Kernspaltung

Während radioaktive Elemente von selbst zerfallen und sich in andere Elemente umwandeln, können Atomumwandlungen auch dadurch erzielt werden, dass aus dem Atomkern unter Zuhilfenahme von winzigen Wurfgeschossen¹ Teile des Atomkernes (Protonen und Neutronen) herausgeschossen werden.

Bei der Atomumwandlung infolge natürlicher oder künstlicher Radioaktivität wird die Ordnungszahl relativ wenig geändert. Aus Uran (Ordnungszahl 92) z. B. entsteht zuletzt Blei (Ordnungszahl 82). Der größere Teil des Urankerns bleibt also auch dabei erhalten. Eine Atomumwandlung, bei der sich die Ordnungszahl wesentlich (z. B. um 50 %) ändert, bei der also der gesamte Kern in zwei oder mehr Trümmer zerfällt, wird Kernspaltung genannt.

Wird z. B. der Kern eines Heliumatoms durch einen solchen Beschuss gespalten (Kernspaltung), so entstehen aus dem Heliumkern zwei Deuteriumkerne.

Bestimmte Kernspaltungen dicht gepackter², schwerer Kerne (wie z. B. von Uran) sind heute von größter Bedeutung. Bei ihnen ist die Energie der fortgeschleuderten Kern-Bruch-stücke um das 10 bis 100 fache größer als bei anderen Kernumwandlungen. Vor allem entstehen dabei als weitere Kerntrümmer Neutronen, die ihrerseits wieder neue Kernspaltungen hervorrufen, so dass dabei insgesamt u. U. ungeheure Energiemengen entstehen können.

Als Wurfgeschosse für Kernumwandlungen sind Protonen, Deuteronen, Heliumkerne (α-Teilchen) und Neutronen geeignet.

Für Kernspaltungen sind insbesondere Neutronen geeignet.

Prinzip des zyklotrons

Wenn mit einem elektrisch geladenen Teilchen eine Kernumwandlung erzielt werden soll, so muss diesem Wurfgeschoß eine große Geschwindigkeit erteilt werden. Ein ruhendes, elektrisch geladenes Teilchen erlangt eine mehr oder weniger große Geschwindigkeit, wenn es der Einwirkung eines elektrischen Feldes unterliegt.

Im elektrischen Feld, das zwischen zwei elektrisch geladenen Platten liegt, wird ein Proton von der positiv geladenen Metallplatte abgestoßen und von der negativ geladenen Metallplatte angezogen. Das Elektron jedoch wird von der Minusplatte abgestoßen und von der Plusplatte angezogen. Die im Feld erlangte Geschwindigkeit ist desto größer, je größer³ die im Feld durchlaufene Spannung ist. Die α-Teilchen einer radioaktiven Substanz, mit denen man Kernspaltungen durchführen kann, haben beispielsweise eine Geschwindigkeit, als ob sie ein elektrisches Feld einer Spannung von 9 Millionen Volt durchlaufen hätten.

Es ist technisch nicht möglich, elektrische Felder herzustellen, in denen z. B. ein Proton eine Spannung von 9 Millionen Volt auf gerader Strecke durchläuft. Mit Hilfe eines Zyklotrons hingegen ist es unter Verwendung⁴ einer Spannung von beispielsweise nur 10 000 Volt möglich, dem Proton die gleiche Geschwindigkeit zu erteilen, als ob es eine Spannung von z. B. 300 Millionen Volt durchlaufen hatte. Dies wird dadurch erreicht, dass das geladene Teilchen durch die Einwirkung riesiger Magnete gezwungen wird, in spiraligem Umlauf⁵ die tatsächlich verwendete Spannung viele Male zu durchlaufen. Mit Hilfe des Zyklotrons können heute künstliche α-Teilchen hergestellt werden, die eine wesentlich größere Geschwindigkeit haben als die α-Teilchen einer radioaktiven Substanz.

Durch Beschuss von Atomkernen mit Wurfgeschossen, denen im Zyklotron eine hohe Geschwindigkeit erteilt wurde, konnten bereits Hunderte von Kernumwandlungen durchgeführt werden. Mit Hilfe des Zyklotrons ist es beispielsweise möglich, Stickstoff in Wasserstoff umzuwandeln. Das Verfahren bringt jedoch keine große Ausbeute⁶ und ist so kostspielig, dass man nicht etwa daran denken kann, technisch mit diesem Verfahren aus dem Stickstoff der Luft Wasserstoff herzustellen.

Im Zyklotron werden elektrisch geladenen Teilchen durch vielfaches Durchlaufen eines elektrischen Feldes hohe Geschwindigkeiten erteilt. Das Zyklotron liefert Wurfgeschosse für Kernumwandlungen.