Geschichte der Radioaktivität und Kernspaltung
Auf der Röntgenaufnahme beim Zahnarzt oder im Strom aus der Steckdose steckt Physik, die vor gut 125 Jahren durch Zufall begann: mit einer Fotoplatte in einer Schublade. Wie kam es von dort zu Kernkraftwerken und zur Debatte um den Atomausstieg? Und warum hat eine Entdeckung manchmal Folgen, die niemand geplant hat?
Die Entdeckung der Radioaktivität
Im Jahr 1896 untersucht der Franzose Henri Becquerel, ob Uranerz nach Sonnenlicht selbst Strahlung aussendet. Er legt das Erz auf eine lichtdicht verpackte Fotoplatte. Ergebnis: Die Platte ist geschwärzt, obwohl kein Licht an sie gelangen konnte. Das Uranerz sendet also von selbst eine unsichtbare, durchdringende Strahlung aus. Das ist die Entdeckung der Radioaktivität.
Marie und Pierre Curie untersuchen diese Strahlung weiter. Sie stellen fest, dass sie von den Atomen selbst ausgeht und nicht von chemischen Reaktionen. 1898 entdecken sie zwei neue Elemente: Polonium und Radium. Beide strahlen viel stärker als Uran. Marie Curie erhielt 1903 (gemeinsam mit Pierre Curie und Becquerel) den Nobelpreis für Physik und 1911 den Nobelpreis für Chemie.
Nenne jeweils die Entdeckung der folgenden Personen: Henri Becquerel, Marie und Pierre Curie, Otto Hahn und Fritz Straßmann.
Nenne jeweils die Entdeckung der folgenden Personen: Henri Becquerel, Marie und Pierre Curie, Otto Hahn und Fritz Straßmann.
Becquerel legte 1896 ein Uransalz auf eine lichtdicht verpackte Fotoplatte. Beschreibe, was er beobachtete und was er daraus schloss.
Becquerel legte 1896 ein Uransalz auf eine lichtdicht verpackte Fotoplatte.
Beschreibe, was er beobachtete und was er daraus schloss.
Marie Curie erhielt zwei Nobelpreise (Physik 1903, Chemie 1911). a) Nenne zwei Elemente, die das Ehepaar Curie entdeckte. b) Erkläre, warum ihre Arbeit damals mit großen…
Marie Curie erhielt zwei Nobelpreise (Physik 1903, Chemie 1911).
- a) Nenne zwei Elemente, die das Ehepaar Curie entdeckte.
- b) Erkläre, warum ihre Arbeit damals mit großen gesundheitlichen Risiken verbunden war.
Die Entdeckung der Kernspaltung
Im Dezember 1938 beschießen Otto Hahn und Fritz Straßmann in Berlin Uran mit Neutronen. Bei der chemischen Analyse finden sie zu ihrer Überraschung das viel leichtere Element Barium. Das Uran muss also in zwei kleinere Kerne zerbrochen sein.
Die physikalische Erklärung liefern kurz darauf Lise Meitner und Otto Frisch. Meitner musste als Jüdin 1938 aus Deutschland fliehen und arbeitete im Exil in Schweden. Sie berechnete, dass bei der Spaltung eine riesige Energie frei wird. Frisch nannte den Vorgang „Kernspaltung“. Hahn erhielt 1944 den Chemie-Nobelpreis, Meitner ging leer aus.
Wie viel Energie ist das? Eine Spaltung setzt etwa $200\,\mathrm{MeV}$ frei. Beim Verbrennen eines Kohlenstoffatoms sind es nur etwa $4\,\mathrm{eV}$.
Nenne das Jahr, in dem Otto Hahn und Fritz Straßmann in Berlin die Kernspaltung entdeckten, und beschreibe kurz, was bei der Spaltung eines Urankerns geschieht.
Nenne das Jahr, in dem Otto Hahn und Fritz Straßmann in Berlin die Kernspaltung entdeckten, und beschreibe kurz, was bei der Spaltung eines Urankerns geschieht.
Lise Meitner und Otto Frisch lieferten 1938/39 die physikalische Deutung der von Hahn und Straßmann entdeckten Kernspaltung. Meitner erhielt für diese Leistung keinen…
Lise Meitner und Otto Frisch lieferten 1938/39 die physikalische Deutung der von Hahn und Straßmann entdeckten Kernspaltung. Meitner erhielt für diese Leistung keinen Nobelpreis, Hahn 1944 den Chemie-Nobelpreis.
- a) Erkläre, warum für die Entdeckung der Kernspaltung sowohl chemische als auch physikalische Kenntnisse nötig waren.
- b) Beurteile, welche Rolle gesellschaftliche Bedingungen (Verfolgung von Meitner als Jüdin, Exil) für die Wissenschaftsgeschichte spielten.
Kettenreaktion: kontrolliert und unkontrolliert
Bei jeder Spaltung entstehen zwei bis drei neue Neutronen. Jedes davon kann den nächsten Urankern spalten. So wächst die Zahl der Spaltungen lawinenartig: eine Kettenreaktion.
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Unkontrolliert (Atombombe): Alle frei werdenden Neutronen können weitere Kerne spalten. In Sekundenbruchteilen wird eine gewaltige Energie frei.
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Kontrolliert (Kernkraftwerk): Steuerstäbe (z. B. aus Cadmium oder Bor) fangen überschüssige Neutronen ein. Im Mittel löst nur ein Neutron pro Spaltung eine neue Spaltung aus, die Reaktion läuft gleichmäßig. Der Kernbrennstoff steckt in Brennstäben.
Im Kernkraftwerk wandelt man so um: Kernenergie → Wärme → Bewegungsenergie von Dampf und Turbine → elektrische Energie.
Nach der Entdeckung der Kernspaltung 1938 wurden zwei Entwicklungen möglich: Kernkraftwerke und Atombomben. a) Beschreibe jeweils, wie die Kettenreaktion dort genutzt…
Nach der Entdeckung der Kernspaltung 1938 wurden zwei Entwicklungen möglich: Kernkraftwerke und Atombomben.
- a) Beschreibe jeweils, wie die Kettenreaktion dort genutzt wird (kontrolliert bzw. unkontrolliert).
- b) Nenne je einen Vorteil und ein Risiko der Kernenergie.
Die Spaltung eines Urankerns setzt etwa $200\ \text{MeV}$ frei. Bei der Verbrennung eines Kohlenstoffatoms werden etwa $4\ \text{eV}$ frei. a) Berechne, um welchen…
Die Spaltung eines Urankerns setzt etwa $200\ \text{MeV}$ frei. Bei der Verbrennung eines Kohlenstoffatoms werden etwa $4\ \text{eV}$ frei.
- a) Berechne, um welchen Faktor die Energie pro Spaltung größer ist.
- b) Erkläre, warum die Spaltung eine Kettenreaktion ermöglicht (Rolle der freiwerdenden Neutronen).
- c) Erkläre, warum der Kernbrennstoff in Kraftwerken in Brennstäben eingesetzt wird und warum zusätzlich Steuerstäbe nötig sind.
Folgen, Atomausstieg und Verantwortung
Die Entdeckungen haben die Welt verändert:
| Bereich | Positive Anwendungen | Probleme |
|---|---|---|
| Medizin | Röntgenaufnahme, Szintigraphie, Strahlentherapie | Strahlenschäden bei zu hoher Dosis |
| Technik | Stromerzeugung im Kernkraftwerk, Materialprüfung | radioaktive Abfälle, Unfallrisiko |
| Politik | Energieversorgung ohne CO₂-Ausstoß im Betrieb | Atomwaffen, Endlagersuche |
Nach dem Reaktorunglück von Fukushima (2011) beschloss Deutschland den Atomausstieg. Die letzten Kernkraftwerke wurden 2023 abgeschaltet. Die Debatte geht weiter, denn es gibt Argumente auf beiden Seiten:
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Dafür: wenig CO₂-Ausstoß im Betrieb, große Energiemenge aus wenig Brennstoff.
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Dagegen: radioaktive Abfälle, die über sehr lange Zeit sicher gelagert werden müssen (Endlagersuche), Unfallrisiko, Missbrauch für Atomwaffen.
Deutschland beschloss nach dem Reaktorunglück von Fukushima (2011) den Atomausstieg; die letzten Kernkraftwerke wurden 2023 abgeschaltet. a) Nenne zwei Argumente für und…
Deutschland beschloss nach dem Reaktorunglück von Fukushima (2011) den Atomausstieg; die letzten Kernkraftwerke wurden 2023 abgeschaltet.
- a) Nenne zwei Argumente für und zwei Argumente gegen die Nutzung der Kernenergie.
- b) Formuliere eine begründete eigene Position in drei bis vier Sätzen.
Die Entdeckung der Radioaktivität und der Kernspaltung hat Medizin, Energieversorgung und Politik verändert. a) Nenne je zwei positive Anwendungen aus Medizin bzw.…
Die Entdeckung der Radioaktivität und der Kernspaltung hat Medizin, Energieversorgung und Politik verändert.
- a) Nenne je zwei positive Anwendungen aus Medizin bzw. Technik.
- b) Nenne zwei Probleme, die durch die Kernspaltung entstanden sind.
- c) Diskutiere, welche Verantwortung Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für die Folgen ihrer Entdeckungen tragen.
Zurück zum Anfang: Die Röntgenaufnahme und der Strom aus Kernenergie gehen auf Becquerels Fotoplatte und auf die Kernspaltung von 1938 zurück. Beide Entdeckungen bringen Nutzen und Risiken, über die die Gesellschaft immer wieder neu entscheiden muss.