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Vor 80 Jahren gelang die erste Kernspaltung

Vor 80 Jahren führten Otto Hahn und Fritz Straßmann Experimente durch, deren Ergebnisse sie nicht erklären konnten. Sie fragten per Brief Lise Meitner um Rat, die vom schwedischen Exil aus wenige Tage später mit Otto Frisch die physikalische Deutung lieferte: Atomkerne wurden gespalten.

Es war einer der spektakulärsten wissenschaftlichen Erfolge des 20. Jahrhunderts - und einer der unheilvollsten.

Physiker wollten wissen, wie Atome aufgebaut sind

Anfang des 20. Jahrhunderts ging es in der Physik Schlag auf Schlag. Während Albert Einstein das Verständnis von Raum und Zeit und damit der großen Zusammenhänge im Universum revolutionierte, beschäftigte sich eine Reihe brillanter Forscher mit den allerkleinsten Objekten. Sie wollten wissen, wie die Atome aufgebaut sind.

Ein wichtiger früher Schritt waren die berühmten Streuversuche von Ernest Rutherford. Der neuseeländische Physiker hatte sich schon Ende des 19. Jahrhunderts mit natürlichem radioaktiven Zerfall beschäftigt und bereits den Nobelpreis in der Tasche, ehe er 1911 sein neues Atommodell vorstellte, bei dem die positive Ladung des Atoms in seinem Zentrum konzentriert ist. Davor war man davon ausgegangen, dass positive und negative Ladungen, also Protonen und Elektronen, in einem Atom gleichmäßig verteilt sind.

Positive Ladung muss im Atomkern konzentriert sein

In seinen Streuversuchen beschoss Rutherford dünne Goldfolien mit Alphateilchen: Heliumkerne aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Dabei stellte er fest, dass nur sehr wenige Teilchen durch Stöße mit den Atomen in der Folie abgelenkt wurden. Der Großteil von ihnen durchdrang die Folie nahezu unbeeinflusst. Seine Schlussfolgerung daraus war klar: Die positive Ladung der Goldatome musste in einem winzigen Bereich, dem Atomkern, konzentriert sein.

Radioaktive Elemente durch Beschuss erzeugt

Bereits sechs Jahre später gelang es Rutherford, einen Atomkern in einen anderen umzuwandeln. Indem er Stickstoffkerne mit Alphateilchen bombardierte, konnte er Sauerstoffkerne erzeugen. Auf ähnliche Art wiesen die französischen Physiker Irene Joliot-Curie und Frederic Joliot schließlich 1934 erstmals künstlich erzeugte, radioaktive Elemente nach. Auch sie beschossen Atomkerne mit Alphateilchen und erhielten für ihre Arbeit im Jahr darauf den Nobelpreis für Chemie.

Kerne verwandeln sich in höhere chemische Elemente

Etwa zur gleichen Zeit schloss der italienische Physiker Enrico Fermi an die Arbeiten des Ehepaars Joliot-Curie an und erzeugte weitere künstliche radioaktive Elemente. Anstelle von Alphateilchen benutzte er dafür jedoch die erst kurz davor entdeckten Neutronen. Mit ihnen konnte er auch die Kerne schwerer Elemente erreichen, die aufgrund ihrer starken positiven Ladung die ebenfalls positiv geladene Alphastrahlung zu stark abstießen, um in den Kern eindringen zu können.

Bei Fermis Experimenten an schweren Kernen zeigte sich immer wieder das gleiche Schema: Zunächst nahm der Kern das ungeladene Neutron auf und wurde dadurch in ein Isotop des gleichen Elements umgewandelt. Dieses war in der Regel jedoch instabil und wandelte sich durch einen Beta-Zerfall, also durch Abstrahlung eines Elektrons, in einen Kern mit einer um eine Einheit erhöhten positiven Ladung. Der ursprüngliche Kern hatte sich also in den Kern des nächsthöheren chemischen Elements verwandelt.

Kernspaltung kam Physikern nicht in den Sinn

Diese Versuche führte Fermi mit allen zu seiner Zeit bekannten Elementen durch, bis hin zu Uran, dem bis dahin schwersten Element. Auch hier wurde das Neutron geschluckt, der Nachweis des neu entstandenen Elements misslang jedoch. Dass ein Urankern durch Neutronenbeschuss in zwei nahezu gleich große Kerne zerplatzen könnte, wurde von Fermi und seinen Kollegen nie ernsthaft in Betracht gezogen.

Schließlich waren bis zu diesem Zeitpunkt nur graduelle Veränderungen an Atomkernen beobachtet worden. Auch der deutsche Chemiker Otto Hahn behauptete nach seiner Entdeckung, er hätte die Kernspaltung schon früher entdecken können, hätte er sich nicht von den Physikern und ihrem Irrglauben, es gäbe nur geringfügige Kernumwandlungen, beeinflussen lassen.

Meitner promovierte als zweite Frau in Physik

Doch zwischen Fermis Experimenten und der richtigen Interpretation der Ergebnisse sollten noch vier Jahre vergehen, in denen die österreichische Physikerin Lise Meitner, Otto Hahn und Fritz Straßmann am Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin zunächst versuchten, die Ergebnisse zu reproduzieren und sogenannte "Transurane" zu finden, also schwerere Elemente als Uran, die durch den Beschuss mit Neutronen entstehen.

Meitner wurde 1906 als zweite Frau an der Universität Wien in Physik promoviert und ging ein Jahr später nach Berlin, wo sie Assistentin von Max Planck, Mitglied der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft und Professorin an der Uni wurde. Nach dem "Anschluss" Österreichs wurde es in Berlin zu gefährlich für die aus einer jüdischen Familie stammende Wissenschafterin und sie floh nach Schweden.

Hahn und Straßmann ratlos

Hahn und Straßmann experimentierten weiter und stießen dabei auf Ergebnisse, die sie sich nicht erklären konnten. Beim Beschuss des Urans mit Neutronen war das viel leichtere Element Barium entstanden. "Hahn war die Sache völlig unverständlich", so der deutsche Wissenschaftshistoriker Ernst Peter Fischer. Er berichtete deshalb Meitner in einem Brief vom 19. Dezember 1938 über die Ergebnisse und fragte sie um Rat: "Es ist nämlich etwas bei den 'Radium-Isotopen', was so merkwürdig ist, daß wir es vorerst nur Dir sagen. (...) Vielleicht kannst Du irgendeine phantastische Erklärung vorschlagen."

Meitner wusste, man kann Atombomben bauen

Meitner hatte diese Erklärung: Gemeinsam mit ihrem Neffen, den österreichischen Physiker Otto Frisch stellte sie Berechnungen an, die - entgegen des bis dahin vorherrschenden Atommodells - ein "Zerplatzen" des Atomkerns möglich erscheinen lassen, wobei eine große Energiemenge frei wird. "Das war ein sehr dramatischer Moment", so Fischer in seinem Hörbuch "Paarläufe der Wissenschaft". "Stellen Sie sich vor: Eine 60-jährige, einsame, vertriebene Frau, im tiefen Winter in einem verschneiten Dorf, kurz vor Weihnachten, hat einen Brief in der Hand und eine Rechnung im Kopf - und weiß jetzt, dass man die Welt zerstören kann, weil sie jetzt weiß, dass man Atombomben bauen kann."

Am 6. Jänner 1939 veröffentlichten Hahn und Straßmann ihre revolutionären Ergebnisse in der Zeitschrift "Naturwissenschaft" unter dem Titel "Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung von Uran mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle". Wenige Wochen später veröffentlichten Meitner und Frisch ihre physikalische Interpretation des Vorgangs in der Fachzeitschrift "Nature".

Militär wurde auf Forschung aufmerksam

Schon bald danach wurde auch das Militär auf das gewaltige Potenzial der Kernspaltung aufmerksam. Im Dezember 1942 gelang Enrico Fermi in Chicago die erste kontrollierte nukleare Kettenreaktion. Dabei wird ausgenutzt, dass bei der Spaltung eines schweren Kerns nicht nur riesige Mengen an Energie frei wird. Gleichzeitig entstehen auch weitere freie Neutronen, die weitere Kerne spalten konnten.

Fermis Forschung war bereits Teil des Manhattan-Projekts zur Entwicklung der ersten Atombombe. Rund zweieinhalb Jahre nach der Reaktor-Premiere in Chicago wurde mit dem "Trinity-Test" die erste Kernexplosion in der Wüste von New Mexico ausgelöst. Nicht einmal drei Wochen später folgte der Abwurf von Atombomben über den japanischen Städten Hiroshima und Nagasaki.

(APA)

Aufgerufen am 10.12.2018 um 09:16 auf https://www.salzburg24.at/news/welt/vor-80-jahren-gelang-die-erste-kernspaltung-60323071

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