mini|Ehemaliges Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie (KWI), heute Hahn-Meitner-Bau der Freien Universität Berlin. Die Forschungsgruppe ist bereits 1949 nach Mainz an das Max-Planck-Institut für Chemie bzw. Otto Hahn Institut umgezogen.
Die Entdeckung der Kernspaltung am 17. Dezember 1938Siehe die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) im Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie (KWI) in Berlin-Dahlem ist eines der bedeutendsten und folgenreichsten Ereignisse in der Geschichte der Naturwissenschaften.
Bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen entstanden Spaltprodukte des Urans, unter anderem das zuerst nachgewiesene Barium.Hinweis: Das zweite Spaltfragment wäre hier Lanthan, das im Artikel weiter unten erwähnt wird. Diese Tatsache musste jedoch erst erkannt werden. Da alle anderen Deutungsversuche nicht den Regeln der Physik gehorchten, war damit die Kernspaltung als neuartiger Kernprozess oder Kernreaktion entdeckt worden. Dieses entscheidende Ergebnis eines kernphysikalischen und radiochemischen Experiments von Otto Hahn wurde durch chemische Analysen seines Assistenten Fritz Straßmann bestätigt. Nach Angaben von Strassmann war das Experiment am 18. Dezember 1938 vollständig abgeschlossen und die Spaltung nachgewiesen.„In diesem Meßzimmer, am 18.12.1938, war der Schluß nicht mehr zu umgehen, daß eine Spaltung des Urans nachgewiesen war.“ und „Am 18.12.1938 wurden die Experimente endgültig abgeschlossen, danach der Bericht verfaßt.“ – Fritz Strassmann (Kernspaltung. Berlin Dezember 1938, 1978, Privatdruck)
Das Experiment wurde 1939 auch in den USA und anderen Laboren durchgeführt und bestätigt.
In interdisziplinärer Zusammenarbeit wurde dieses unerwartete Ergebnis im Januar 1939 durch Lise Meitner und Otto Frisch erstmals theoretisch und kernphysikalisch gedeutet. Unabhängig davon gelang Siegfried Flügge zusammen mit Gottfried von Droste eine vollständige physikalisch-theoretische Deutung unmittelbar nach BekanntwerdenHorst Kant: Zur Geschichte der Physik an der Reichsuniversität Straßburg in der Zeit des Zweiten Weltkrieges, Berlin 1997. Preprint: Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte 73. S. 28. der Entdeckung der KernspaltungHelmut Rechenberg: Siegfried Flügge und Horst Korsching und der Uranverein. Nachruf. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. Jg. 51 (1998). H. 8, S. 312.. Eine Theorie der Physik der Kernspaltung lieferten Niels Bohr und John A. Wheeler noch 1939, wobei Bohr die Theorie des Zwischenkerns bereits 1936 vorgeschlagen hatte. Die Theorie von Bohr-Wheeler sagte auch die spontane Kernspaltung voraus, die im Jahr 1940 von sowjetischen Forschern bestätigt wurde.
Dieser Artikel behandelt ausschließlich die Entdeckung der Kernspaltung. Weitere Details zu dem Kernspaltungsprozess finden sich in den entsprechenden Artikeln. Die Protonen und Neutronen im Atomkern werden durch die Kernkraft zusammengehalten, die theoretisch durch die Quantenchromodynamik beschrieben wird. Die Anwendungen der Kernenergie wird durch die Kerntechnik ermöglicht.
Einleitung mini|Gedenktafel Historische Stätten der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) aus dem Jahr 2002 zu Ehren des 100. Geburtstags von Fritz Strassmann. Noch bevor die Kernspaltung 1938 genauer erforscht und entdeckt wurde, fand bereits seit Jahrzehnten die Erforschung der Radioaktivität und der ionisierenden Strahlung als Teil der Radiochemie an einigen Instituten statt, beispielsweise dem Cavendish-Laboratorium. Mit dem Nobelpreis-Experiment von Cockcroft und Walton wurden bereits Atomkerne mit geladenen subatomaren Teilchen zertrümmert. Damals wurden Teilchenbeschleuniger auch umgangssprachlich bekannt als . Die Reaktion war jedoch keine Kernspaltung mit Neutronen. Diese Arbeiten markierten den Beginn der Kernforschung. Zu diesem Zeitpunkt waren Kernreaktoren noch nicht erfunden.
Den Ausgangspunkt für die Entdeckung der Kernspaltung bildeten die Versuche von Enrico Fermi – „der letzte Mann der alles wusste“ – in Rom (später in den USA), der 1934 verschiedene chemische Elemente mit Neutronen bestrahlt hatte, unter anderem Uran. In jahrelanger Arbeit versuchten Hahn, Meitner und Straßmann, die bei der Bestrahlung des Urans gemachten Beobachtungen aufzuklären. Unabhängig hiervon widmete sich von 1937 an auch eine Arbeitsgruppe um Irène Joliot-Curie am Radium-Institut in Paris dem gleichen Thema. Anfangs verfolgten alle Arbeitsgruppen die Hypothese, dass bei den Bestrahlungen schwerere Elemente als Uran (sogenannte Transurane) entstehen. Obwohl diese bei derartigen Experimenten auch entstehen (zum Beispiel 239Pu durch Neutroneneinfang und zwei anschließende Betazerfälle aus dem Isotop 238U), ist heute bekannt, dass die chemischen und radiologischen Eigenschaften dieser Elemente nicht zu den Beobachtungen von Fermi, Joliot-Curie und Hahn passen.
Im Dezember 1938 kam es zu einem unerwarteten Ergebnis: Hahn und Straßmann wiesen mit Hilfe spezieller chemischer Trenn- und Analyseverfahren nach, dass es sich bei den beobachteten Reaktionsprodukten um in der Natur nicht vorkommende radioaktive Bariumisotope handelte. Es kam bei den Versuchen offenbar zu einem – wie es Hahn formulierte – „Zerplatzen“ des Atomkerns, das sich die Chemiker theoretisch nicht erklären konnten. Dieses „Zerplatzen“ führt nicht zu den beim radioaktiven Zerfall des Urans (Uran-Radium-Reihe und Uran-Actinium-Reihe) auftretenden Reaktionsprodukten. Lise Meitner verwendet im Januar 1939 bereits neben dem Begriff „Zerplatzen“ auch explizit das Wort „Zerspaltung“ in einem Briefentwurf.Nicht datierter Brief von Lise Meitner an Otto Frisch als Antwort auf einen Brief von Otto Hahn vom 7. Jänner 1939; Meitner Collection, Churchill Archives Center, Cambridge
Lise Meitner, die wegen ihrer jüdischen Abstammung im Sommer 1938 das nationalsozialistische Deutschland hatte verlassen müssen und mit Hahns Hilfe über die Niederlande nach Schweden emigriert war, wurde in der Folgezeit brieflich von Otto Hahn über den Fortschritt der Berliner Experimente unterrichtet. Sie konnte somit im Januar 1939 gemeinsam mit ihrem Neffen Otto Frisch eine erste kernphysikalische Deutung der Hahn-Straßmann’schen Ergebnisse ausarbeiten und zusammen mit Frisch im Februar 1939 in der britischen Fachzeitschrift Nature veröffentlichen.
Frisch und Meitners Idee beschrieb den Urankern als elektrisch geladenen Flüssigkeitstropfen, der durch das Einfangen des Neutrons so in Schwingungen versetzt wurde, dass er sich in zwei annähernd gleich große Fragmente teilte, wobei eine hohe Energie freigesetzt wurde. Frisch gab diesem bisher unbekannten Kernreaktionstyp den Namen nuclear fission (Kernspaltung), der sich schnell international durchsetzte.
Die Hahn-Straßmann- und Frisch-Meitner-Veröffentlichungen im Januar und Februar 1939 lösten eine außerordentliche Resonanz unter den Naturwissenschaftlern aus, weil die Kernspaltung eine neue Energiequelle von bisher unbekannter Größenordnung erschloss, die Kernenergie. Genauer gesagt war Meitner und Frisch, sowie anderen Physikern, schnell klar, dass die Energie dieser Reaktion (Kernspaltung) tausendfach größer ist als bei chemischen Reaktionen.
Vor der Spaltung sind die Nukleonen des Urans mit rund Hinweis: Dies ist lediglich eine stark vereinfachte Abschätzung der freiwerdenden Energie. Die Spaltung verläuft tatsächlich asymmetrisch. Es entstehen z. B. die Bruchstücke Lanthan-148 und Brom-85. In diesem Falle sind 148 + 85 = 233, d. h. es werden noch drei Neutronen benötigt (frei). Es sind dann 233 + 3 = 236*, d. h. Uran-235 + 1 Neutron bilden genau diesen Zwischenkern (236*). Kerndaten zu den Bindungsenergien (BE/A) u. a. können der Atomic Mass Evaluation (AME) entnommen werden. Der umfangreiche Datensatz (Stand: AME 2020) wird beispielsweise vom National Nuclear Data Center (NNDC) in der Engine NuDat dargestellt. gebunden. Nach der Spaltung sind zwei (binäre, in diesem Beispiel symmetrische) Fragmente mit einer leicht höherer Bindungsenergie gebunden, also , d. h. es findet sich eine theoretische Energiedifferenz von pro Spaltung (pro Atomkern). Otto Frisch bewies bereits im Februar 1939 experimentell, dass es etwa kinetische Energie pro Kernspaltung sind. Diese Menge wird im Moment (auch genannt prompt, d. h. innerhalb von wenigen Nanosekunden) der Spaltung frei. Weitere MeVs summieren sich durch die Emission der prompten Neutronen, der prompten -Photonen und dem anschließenden radioaktiven Betazerfall der Fragmente auf pro Spaltung eines spaltbaren Atomkerns. Diese „Kernenergie“ wird zunächst als kinetische Energie (Fragmente), dann thermische Energie (Wärme) im Kernbrennstoff frei. In Bezug auf die Anzahl der Nukleonen (hier 238) ist diese Energie durch Kernspaltung jedoch etwa ein Viertel geringer als bei der Fusion leichter Kerne, d. h. durch die Kernfusion. Letztere ist jedoch unter terrestrischen Bedingungen um ein Vielfaches schwieriger zu realisieren. Es sei noch gesagt, dass bei seiner 1905 bzw. 1908 gefundenen Masse-Energie-Äquivalenz Albert Einstein nur die freigewordene Energie durch radioaktiven Zerfall einzelner Radioelemente bekannt war, nicht aber die Kernspaltung als nukleare Energiequelle.
Vorbemerkungen zur Nomenklatur und Schreibweise
Im Rahmen dieses Artikels werden die in der Kernchemie und Kernphysik in den 1930er Jahren üblichen Bezeichnungen verwendet, auch wenn sie heute nicht mehr gebräuchlich oder durch neue Begriffe ersetzt sind, so z. B. Atomgewicht durch Atommasse. Für radiochemische Präparate werden die in den damaligen Protokollen und Veröffentlichungen benutzten Bezeichnungen wie „Aktivität“, „Körper“ oder „β-Strahler“ beibehalten, oft in Zusammensetzungen wie „13-min-Aktivität“ oder „3,5-Stunden-Körper“, wobei mit der jeweiligen Zeitangabe die Halbwertszeit (HWZ) gemeint ist. Die dabei verwendeten Zeiteinheiten sind Sekunden (mit dem Einheitenzeichen s), Minuten (min), Stunden (h), Tage (d) und Jahre (a).
Auch die damals üblichen Benennungen einzelner radioaktiver Nuklide, wie z. B. Mesothorium 1 (MsTh1) oder Thorium X (ThX), die beide keine Thorium-, sondern Radiumisotope sind, werden beibehalten und durch die heutige Schreibweise ergänzt.
Für das Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin wird die Abkürzung KWI verwendet.
Der Stand der Forschung Anfang der 1930er Jahre mini|In diesem Periodensystem aus dem Jahr 1904 ist zu erkennen, dass Uran damals vorwiegend als Uran-238 bekannt war, das etwa 99,3 % des natürlichen Urans ausmacht. Das Isotop Uran-235 wurde jedoch schon 1935 von Arthur J. Dempster erkannt. Seine spaltbaren Eigenschaften wurden 1939 von Niels Bohr erkannt. Weitere Eigenschaften wurden erst nach der Entdeckung der Kernspaltung eingehender erforscht. Credit: Technische Universität Danzig
Das Periodensystem der Elemente Die Arbeitsgruppen, die sich nach der Entdeckung Fermis an der Suche nach den Transuranen beteiligten, standen vor dem Problem, eine durch die Neutronenbestrahlung in nur unwägbaren Mengen gebildete, neue radioaktive Substanz zu identifizieren. Hierbei spielt das periodische System der chemischen Elemente (PSE) eine wichtige Rolle. Da es in seiner damaligen Form jedoch von der heute üblichen Anordnung der Elemente an einigen Stellen abweicht, wird es hier (vereinfacht) dargestellt und erläutert. {| border="0" cellpadding="8" cellspacing="1" width="70%" | bgcolor="#A9A9A9" | H 1 | colspan="16" | | bgcolor="#A9A9A9" | He 2 |- | bgcolor="#A9A9A9" | Li 3 | bgcolor="#A9A9A9" | Be 4 | colspan="10" | | bgcolor="#A9A9A9" | B 5 | bgcolor="#A9A9A9" | C 6 | bgcolor="#A9A9A9" | N 7 | bgcolor="#A9A9A9" | O 8 | bgcolor="#A9A9A9" | F 9 | bgcolor="#A9A9A9" | Ne 10 |- | bgcolor="#A9A9A9" | Na 11 | bgcolor="#A9A9A9" | Mg 12 | colspan="10" | | bgcolor="#A9A9A9" | Al 13 | bgcolor="#A9A9A9" | Si 14 | bgcolor="#A9A9A9" | P 15 | bgcolor="#A9A9A9" | S 16 | bgcolor="#A9A9A9" | Cl 17 | bgcolor="#A9A9A9" | Ar 18 |- | bgcolor="#A9A9A9" | K 19 | bgcolor="#A9A9A9" | Ca 20 | bgcolor="#A9A9A9" | Sc 21 | bgcolor="#A9A9A9" | Ti 22 | bgcolor="#A9A9A9" | V 23