Kernspaltung!?

Hallo!
Wir müssen in ein paar Tagen im Physikunterricht ein Referat über Kernspaltung halten. Wir haben uns jetzt auch schon eingelesen, und informationen von verschiedenen Quellen gesammelt.

Es scheint ja so zu sein, dass es am günstigsten ist, einen Atomkern bzw ein Atom mit Neutronen zu beschießen, da diese keinerlei Reaktionen auf die Protonen haben, also nicht elektrisch geladen sind.

Wir sind uns jetzt nicht ganz sicher, wie wir folgende Aussagen verstehen sollen:

Wenn man diese Atomkerne nun mit den Neutronen beschießt, dringen die Neutronen in den Kern ein, und verursachen Instabilität und dadurch wird er gespalten.

und

Wird das Atom mit den Neutronen beschossen, spaltet sich der Atomkern durch die Energie die das Neutron mit in den Kern gebracht hat…

Sind das jetzt 2 widersprüchliche Aussagen oder greifen sie ineinander?

Eine weitere Frage, auf die wir bis jetzt nirgendwo eine zufriedenstellende Antwort finden konnten, ist die, warum nach der Kernspaltung 2-3 Neutronen frei werden.
Dass dies der Fall ist wird überall erwähnt, nirgends aber warum…

Wir wären sehr dankbar wenn und jemand mit diesen Problemen
weiterhelfen könnte…

Liebe Grüße

Hallo!

Wenn man diese Atomkerne nun mit den Neutronen beschießt,
dringen die Neutronen in den Kern ein, und verursachen
Instabilität und dadurch wird er gespalten.

und

Wird das Atom mit den Neutronen beschossen, spaltet sich der
Atomkern durch die Energie die das Neutron mit in den Kern
gebracht hat…

Sind das jetzt 2 widersprüchliche Aussagen oder greifen sie
ineinander?

Sie greifen ineinander.
Praktisch ist es zudem so, dass das Neutron eine bestimmte Energie haben muss, damit das ganze funktioniert. Hat es zu viel Energie, kann es vom Kern gar nicht eingefangen werden, fliegt also einfach hindurch. Hat es zu wenig, dringt es gar nicht bis zum Kern vor.

Das ist auch der Grund, wieso man in einem Atomreaktor einen Moderator, z.B. Wasser oder Graphit, als Moderator verwendet. Er bremst die schnellen Neutronen auf das passende Energieniveau ab.

Eine weitere Frage, auf die wir bis jetzt nirgendwo eine
zufriedenstellende Antwort finden konnten, ist die, warum nach
der Kernspaltung 2-3 Neutronen frei werden.
Dass dies der Fall ist wird überall erwähnt, nirgends aber
warum…

Stark vereinfacht ist das so, wenn man Atome basteln will:

  1. Neutonen haben keine Elementarladung.
    2.Protonen haben eine positive und Elektronen eine negative Elementarladung. Zudem ist die Ladung eines Protons und eines Elektrons gleich gross, nur die Vorzeichen sind unterschiedlich.
  2. Unterschiedliche Ladungen ziehen sich an und gleiche stossen sich ab.

Wenn du gleich viele Protonen im Kern hast, wie Elektronen aussenrum, ist dein Atom elektrich neutral und im Gleichgewicht.
Allerdings sind die Protonen im Kern sehr dicht gedrängt und die Elektronen halten sich recht weit vom Kern auf.
Nun hast du das Problem, dass sich die Protonen, wegen der gleichen Ladung, eigentlich abstossen.
Was du jetzt benötigst ist eine Art Leim, welcher die Protonen zusammenhält. Dieser Leim sind die Neutronen.

Da Wasserstoff nur aus einem Proton und einem Elektron besteht, gibt es nichts zu Kleben und im Kern findet sich auch kein Neutron. Deshalb ist Wasserstoff eine Ausnahme.

Wenn du gleich viel Neutronen wie Protonen nimmst, ist der Kern stabil (Das stimmt zwar nicht für alle Fälle, aber wir haben ja stark vereinfacht).

Wenn du ein Neutron zu viel nimmst ist die Kleberei nicht mehr so ganz stabil. Kommt jetzt noch ein zweites überflüssiges Neutron zum Kern hinzu, zerfällt er in zwei Teile, welche dann jeweils wieder gleichviel Neutronen und Protonen haben und du hast zwei überflüssige Neutronen.

MfG Peter(TOO)

Hallo Tina,

Peter hat schon die wichtigsten Sachen sehr schön beschrieben.

Ich erinnere mich an das „Wassertropfenmodell“. Stell Dir einen großen Wassertropfen vor, der z.B. von einem weiteren kleinen aufprallenden Tropfen gestört wird. Der fängt an zu wackeln und
u.U. zerreißt er, dann hast Du zwei neue Kerne.

Diese wiederum haben je nach ihrer „neuen“ Ordnungszahl u.U. zuviele Neutronen „an Bord“, die dann abgegeben werden.

Außerdem wird die überschüssige Energie auf verschiedene Art abgegeben, also radioaktive Strahlung.

Frag, ruf mal ein Kernkraftwerk an und bitte um Info-Material, die sind froh, wenn´s nicht nur immer „Mecker“ gibt.

Viel Erfolg!

Gruß Volker

Hallo Peter, Hallo Volker!

Erstmal vielen vielen Dank für eure Antworten.
Sie haben mich schon wirklich sehr viel weiter gebracht.
Ich habe also richtig verstanden, dass es dann zu einer Spaltung des Atomskerns kommt, wenn die „Toleranz“ des Atomkerns praktisch überschritten ist, bzw. die Bindungsenergien zwischen Protonen und Neutronen so stark aus dem Gleichgewicht geraten sind, dass das Atom es nicht mehr verkraftet?

Peter, du hast geschrieben:
„Was du jetzt benötigst ist eine Art Leim, welcher die Protonen zusammenhält. Dieser Leim sind die Neutronen.“

Ist es so, dass nur die Neutronen der „Leim“ sind, und die Protonen nur durch die Neutronen zusammengehalten werden?!

Ich weiß nämlich nichtmehr genau wo ich das gelesen habe, aber ich meinte mich an eine Aussage zu erinnern, in der es hieß, diese „Bindungsenergie“ (Ich bin mir nicht sicher ob das der richtige Ausdruck war) besteht auch zwischen Protonen und Protonen und Neutronen und Neutronen,…

Wobei das ja unlogisch wäre, da die Neutronen ja keine ladung besitzen und somit auch nich abgestoßen oder angezogen werden würden…

Jetzt hab ich mich ein bisschen in meinen eigenen Gedanken verfangen… :wink: Ich hoffe es steigt trotzdem noch jemand durch, und kann mir da nochmal weiterhelfen :smile:

Liebe Grüße
Tina

Hallo!

Schalte ich mich auch mal ein…

Erstmal vielen vielen Dank für eure Antworten.
Sie haben mich schon wirklich sehr viel weiter gebracht.
Ich habe also richtig verstanden, dass es dann zu einer
Spaltung des Atomskerns kommt, wenn die „Toleranz“ des
Atomkerns praktisch überschritten ist, bzw. die
Bindungsenergien zwischen Protonen und Neutronen so stark aus
dem Gleichgewicht geraten sind, dass das Atom es nicht mehr
verkraftet?

Ja, genau.

Peter, du hast geschrieben:
„Was du jetzt benötigst ist eine Art Leim, welcher die
Protonen zusammenhält. Dieser Leim sind die Neutronen.“

Ist es so, dass nur die Neutronen der „Leim“ sind, und die
Protonen nur durch die Neutronen zusammengehalten werden?!

Nein. Im Kern gibt es anziehende und abstoßende Kräfte. Abstoßend ist die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen zwei gleichnamig geladenen Teilchen, also im Kernz zwischen Protonen. Anziehend wirkt die so genannte „starke Wechselwirkung“. Sie wirkt zwischen allen Teilchen, die aus Quarks bestehen, also zwischen Neutronen und Neutronen, zwischen Neutronen und Protonen und zwischen Protonen und Protonen. Ein weiterer Unterschied ist die Reichweite: Die Reichweite der elektromagnetischen Wechselwirkung ist theoretisch unbegrenzt, wenn auch ihre Stärke mit zunehmender Entfernung abnimmt. Die Reichweite der starkten Wechselwirkung ist sehr, sehr kurz.

In einem Kern ziehen sich also alle Nukleonen gegenseitig an, wobei sich die positiven Ladungen der Protonen gegenseitig abstoßen. Wenn genügend Neutronen vorhanden sind, die ja nur zur anziehenden, jedoch nicht zur abstoßenden Kraft beitragen, ist der Kern als Ganzes stabil.

Nun könnte man meinen, dass ein weiteres Neutron den Kern als Ganzes nur noch stabiler machen kann. Das stimmt jedoch nicht. Erstens gibt es noch andere Effekte, die ich mal außen vor gelassen habe (Atomkerne haben so eine Art Oberflächenspannung), zweitens sind bestimmte Zahlenverhältnisse von Neutronen und Protonen günstiger (aus einem ganz ähnlichen Grund wie die Edelgaskonfiguration in der Chemie) und drittens bringt das Neutron eine gehörige Portion Energie mit, die den Kern ziemlich in Unruhe versetzt.

Ich weiß nämlich nichtmehr genau wo ich das gelesen habe, aber
ich meinte mich an eine Aussage zu erinnern, in der es hieß,
diese „Bindungsenergie“ (Ich bin mir nicht sicher ob das der
richtige Ausdruck war) besteht auch zwischen Protonen und
Protonen und Neutronen und Neutronen,…

Ja, s. o… Die Abstoßung der Protonen liefert einen positiven Beitrag zur Bindungsenergie, die Anziehung von allen Nukleonen einen negativen Beitrag. Das Atom ist stabil, wenn seine Gesamtenergie kleiner als Null ist.

Übrigens: Atomkerne, deren Energie unter bestimmten Voraussetzungen ein ganz kleines bisschen höher als Null ist, sind radioaktiv. Zwar werden die Teile noch durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten. Wenn jedoch ein Alphateilchen zufällig den kleinen Bereich der Reichweite der starken Wechselwirkung verlässt, wird es plötzlich abgestoßen. Das ist dann Alpha-Strahlung.

Wobei das ja unlogisch wäre, da die Neutronen ja keine ladung
besitzen und somit auch nich abgestoßen oder angezogen werden
würden…

Die starke Wechselwirkung greift nicht an der Ladung an. Vielmehr handelt es sich neben Gravitation (die mit der „Masse“ wechselwirkt) und elektromagnetische Wechselwirkung um eine dritte fundamentale Kraft. Die vierte im Bunde wäre die schwache Wechselwirkung, die für den Beta-Zerfall verantwortlich ist.

Jetzt hab ich mich ein bisschen in meinen eigenen Gedanken
verfangen… :wink: Ich hoffe es steigt trotzdem noch jemand
durch, und kann mir da nochmal weiterhelfen :smile:

Ich hoffe, ich habe Dich nicht allzusehr verwirrt, aber was Du bisher geschrieben hast, hört sich so an, als wärst Du schlau genug, um das zu versehen.

Gruß Michael

Ich habe meine Teil des Referats jetzt soweit fertiggestellt.
Ich würde mich riesig freuen wenn sich jemand die Mühe machen würde,
es sich einmal durchzulesen und zu schauen, ob ich das jetzt soweit richtig verstanden und wiedergegeben haben…

Hier also meine Notitzen:

Zunächst muss man zwischen spontaner und induzierter Kernspaltung unterscheiden.

Bei der spontanen Kernspaltung, spalten sich die Atomkerne einiger Elemente ohne äußere Einwirkung. Dieser Vorgang ist eine Art des radioaktiven Zerfalls.

In unserem Referat wollen wir allerdings näher auf die induzierte Kernspaltung eingehen.
Wie der Name schon sagt, wird bei der induzierten Kernspaltung auf die Atomkerne eingewirkt um sie dazu zu bringen, sich zu spalten.
Dies geschieht durch das Beschießen der Atomkerne mit ausgewählten Teilchen.
Am besten dazu geeignet sind Neutronen, da sie elektrisch neutral sind und somit weder von Elektronen noch von Protonen abgestoßen werden.

Da die Neutronen im Kern „stecken bleiben“ müssen, um den Vorgang der Kernspaltung hervorzurufen, dürfen sie nicht zu schnell sein. Man nennt sie deshalb auch „langsame Neutronen“.

Wichtig ist noch, dass die Kernspaltung nur bei Elementen vorgenommen werden kann, die „schwer genug sind“

Uran 235 ist das „schwerste“ Element.
Deshalb wird in Kernkraftwerken das Isotop Uran235 verwendet.

Deshalb, erklären wir die induzierte Kernspaltung auch am Beispiel des Urans 235.

Man beschießt die Uran-Atome mit „langsamen Neutronen“. Die Neutronen bleiben im bis dahin (relativ) stabilen Kern des Uranatoms stecken. Der Kern gewinnt dadurch die Bindungsenergie (…) und eventuelle kinetische Energie des Neutrons. Er befindet sich also in einem „angeregten“ bzw. vom Normalfall veränderten Zustand. Da dieser Zustand instabil ist, spaltet sich der Kern des Urans, um wieder einen stabilen Zustand zu erreichen. Es entstehen 2 Spaltprodukte, d.h. neue Atomkerne, anderer Elemente, die in sich wieder stabil sind. Außerdem werden 3 Neutronen frei. Eines davon ist das Neutron, mit dem der Atomkern beschossen wurde, die beiden anderen werden abgegeben, da die beiden entstandenen kleineren Atomkerne nicht alle vorher vorhandene Neutronen aufnehmen können. Diese 3 „freien“ Neutronen, dringen ihrerseits in benachbarte Atomkerne ein, und bringen diese wieder dazu sich zu spalten. Die Neutronen die bei dieser Spaltung frei werden, spalten wiederum andere Atomkerne. Das ist die so genannte Kettenreaktion.
Eine solche „unkontrollierte Kettenreaktion“ kann aber nur stattfinden, wenn genügend Atomkerne vorhanden sind. Bei kleinen Mengen an U-235 kommt es nicht zu so einer Reaktion, da zu viele Neutronen ungenutzt (ohne andere Atomkerne gespaltet zu haben, da zu wenige vorhanden sind) nach außen entweichen.
Um eine unkontrollierte Kettenreaktion hervorrufen zu können, wird also eine Mindestmasse an Atomen benötigt, die so genannte „Kritische Masse“. Bei Uran beträgt sie ca. 50kg.
Ein weiteres und sehr wichtiges Spaltungsprodukt ist die, bei der Spaltung freiwerdende Energie. Sie tritt in Form von Wärme und Strahlung auf. Sie beträgt bei der Spaltung eines einzelnen Uran235-Atoms etwa 200 Megaelektronvolt (sehr viel).
Nun stellt sich die Frage, woher kommen diese riesigen Energiemengen?
Dadurch dass man heute viele Hilfsmittel hat, hat man herausgefunden, dass, wenn man genau 1000g Uran-235 in die Reaktion einsetzt, die Masse der Spaltprodukte genau 1g weniger beträgt, also 999g. Durch den Einsatz moderner technischer Messmethoden fand man heraus, dass die „fehlende Masse“ von einem Gramm, eine andere Gestalt angenommen hat.
Sie hat sich in Energie umgewandelt.

Hallo!

Hört sich ganz gut an…

Uran 235 ist das „schwerste“ Element.
Deshalb wird in Kernkraftwerken das Isotop Uran235 verwendet.

Das würde ich so nicht schreiben. Zum einen sind die schweren Uran-Isotope eben nicht spaltbar. Zum anderen gibt es auch Nuklide mit größerer Massenzahl (Insbesondere Plutonium), die eingesetzt werden können.

Man beschießt die Uran-Atome mit „langsamen Neutronen“. Die
Neutronen bleiben im bis dahin (relativ) stabilen Kern des
Uranatoms stecken. Der Kern gewinnt dadurch die
Bindungsenergie (…) und eventuelle kinetische Energie des
Neutrons.

Das ist zwar nicht falsch, aber missverständlich. Sag einfach, dass der Kern durch die Aufnahme des Neutrons „Energie“ gewinnt.

Eines davon ist das Neutron,
mit dem der Atomkern beschossen wurde, die beiden anderen
werden abgegeben, da die beiden entstandenen kleineren
Atomkerne nicht alle vorher vorhandene Neutronen aufnehmen
können.

Es entstehen drei Neutronen. Ob es sich dabei um Neutronen aus dem Kern handelt oder ob es das Neutron war, das die Kernreaktion gezündet hat, kann man unmöglich wissen. (Auf einer höheren Ebene macht es sogar gar keinen Unterschied, woher das Neutron stammt…)

Diese 3 „freien“ Neutronen, dringen ihrerseits in
benachbarte Atomkerne ein, und bringen diese wieder dazu sich
zu spalten. Die Neutronen die bei dieser Spaltung frei werden,
spalten wiederum andere Atomkerne. Das ist die so genannte
Kettenreaktion.

Eine Kettenreaktion ist es schon dann, wenn von den drei Neutronen durchschnittlich eines eine weitere Kernspaltung bewirkt. Dann nennt man die Kettenreaktion „kritisch“. Wenn es durchschnittlich mehr als ein Neutron schafft, nennt man die Reaktion „überkritisch“.

Dadurch dass man heute viele Hilfsmittel hat, hat man
herausgefunden, dass, wenn man genau 1000g Uran-235 in die
Reaktion einsetzt, die Masse der Spaltprodukte genau 1g
weniger beträgt, also 999g. Durch den Einsatz moderner
technischer Messmethoden fand man heraus, dass die „fehlende
Masse“ von einem Gramm, eine andere Gestalt angenommen hat.
Sie hat sich in Energie umgewandelt.

Das wusste man schon vorher. Die entsprechende Formel stammt von Albert Einstein. Erst durch die Entwicklung moderner Messmethoden konnte man experimentell zeigen, dass Einstein recht hatte. Aber in Wirklichkeit zweifelte kein Wissenschaftler daran.

Für mich hört sich der Text ansonsten gut an. (Auch die Anmerkungen, die ich gemacht habe, sind eigentlich eher Kleinigkeiten. Das Prinzip habt ihr gut verstanden.)

Ich weiß nicht, wie die Aufgabenstellung genau lautete. Es könnte sein, dass man sich noch Gedanken über den Moderator machen sollte (also die Frage, wie man aus schnellen Neutronen langsame Neutronen macht).

Michael