sich kollektive Energie in innere Erregung. Dies wird zu Wärmeenergie für die Nukleonen.
Stellen Sie sich das wie eine Erwärmung in der Bewegung einer viskosen Flüssigkeit vor. Durch die Reibung zwischen den Schichten entsteht Wärme. In diesem nichtadiabatischen Prozess kann die Vermischung der Freiheitsgrade einzelner Teilchen vollständig sein. Am Spaltungspunkt könnte ein statistisches Modell anwendbar sein.
Der Mittelweg
Beide Extreme sind Näherungswerte. Sie stellen komplexes Verhalten vereinfacht zur Analyse dar. Experimentelle Beweise können je nach spezifischem Kern oder beteiligter Energie beide Interpretationen stützen.
Die Natur passt selten in Binärkästen. Die Wahrheit liegt wahrscheinlich irgendwo zwischen diesen Extremen. Beim Spaltungsprozess spielen wahrscheinlich sowohl adiabatische als auch nichtadiabatische Mechanismen eine Rolle. Das Zusammenspiel zwischen makroskopischen Formänderungen und mikroskopischen Quantenanpassungen bleibt eine der offenen Fragen der Kernphysik. Wir kennen die Stücke. Wir haben sie einfach noch nicht zusammengebaut.
Spaltung geschieht nicht nur einmal. Es breitet sich aus. Wenn sich ein Kern spaltet, spuckt er Neutronen aus. Wenn diese Neutronen auf ein anderes spaltbares Atom treffen, spaltet sich auch dieses Atom. Es setzt mehr Neutronen frei. Die Kette wächst. Oder es stirbt.
Die Mathematik dahinter ist einfach, aber tödlich. Wir messen es mit k, dem Multiplikationsfaktor. Es ist das Verhältnis der Kernspaltungen von einer Generation zur letzten.
- Wenn k kleiner als 1 ist, verpufft die Reaktion.
- Wenn k gleich 1 ist, haben Sie einen gleichmäßigen Puls. Eine kritische Versammlung.
- Wenn k größer als 1 ist, explodiert die Kette. Überkritisch.
Eine kritische Baugruppe ist nicht nur ein Metallklumpen. Es ist ein sorgfältig entwickeltes System. Sie benötigen spaltbares Material, normalerweise Metall oder Oxid. Um die Neutronen abzubremsen, braucht man einen Moderator. Sie benötigen einen Reflektor, um Streuneutronen zurück in den Kern zu reflektieren, damit sie nicht entkommen.
Die Physik der Bombe vs. des Kraftwerks
Bei einer Bombe ist Geschwindigkeit alles. Sie möchten k so hoch wie möglich. Sie möchten, dass die Zeit zwischen den Schritten verschwindend gering ist. Das Ziel besteht darin, in etwa 10^-7 Sekunden enorme Energie freizusetzen.
Bedenken Sie den Maßstab. Ein Kilogramm Uran-235 setzt bei der Spaltung Energie frei, die 20.000 Tonnen TNT entspricht. Das ist ein Stadtkiller in einem einzigen Kilogramm.
Reaktoren sind unterschiedlich. Sie wollen nicht explodieren. Sie wollen summen. In einem stationären Reaktor bleibt k bei 1. Aber praktisch? Sie können den Wert nicht genau bei 1 halten. Sie legen ihn so fest, dass er leicht über 1 liegt.
Warum? Weil sich die Dinge verschlechtern.
Kraftstoff verbrennt. Es erschöpft sich. Spaltprodukte reichern sich an. Einige dieser Nebenprodukte sind „Gifte“. Sie fressen Neutronen. Sie senken k. Wenn Sie genau bei 1 beginnen, schaltet sich der Reaktor ab, bevor Sie nutzbare Leistung erhalten. Wenn Sie leicht hoch starten, können Sie Kraftstoffverluste und Giftansammlungen ausgleichen.
Sie müssen auch einige Neutronen einsparen. Sie können sie für Forschungszwecke oder zur Herstellung radioaktiver Isotope für medizinische und industrielle Zwecke verwenden.
Steuerstäbe machen dies möglich. Dabei handelt es sich um bewegliche Stäbe aus neutronenabsorbierenden Materialien wie Bor, Cadmium oder Hafnium. Schieben Sie sie hinein und k fällt. Ziehen Sie sie heraus und k erhebt sich.
Es ist jedoch nicht augenblicklich. Aufgrund der Emitter verzögerter Neutronen unter den Spaltprodukten gibt es eine Verzögerung zwischen den Neutronengenerationen. Diese winzige Verzögerung gibt menschlichen Bedienern und mechanischen Systemen Zeit zum Reagieren. Ohne sie wäre die Steuerung eines Reaktors unmöglich.
Thermische, mittlere und schnelle Reaktoren
Nicht alle Reaktoren funktionieren gleich. Sie werden nach der Energie der Neutronen klassifiziert, die die Kette antreiben.
Thermische Reaktoren
Dies sind die häufigsten. Sie basieren auf „thermischen“ Neutronen. Dabei handelt es sich um langsame Neutronen, die sich mit Geschwindigkeiten bewegen, die mit denen von Gasmolekülen bei Raumtemperatur vergleichbar sind.
Bei der Spaltung entstehen schnelle Neutronen. Durchschnittliche kinetische Energie über 1 MeV. Zu schnell, um andere Uran-235-Atome effizient zu spalten. Sie müssen sie verlangsamen. Das ist die Aufgabe des Moderators.
Gemeinsame Moderatoren:
– Gewöhnliches Wasser
– Schweres Wasser (D2O)
– Graphit
Zwischenreaktoren
Diese halten die Kette mit Neutronen mittlerer Energie aufrecht. Sie könnten Beryllium als Moderator verwenden. Weniger verbreitet, aber bei bestimmten Designs nützlich.
Schnelle Reaktoren
Kein Moderator erforderlich. Hier erledigen schnelle Spaltneutronen die Arbeit. Sie halten die Kettenreaktion am Laufen, ohne sie zu verlangsamen. Dies erfordert unterschiedliche Kraftstoffzusammensetzungen und -designs, kann jedoch hinsichtlich der Kraftstoffnutzung effizienter sein.
Jeder Typ braucht eine Möglichkeit, Wärme abzuleiten. Man kann einen Reaktor nicht leer laufen lassen. Kühlmittel variieren je nach Design:
– Wasser
– Gas
– Flüssiges Metall
Die Wahl des Kühlmittels hängt von den Anforderungen an Druck, Temperatur und chemische Stabilität ab.
Jenseits der Elektrizität: Der Nutzen von Spaltprodukten
Sobald der Reaktor läuft und der Brennstoff verbraucht ist, ist der Abfall nicht nur Müll. Es ist eine Ressource. Die beim Betrieb entstehenden Spaltprodukte enthalten eine Fülle radioaktiver Isotope.
Einige davon sind kurzlebig und gefährlich. Andere sind stabil genug, um geerntet zu werden.
Medizinische Isotope sind ein Hauptziel. Technetium-99m, das in der diagnostischen Bildgebung verwendet wird, ist häufig ein Nebenprodukt der Spaltung. Jod-131 behandelt Schilddrüsenerkrankungen. Strontium-90 versorgt ferngesteuerte Herzschrittmacher und Funkgeräte mit Strom.
Die industriellen Anwendungen sind ebenso umfangreich. Radioisotope werden in der Radiographie zur Inspektion von Schweißnähten in Rohrleitungen eingesetzt. Sie messen die Dicke in Fertigungslinien. Sie sterilisieren medizinische Geräte ohne Hitze und schonen so empfindliche Materialien.
Der „Abfall“ ist aus einer Perspektive der Rohstoff für eine andere Industrie. Derselbe Prozess, der Strom erzeugt, erzeugt auch die Werkzeuge für die moderne Medizin und Industrie.
Die Unterscheidung zwischen Energieproduktion und Materialproduktion ist künstlich. In einem gut konzipierten Zyklus sind sie zwei Ausgänge desselben Neutronenflusses.
Ein Kernreaktor ist im Kern ein Ofen. Dabei entstehen Dampf oder heiße Gase. Diese Ausgänge bewirken zwei Dinge. Sie sorgen für direkte Wärme. Oder sie treiben Turbinen an, um Generatoren zur Stromerzeugung anzutreiben.
Das ist die bekannte Geschichte. Kommerzielle Kraftwerke nutzen diese Technologie weltweit. Die Marine treibt damit U-Boote und Überwasserschiffe an. Aber damit endet die Geschichte erst, wenn man sich die Grundlagen anschaut. Der wahre Nutzen dieser Maschinen geht weit über das Stromnetz hinaus.
Warum ein hoher Neutronenfluss wichtig ist
Reaktoren spielen in der Materialwissenschaft eine entscheidende Rolle. Sie sorgen für intensive Neutronenflüsse. Damit untersuchen Wissenschaftler, wie sich Materialien unter Belastung verhalten. Sie nutzen es, um atomare Strukturen zu untersuchen. Aber es gibt hier noch eine andere Ausgabe. Ein breites Spektrum an Radionukliden.
Diese Radionuklide sind nicht nur Abfallprodukte. Neben Spaltprodukten haben sie zahlreiche Anwendungen gefunden. Sie finden sie in medizinischen Behandlungen. Sie finden sie in der industriellen Radiographie. Der Reaktor ist eine Fabrik für Isotope.
Der Vorteil der Atombatterie
Hitze durch radioaktiven Zerfall hat noch einen weiteren Trick. Es kann direkt in Strom umgewandelt werden. Dies geschieht durch den thermoelektrischen Effekt in Halbleitermaterialien. Das Ergebnis ist eine Atombatterie.
Diese sind nicht wie die Batterien in Ihrem Telefon. Sie sind langlebig. Sie sind auf bestimmte Isotope angewiesen. Einige emittieren Betateilchen. Strontium-90 ist ein Beispiel. Promethium-147 ist ein anderes. Andere emittieren Alphateilchen. Plutonium-238 passt in diese Kategorie. Curium-244 wird ebenfalls verwendet.
Warum sollten diese anstelle von Solar- oder Chemiebatterien verwendet werden? Weil sie ohne Sonnenlicht funktionieren. Sie arbeiten bei extremer Kälte. Sie arbeiten jahrzehntelang ohne Wartung.
Wo wir sie hingelegt haben
Dadurch eignen sie sich ideal für Orte, die für Menschen nicht leicht zu erreichen sind. Oder Orte, an denen das Auftanken unmöglich ist.
Nehmen Sie Herzschrittmacher mit. Frühe Modelle nutzten diese Atombatterien. Sie überdauerten das menschliche Herz. Sie hielten Patienten am Leben, wenn andere Energiequellen ausfielen.
Sie sind auch für abgelegene unbemannte Einrichtungen unerlässlich. Denken Sie an Raumsonden. Die Voyager-Missionen verwendeten Plutonium-238-Energiequellen. So weit von der Sonne entfernt waren Sonnenkollektoren keine Option.
Betrachten Sie die Polarregionen. Die Arktis und die Antarktis haben lange Winter. Sonnenlicht ist knapp. Atombatterien halten Instrumente am Laufen.
Offene Meere stellen ähnliche Herausforderungen dar. Tiefseeüberwachungsstationen benötigen eine Stromquelle, die nicht schnell ausläuft oder korrodiert. Diese Isotope sorgen für Stabilität.
Auswirkungen auf die reale Welt
Die Anwendungen der Radioaktivität gehen über die reine Energieversorgung hinaus. Auch für andere Radionuklide gibt es praktische Anwendungen. Sie helfen bei der Diagnose von Krankheiten. Sie sterilisieren medizinische Geräte. Sie verfolgen Flüssigkeitsströme in Ölquellen.
Wenn man einen Kernreaktor betrachtet, sieht man mehr als nur ein Kraftwerk. Es ist eine Quelle der Präzision. Es ist ein Werkzeug zur Entdeckung. Es ist ein lebenserhaltendes System in den rauesten Umgebungen der Erde und darüber hinaus.
Die Wissenschaft ist komplex. Die Anwendungen gibt es überall. Man muss nur wissen, wo man suchen muss.
