Entdeckung der Kernspaltung

Kern der Entdeckung

Die Entdeckung der Kernspaltung am 17. Dezember 1938 im Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin-Dahlem war ein zentrales Ereignis der Naturwissenschaftsgeschichte. Bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen entstanden nicht nur erwartete schwere Reaktionsprodukte, sondern Spaltprodukte des Urans. Das zuerst sicher nachgewiesene Spaltprodukt war Barium. Otto Hahn und Fritz Straßmann konnten dies durch radiochemische Analysen zeigen; nach Angaben Straßmanns war der Nachweis am 18. Dezember 1938 vollständig abgeschlossen.

Kernspaltung bedeutet hier: Ein schwerer Atomkern zerfällt nach dem Einfang eines Neutrons in zwei leichtere Kerne. Beim Uran läuft dies über einen angeregten Zwischenkern ab, zum Beispiel: ^{235}U + n → ^{236}U* → ^{139}Ba + ^{95}Kr + 2 n. Dieses Beispiel steht für mehr als 100 mögliche Spaltungen von ^{235}U. Dass die Spaltung vor allem das Uranisotop ^{235}U betrifft, erkannte Niels Bohr 1939.

Lise Meitner und Otto Frisch deuteten das Ergebnis im Januar 1939 physikalisch. Sie beschrieben den Urankern als elektrisch geladenen Flüssigkeitstropfen, der durch ein eingefangenes Neutron so stark schwingen kann, dass er in zwei annähernd gleich große Fragmente zerfällt. Frisch prägte dafür den englischen Begriff nuclear fission, auf Deutsch Kernspaltung. Die Reaktion setzt sehr viel Energie frei: Meitner und Frisch schätzten etwa 200 MeV pro Spaltung, und Otto Frisch wies im Februar 1939 experimentell etwa 2 × 70 MeV kinetische Energie der Bruchstücke nach. Insgesamt ergeben sich ungefähr 200 MeV pro Spaltung eines spaltbaren Atomkerns.

Forschungslage vor 1938

Vor der Entdeckung der Kernspaltung wurden Radioaktivität, künstliche Radioaktivität und Kernumwandlungen bereits intensiv erforscht. Irène Joliot-Curie und Frédéric Joliot machten 1934 durch Bestrahlung mit Alphateilchen nicht radioaktive Elemente künstlich radioaktiv und erhielten dafür 1935 den Nobelpreis für Chemie. Enrico Fermi verwendete 1934/35 stattdessen Neutronen. Diese sind elektrisch ungeladen und können deshalb auch in Atomkerne mit hoher positiver Kernladung eindringen.

Fermi bestrahlte 68 der damals bekannten 89 chemischen Elemente mit Neutronen und beobachtete bei 47 Elementen Umwandlungen. Bei schweren Elementen verstand man den Vorgang meist so: Ein Atomkern nimmt ein Neutron auf, wird dadurch zu einem instabilen Isotop mit um eins erhöhter Massenzahl und zerfällt anschließend durch β^{-}-Strahlung in ein Element mit nächsthöherer Ordnungszahl. Ein Beispiel aus dem Artikel ist ^{109}Ag + n → ^{110}Ag → ^{110}Cd mit einer Halbwertszeit von 24 s.

Fermi entdeckte außerdem, dass wasserstoffhaltige Stoffe wie Wasser oder Paraffin die Wirkung der Neutronen verstärken. Heute spricht man von Moderatoren: Sie bremsen Neutronen ab. Langsame, thermische Neutronen werden mit höherer Wahrscheinlichkeit von Atomkernen eingefangen.

Beim Uran erwartete man zunächst Transurane, also Elemente mit Ordnungszahlen über 92. Nach damaliger Vorstellung sollten die Elemente 93 bis 96 im Periodensystem unter Rhenium, Osmium, Iridium und Platin stehen und ihnen chemisch ähneln. Diese Annahme war falsch. Erst später stellte sich heraus, dass die Elemente ab Actinium zu den Actinoiden gehören. Die tatsächlichen Elemente 93 bis 96 heißen Neptunium, Plutonium, Americium und Curium.

Radiochemische Methode

Die Berliner Arbeitsgruppe am Kaiser-Wilhelm-Institut bestand aus Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Straßmann. Sie untersuchte seit Ende 1934 Fermis Uranversuche weiter. Das Hauptproblem war, dass bei der Neutronenbestrahlung nur winzige, unwägbare Mengen neuer radioaktiver Stoffe entstanden, deutlich weniger als 1 Pikogramm. Chemische Massenanalysen reichten dafür nicht aus; der Nachweis der Strahlung war aber sehr empfindlich.

Die Forscher kombinierten deshalb chemische Trennverfahren mit Messungen der Radioaktivität. Vor der Bestrahlung musste Uran gereinigt werden, weil natürliches Uran Folgeprodukte wie ^{234}Th (UX1) und ^{234}Pa (UX2) enthält, deren β-Strahlung die Messungen stören konnte. Das Uran wurde unter anderem durch Mitfällung der Folgeprodukte an Eisenhydroxid gereinigt und anschließend als Ammoniumdiuranat gefällt.

Ein wichtiges Verfahren war die Mitfällung: Winzige Mengen eines radioaktiven Stoffes werden zusammen mit einer größeren Menge einer chemisch ähnlichen Trägersubstanz ausgefällt. So hoffte man, unbekannte Transurane an Sulfiden von Rhenium oder Platin mit abzuscheiden. Ein zweites zentrales Verfahren war die fraktionierte Kristallisation. Dabei kristallisiert ein Stoffgemisch in mehreren Fraktionen aus. Chemisch sehr ähnliche Stoffe, etwa Barium und Radium, verteilen sich dabei unterschiedlich: Radium reichert sich bei Bariumchlorid oder Bariumbromid in der Kopffraktion an.

Die Aktivität der Proben wurde mit Geiger-Müller-Zählrohren gemessen. Aus den Zählimpulsen pro Minute und ihrem zeitlichen Abfall konnte man Halbwertszeiten bestimmen. Eine Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Aktivität eines radioaktiven Stoffes auf die Hälfte sinkt. Enthielt eine Probe mehrere radioaktive Isotope, konnte man ihre Halbwertszeiten aus dem Kurvenverlauf trennen, wenn sie nicht zu nah beieinanderlagen.

Der chemische Nachweis von Barium

1937 fanden Irène Joliot-Curie und Paul Savitch in Paris bei der Bestrahlung von Uran einen β^{-}-Strahler mit 3,5 Stunden Halbwertszeit, der sich chemisch schwer einordnen ließ und lanthanähnliche Eigenschaften zeigte. Hahn und Straßmann überprüften diese Ergebnisse im Herbst 1938. Sie suchten nach angeblichen Radiumisotopen, weil ein möglicher Reaktionsweg über Thorium und Radium zu Actinium führen konnte.

Zunächst glaubten sie, mehrere Radiumisotope gefunden zu haben, unter anderem mit Halbwertszeiten von etwa 14 ± 2 Minuten, 86 ± 6 Minuten und 250–300 Stunden. Das war physikalisch schwer erklärbar, denn alle sollten nach dem angenommenen Reaktionsweg dieselbe Massenzahl haben. Um zu prüfen, ob es wirklich Radium war, trennten Hahn und Straßmann die Produkte mit Bariumchlorid und Bariumbromid durch fraktionierte Kristallisation. Echtes Radium hätte sich in der Kopffraktion anreichern müssen.

Die entscheidenden Versuche zeigten das Gegenteil. Bei den vermeintlichen Radiumisotopen blieb die Aktivität gleichmäßig auf die Bariumfraktionen verteilt. Kontrollversuche mit echten Radiumisotopen wie ^{224}Ra und ^{228}Ra zeigten dagegen die erwartete Anreicherung. Besonders wichtig war der Indikatorversuch vom 17. Dezember 1938: Das natürliche Radiumisotop Mesothorium 1 (MsTh1, ^{228}Ra) reicherte sich stark in der Kopffraktion an, das vermeintliche RaIII dagegen nicht. Es verhielt sich wie Barium.

Daraus folgerten Hahn und Straßmann: Die vermeintlichen Radiumisotope waren keine Radiumisotope, sondern radioaktive Bariumisotope. Dieses Ergebnis war chemisch eindeutig, aber kernphysikalisch überraschend, weil ein Urankern nach damaliger Erwartung nicht einfach in ein viel leichteres Element wie Barium „zerplatzen“ sollte. Hahn und Straßmann reichten ihre Veröffentlichung am 22. Dezember 1938 bei Die Naturwissenschaften ein; sie erschien am 6. Januar 1939. In weiteren Arbeiten bestätigten sie den Befund mit zusätzlichen Indikatorversuchen, einem Kreislaufversuch und dem Nachweis weiterer Spaltprodukte.

Physikalische Deutung und Bestätigung

Otto Hahn informierte Lise Meitner am 19. Dezember 1938 brieflich über die Ergebnisse und bat sie um eine Erklärung. Meitner antwortete, ein so weitgehendes Zerplatzen erscheine schwierig, aber in der Kernphysik habe man so viele Überraschungen erlebt, dass man nicht einfach sagen könne, es sei unmöglich.

Während der Weihnachtstage 1938 entwickelten Lise Meitner und ihr Neffe Otto Frisch eine Deutung. Sie griffen das Modell des Atomkerns als elektrisch geladenen Flüssigkeitstropfen auf. Ein großer Urankern sei bereits labil; nach dem Einfang eines Neutrons könne er sich so verformen, dass er in zwei kleinere Kerne zerfällt. Wegen ihrer positiven Ladungen stoßen sich die beiden Bruchstücke stark ab. Aus dieser Abstoßung und dem Massendefekt erklärten sie die hohe Energiefreisetzung von etwa 200 MeV.

Frisch bestätigte die Deutung im Januar 1939 experimentell. Er verwendete eine kleine Ionisationskammer mit Uranpräparat und eine Ra-Be-Neutronenquelle. Die Messapparatur registrierte nur stark ionisierende Teilchen mit Energien über 20 MeV, sodass die gewöhnliche Alphastrahlung des Urans mit 4,2 MeV unterdrückt wurde. Bei ungebremsten Neutronen maß er etwa 15 Spaltprodukte pro Minute; mit durch Paraffin verlangsamten Neutronen etwa doppelt so viele. Bei Thorium zeigten sich ähnliche Ergebnisse, allerdings verstärkten langsame Neutronen dort den Effekt nicht.

Nach den Veröffentlichungen Anfang 1939 wurden die Ergebnisse weltweit rasch bestätigt. Bis Ende Februar 1939 waren mehr als 40 Arbeiten erschienen. Hahn und Straßmann wiesen auch weitere Spaltprodukte nach, darunter radioaktives Strontium sowie Hinweise auf radioaktive Edelgase wie Krypton oder Xenon und deren Zerfallsprodukte Rubidium oder Cäsium. Außerdem bestätigten sie, dass auch Thorium bei Neutronenbestrahlung Bariumisotope bilden kann.

Folgen und tatsächliche Transurane

Eine wichtige Folge der Entdeckung war die Erkenntnis, dass bei jeder Uranspaltung neben den beiden Bruchstücken auch zwei bis drei Neutronen frei werden können. Damit ist eine Kettenreaktion möglich: Freigesetzte Neutronen können weitere Urankerne spalten. Niels Bohr erkannte 1939, dass vor allem ^{235}U, das im natürlichen Uran nur zu etwa 0,7 % vorkommt, für die Spaltung verantwortlich ist.

Die Energie der Kernspaltung beruht auf der höheren Bindungsenergie pro Nukleon in mittelschweren Kernen im Vergleich zu Uran. Aus heutigen Atommassen ergibt sich zum Beispiel für ^{235}U + n → ^{139}Ba + ^{94}Kr + 3 n eine Massenänderung von 0,183 u; bei ^{235}U + n → ^{140}Ba + ^{94}Kr + 2 n sind es 0,190 u. Da 1 u einer Energie von 931,494 MeV entspricht, ergeben 0,19 u etwa 177 MeV. Insgesamt liegt die frei werdende Energie in der Größenordnung von 200 MeV pro Spaltung.

Nach der Entdeckung musste die Suche nach echten Transuranen neu beginnen. Element 93, Neptunium, wurde 1940 in Berkeley von Edwin M. McMillan und P. H. Abelson identifiziert. Es entsteht aus ^{238}U durch Neutroneneinfang zu ^{239}U und anschließendem β^{-}-Zerfall zu ^{239}Np mit 2,3 Tagen Halbwertszeit. Element 94, Plutonium, wurde ebenfalls in Berkeley erforscht. Das wichtige Isotop ^{239}Pu entsteht über ^{239}U und ^{239}Np und hat eine Halbwertszeit von 24.000 Jahren; es ist durch Neutronen gut spaltbar.

Die technische Nutzung folgte schnell. Am 2. Dezember 1942 wurde der von Enrico Fermi gebaute Chicago Pile 1 kritisch, das heißt, die Kettenreaktion lief selbständig. Im Juli 1945 wurde beim Trinity-Test die erste Atombombe gezündet; im August 1945 folgten die Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki. Die zivile Nutzung begann nach dem Krieg: Obninsk nahm 1954 den Betrieb auf, Calder Hall 1956 und Shippingport 1957. Für die Entdeckung der Spaltung schwerer Kerne erhielt Otto Hahn den Nobelpreis für Chemie 1944; 1966 erhielten Lise Meitner, Otto Hahn und Fritz Straßmann gemeinsam den Enrico-Fermi-Preis.