Big Bang HTL 4, Schulbuch

144 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Energie aus den Atomkernen 16 In Atomkernen sind unvorstellbare Mengen an Energie gespeichert, die je nach Kerngröße bei Fusion oder Spaltung frei werden. Die Kernfusion in der Sonne hat die Entstehung des Lebens auf der Erde ermöglicht. Dass Kern- energie aber auch extrem gefährlich sein kann, zeigen etwa die Atombom- benabwürfe von 1945 (Abb. 16.1), sowie die Nuklearkatastrophen von Tscher- nobyl (1986) und Fukushima (2011). Warum steckt aber so viel Energie im Atomkern? Wie laufen Fusion und Spaltung der Kerne ab? Welche Probleme gibt es bei der Nutzung der Atomenergie? Um diese und andere Fragen geht es im Folgenden. Abb. 16.1: Im August 1945 explodierten in Hiroshima und Nagasaki (Bild) Atombomben, bei denen (in Sum- me) Hundert- tausende Men- schen starben. 16.1 Das Atomzeitalter Kernspaltung In Atomkernen steckt ungeheure Energie, die durch Kern- spaltung frei gesetzt werden kann. Kernenergie bringt aber auch Probleme mit sich. Das schwerste natürliche Element ist Uran. Im Jahr 1938 wollten die Physiker O TTO H AHN und F RITZ S TRASSMANN auf künstlichem Weg noch schwerere Kerne erzeugen, soge- nannte Transurane . Dazu bestrahlten sie Uran mit Neutro- nen. Zu ihrer Überraschung entstanden dabei neue Elemen- te mit mittelschweren Kernen. Was war passiert? Hahns Mitarbeiter L ISE M EITNER und O TTO F RISCH lieferten 1939 die richtige Erklärung: Durch den Neutronenbeschuss waren die Urankerne in zwei Teile zerfallen (Abb. 16.3). Die Kernspal- tung war entdeckt! Trifft ein Neutron zum Beispiel auf U-235, wird der Kern instabil. Er beginnt zu schwingen und zerfällt in zwei mittel- schwere Kerne. Schwere Atomkerne besitzen überpropor- tional viele Neutronen, die als zusätzlicher „Kitt“ wirken (Kap. 15.1.1). Was versteht man unter Kernkraft und Massendefekt? Bei einer Kernspaltung werden auch immer Neutro- nen frei. Warum? Versuche dir mit Abb. 16.3 zu helfen. Und warum wird bei der Spaltung von schweren Kernen Energie frei? Überlege an Hand von Abb. 16.4. Wie funktioniert ein Atomkraftwerk? Wie wird dort Strom erzeugt? Welche Funktion haben dabei die charakteris- tischen Betontürme und was entweicht aus ihnen (Abb. 16.2)? Abb. 16.2: Das Kernkraftwerk Temelin in Tschechien Was denkst du, in wie vielen Kilogramm Heizöl dieselbe Energie steckt wie in einem Kilogramm Uran? F1 F2 F3 F4 Abb. 16.3: Es gibt viele Möglichkeiten, welche Tochterkerne beim Zerfall des Urankerns entstehen, unter anderem die „Tscherno- byl-Isotope“ Cäsium-137 und Iod-131. Für die leichteren Tochterkerne werden nicht alle Neutronen benötigt. Deshalb werden bei der Kernspaltung auch immer Neutronen frei ( F2 ; siehe Abb. 16.3), die weitere Kerne spalten können. Man spricht von einer Kettenreaktion. Beim Zerfall der Atomkerne wird Energie frei. Warum? Weil die Nukleonen in den Tochterkernen stärker gebunden sind ( F2 ; Abb. 16.4). Auf Grund der Energieerhaltung muss daher Energie frei werden. Dadurch sinkt nach ∆ E = ∆ mc 2 (Kap. 11.2) aber auch die Masse der Nukleonen. Das wird als Massendefekt bezeichnet ( F1 ). Der „Brennwert“ von Uran ist unglaublich hoch, wenn man ihn etwa mit Erdöl ver- gleicht. Woran liegt das? Abb. 16.4: Die Tochterkerne von Uran sind stärker gebunden (z.B. Rubidium und Cäsium; siehe auch Abb. 16.13). Info: 2 Millionen Kilogramm gw2n73 Nur zu Prüfzwecken – Eige tum des Verlags öbv