Diese Entdeckung, die das Schicksal der Menschheit veränderte, war das Ergebnis der harten Arbeit vieler Nobelpreisträger.

Für die Menschheit ist die Kernenergie ein zweischneidiges Schwert: Die friedliche Nutzung der Kernenergie bietet der Menschheit eine Möglichkeit, das Energieproblem zu lösen. Während Atomwaffen, die mindestens Hunderttausende Menschen das Leben gekostet haben, der Menschheit schon immer das Gefühl der Bedrohung durch den Weltuntergang vermittelt haben. Die Entstehung der Kernenergie geht auf die Spaltung schwerer Atomkerne und die damit verbundenen Kettenreaktionen zurück. Im Dezember 1938 wurde die Kernspaltung von Uran bestätigt, was der Menschheit den Weg in das Zeitalter der Kernenergie und der Atomwaffen ebnete und schließlich zur Erfindung der Atombombe führte. Tatsächlich war die Entdeckung der schweren Kernspaltung ein langwieriger Prozess. Was gibt es für spannende Geschichten?

Geschrieben von | Wang Shanqin

Am 6. August 1945 explodierte über Hiroshima, Japan, eine Atombombe mit dem Codenamen „Little Boy“. Obwohl sein Kern nur 64 Kilogramm angereichertes Uran enthielt, zerstörte er die Hälfte der Stadt und tötete auf der Stelle Zehntausende Menschen. Der Masseverlust der gesamten Bombe betrug bei diesem Vorgang weniger als 1 Gramm.

Die Entwicklung der extrem schlagkräftigen Atombombe erforderte die Anstrengungen von über 100.000 Menschen im Rahmen des Manhattan-Projekts, doch ihr Grundprinzip – die Kernspaltung – wurde durch Zufall entdeckt.

Kernenergie, Atombombe und Science-Fiction

Im Jahr 1903 berechneten Ernest Rutherford (1871-1937) vom Cavendish Laboratory der Universität Cambridge und sein Student Frederick Soddy (1877-1956) und stellten fest, dass die durch den Zerfall radioaktiver Substanzen freigesetzte Energie mindestens das 20.000-fache der chemischen Energie der gleichen Substanzmasse beträgt und sogar das Millionenfache erreichen kann. Im Jahr 1904 sagte Soddy voraus, dass die bei radioaktiven Prozessen freigesetzte Energie in der Zukunft genutzt oder sogar zur Herstellung von Waffen verwendet werden könnte. Er glaubt, dass solche Waffen das Schicksal der Menschheit verändern und sogar die Welt zerstören könnten.

Rutherford (links, 1892, 21 Jahre alt) und Soddy (rechts, 1921, 44 Jahre alt).丨Bildquelle: Öffentliches Urheberrecht

Rutherfords und Soddys Weitsicht ging Einsteins Vorschlag der Relativitätstheorie und der damit verbundenen Masse-Energie-Beziehung voraus. Daher ist das menschliche Verständnis der Atomenergie älter als die Geburt der Relativitätstheorie und der Masse-Energie-Gleichung (1905). Natürlich verwendeten Physiker später Einsteins Formel, um die Kernenergie zu erklären.

Inspiriert von Soddys Ansichten schrieb der britische Science-Fiction-Autor Herbert Wells (1866–1946) 1913 den Science-Fiction-Roman „The World Set Free“. In diesem Buch taucht erstmals der Begriff „Atombomben“ auf. Der Autor stellt sich vor, dass im Jahr 1956 ein Weltkrieg zwischen Großbritannien, Frankreich, den Vereinigten Staaten und Deutschland ausbrach. Eine Atombombe in der Handtasche reichte aus, um eine halbe Stadt zu zerstören. Diese Atombomben wurden auf alle wichtigen Städte der Welt abgeworfen. Die anhaltende Radioaktivität führte zu anhaltenden Bränden und richtete enorme Schäden an.

Wells (1920) | Bildnachweis: George Charles Beresford

Die von Wells „vorhergesagte“ Atombombe basierte auf dem Prinzip, dass das radioaktive Material im Inneren durch kontinuierlichen radioaktiven Zerfall Energie freisetzt. Später wurde jedoch gezeigt, dass Kernenergie allein durch den radioaktiven Zerfall von Materie nicht im großen Maßstab gewonnen und als Waffe eingesetzt werden kann. Eine solche „Atombombe“ kann nur als radioaktiver Schadstoff betrachtet werden, nicht als Bombe.

Grundlage für die Nutzung der Atomenergie und für Atombombenexplosionen ist die schwere Kernspaltung und die damit verbundenen Kettenreaktionen. Bevor die Spaltung schwerer Atomkerne entdeckt wurde, entdeckte der Mensch zunächst die Spaltung leichter Atomkerne und erreichte künstliche Radioaktivität.

Leichte Kernspaltung

Im Jahr 1932 verwendeten John Cockcroft (1897–1967) und Ernest Walton (1903–1995) vom Cavendish Laboratory einen Teilchenbeschleuniger, um Protonen zu beschleunigen und Lithium-7 damit zu bombardieren. Nach der Kollision spalteten sich die beiden in zwei Alphateilchen auf. Bei diesem Vorgang, der als „Atomspaltung“ bezeichnet wird, wurde zum ersten Mal ein Atomkern gespalten.

Cockcroft (links), Rutherford (Mitte) und Walton (rechts).丨Bildquelle: Öffentliches Urheberrecht

Cockcroft und Walton stellten außerdem fest, dass der Massenverlust und die freigesetzte Energie bei diesem Prozess Einsteins Masse-Energie-Beziehung entsprechen. Dafür erhielten die beiden 1951 den Nobelpreis für Physik.

1933 hielt Rutherford eine Rede. Er erwähnte die Arbeiten von Cockcroft und Walton zur Spaltung von Lithium mit Protonen, glaubte jedoch nicht, dass Kernenergie im großen Maßstab genutzt werden könnte: „Bei diesen Prozessen können wir möglicherweise viel mehr Energie gewinnen, als Protonen liefern können, aber im Allgemeinen können wir nicht erwarten, auf diese Weise Energie zu gewinnen.“

Doch im selben Jahr (1932), in dem die leichte Kernspaltung gelang, wurde auch das „Schwert“ gefunden, das in der Zukunft zur schweren Kernspaltung führen würde. Danach geisterte es mehrere Jahre lang wie ein Geist durch die Labore, bis die Menschheit schließlich die schwere Kernspaltung entdeckte.

Neutron

Im Jahr 1920 schlug Rutherford vor, dass der Atomkern aus positiv geladenen Protonen und neutral geladenen Teilchen besteht. Letzteres wurde später „Neutron“ genannt.

Im Jahr 1931 entdeckten der deutsche Physiker Walther Bothe (1891–1957) und sein Student Herbert Becker (Geburts- und Todesjahr sind unbekannt), dass beim Beschuss von Beryllium, Bor oder Lithium durch beim Zerfall von Polonium freigesetzte Alphateilchen eine sehr durchdringende Strahlung entsteht, die von elektrischen Feldern nicht beeinflusst wird. Sie dachten, es seien Gammastrahlen.

Anfang 1932 entdeckten auch Irène Joliot-Curie (1897–1956, im Folgenden „Irène“ genannt), die Tochter von Pierre Curie (1859–1906) und Marie Curie (1867–1934), und ihr Schwiegersohn Jean Joliot-Curie (1900–1958, im Folgenden „Joliot“ genannt) diese Strahlung in ihren Experimenten. Elena und Joliot entdeckten außerdem, dass diese neutrale Strahlung sehr energiereich ist: Wenn sie Paraffin oder eine andere wasserstoffhaltige Verbindung bombardiert, schlägt sie Protonen heraus. Sie glauben immer noch, dass es Gammastrahlen sind.

Irene und Joliot (1935) | Bildquelle: Ph. Coll. Archiv Larbor

James Chadwick (1891-1974) vom Cavendish Laboratory war ungläubig, als er die von Irene und Joliot veröffentlichte Arbeit sah. Gammastrahlen oder sogar weniger starke Röntgenstrahlen können Elektronen ablenken, wenn sie auf sie treffen (der „Compton-Effekt“), aber die Masse der Protonen ist tausendmal so groß wie die der Elektronen. Wie können sie durch Gammastrahlen aus dem Kern geschlagen werden? Chadwick war Rutherfords Student und kannte Rutherfords Hypothese über die Existenz von Neutronen schon lange. Daher war es für ihn naheliegend zu vermuten, dass es sich bei diesen neutralen Strahlungen höchstwahrscheinlich um Neutronen handelte. Um diese Vermutung möglichst schnell zu bestätigen, stürzte er sich sofort in intensive Experimente.

Im Februar 1932 bewies Chadwick, dass es sich bei der hochenergetischen neutralen Strahlung nicht um Gammastrahlen handelte, sondern um eine Gruppe ungeladener Teilchen mit einer Masse, die fast der von Protonen entsprach. Diese Eigenschaften stimmten mit den Eigenschaften der hypothetischen Neutronen überein, und es waren Neutronen.

Chadwick | Bildquelle: Offizielle Website des Nobelpreises (www.nobelprize.org)

Chadwick erkannte bald, dass das Bombardieren von Atomkernen mit ungeladenen Neutronen effizienter wäre als das Bombardieren von Atomkernen mit positiv geladenen Alphateilchen und Protonen, da diese nicht von den elektrischen Feldkräften negativ geladener extranuklearer Elektronen und positiv geladener Atomkerne beeinflusst werden. Darüber hinaus ist es relativ einfach, Neutronen zu gewinnen: Man lässt die Alphateilchen, die beim Zerfall radioaktiver Elemente wie Radium und Polonium freigesetzt werden, Beryllium-9 bombardieren, wodurch es in Kohlenstoff-12 umgewandelt wird und 1 Neutron freigesetzt wird.

Die Entdeckung und Bestätigung des Neutrons spielte eine Schlüsselrolle in der späteren Entwicklung der Kernphysik. Hans Bethe (1906–2005), eine führende Persönlichkeit auf dem Gebiet der Kernphysik, glaubte, dass die Ära vor 1932 die prähistorische Ära der Kernphysik war; Die Ära der Kernphysik begann 1932, weil in diesem Jahr das Neutron entdeckt wurde.

Chadwick erhielt 1935 den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung und Bestätigung des Neutrons. Sowohl Becker als auch Irène und Joliot verpassten in diesem Jahr den Nobelpreis für Physik.

Künstliche Radioaktivität

Im Januar 1934 entdeckten Irene und Joliot, dass Aluminiumfolie, nachdem sie mit bestimmten Alphateilchen bombardiert (bestrahlt) worden war, auch dann radioaktiv blieb, wenn die Alphateilchenquelle entfernt wurde. Nachdem sie bestätigt hatten, dass mit dem Geigerzähler alles in Ordnung war, spekulierten sie, dass sich bei diesem Vorgang die Alphateilchen mit Aluminiumkernen zu radioaktivem Phosphor 30 verbanden und dabei ein Neutron freisetzten, woraufhin der Phosphor 30 zu Silizium 30 zerfiel.

Durch chemische Experimente bewiesen Elena und Yolio, dass das Produkt tatsächlich Phosphor enthielt. Dabei werden stabile Aluminiumkerne künstlich in radioaktive Phosphorisotope umgewandelt. Zu diesem Zeitpunkt hatten sie künstliche Radioaktivität entdeckt.

Die Entdeckung künstlicher Radioaktivität war ein großer Fortschritt auf dem Gebiet der Kernphysik. Dadurch sind radioaktive Elemente nicht mehr auf schwere Elemente beschränkt, sondern können auf das gesamte Periodensystem ausgedehnt werden, und der Mensch kann radioaktive Isotope verschiedener Elemente auf künstliche Weise herstellen.

Als Irène Madame Curie das radioaktive Material zeigte, das sie künstlich gewonnen hatte, war die große Physikerin und Chemikerin zutiefst erfreut über die wichtige Leistung ihrer Tochter und ihres Schwiegersohns. Aufgeregt steckte sie ihre Finger in das Reagenzglas mit künstlich hergestelltem radioaktivem Phosphor (die Radioaktivität war sehr schwach, sodass sie keine Folgen haben würde), um dieses wertvolle experimentelle Ergebnis zu ertasten. Elena erinnerte sich, dass dies das letzte Mal war, dass ihre Mutter so aufgeregt war. Im Juli 1934 starb Madame Curie an einer Krankheit.

Irina führte ihre Forschung unter der Anleitung ihrer Mutter Mary durch. Elena begann schon in jungen Jahren gemeinsam mit ihrer Mutter, radioaktive Isotope zu studieren und entdeckte die natürliche Radioaktivität. Sie erhielt ihren Doktortitel im Jahr 1925.丨Bildquelle: Öffentliches Urheberrecht

1935 erhielten Irène und Joliot den Nobelpreis für Chemie für ihre Entdeckung der künstlichen Radioaktivität.

Die Debatte um Transurane

Nachdem die Nachricht von der Entdeckung künstlicher Radioaktivität Italien erreicht hatte, verlagerte Enrico Fermi (1901–1954) auf Anregung seines Teammitglieds Gian Wick (1909–1992) den Forschungsschwerpunkt von der Theorie auf das Experiment und bereitete mit seinem Team umgehend Versuchsanlagen vor, um verschiedene Elementziele mit Neutronen zu bombardieren (bestrahlen) und so mehr radioaktive Isotope zu erzeugen.

Die Experimente von Fermis Team blieben zunächst stets erfolglos. Später platzierte er Paraffinwachs vor dem Ziel. Die Protonen im Paraffinwachs wandeln schnelle Neutronen in langsame Neutronen um und geben ihnen so mehr Zeit, mit Atomkernen zu interagieren. Dies verbessert die Effizienz des Experiments erheblich. Fermis Team bombardierte fast alle damals bekannten Elemente und erhielt 22 radioaktive Isotope.

Als Fermis Team das Element 90 (Thorium) und das Element 92 (Uran) bombardierte, stellten sie fest, dass die Eigenschaften der entstandenen Elemente sich stark von denen von Thorium und Uran unterschieden. Fermi und andere glaubten, dass es sich um die Elemente 93 und 94 oder Transurane handelte. Fermis Ergebnisse waren bei seinen Kollegen sehr gefragt und viele Teams folgten seinem Beispiel.

Die deutsche Chemikerin und Physikerin Ida Noddack (1896–1978) stellte Fermis Schlussfolgerungen jedoch stark in Frage. Noddack und ihr Ehemann (Walter Noddack, 1893–1960) waren herausragende Experten auf dem Gebiet der Seltenen Erden. Sie und ihre Mitarbeiter entdeckten 1925 das Element 75, Rhenium.

Foto von Nodak, circa 1940.丨Bildquelle: Öffentliches Urheberrecht

Nodak veröffentlichte eine Abhandlung mit dem Titel „Über Element 93“, in der er darauf hinwies, dass Fermi bei der Analyse der Reaktionsprodukte nur Blei und Elemente, die schwerer als Blei sind, ausschloss, nicht jedoch Elemente, die leichter als Blei sind. Er konnte daher nicht beweisen, dass das Produkt ein Element war, das schwerer als Uran ist. Nur wenn alle leichten Elemente ausgeschlossen sind, kann nachgewiesen werden, dass es sich bei dem Produkt um ein Transuranelement handelt.

Nodak glaubt, dass Fermi möglicherweise keine neuen, schwereren Elemente geschaffen hat, sondern vielmehr bereits vorhandene, leichtere Elemente, die bei der Spaltung von Uran entstanden sind. „Es ist denkbar, dass der Kern in mehrere große Fragmente zerbrochen ist, bei denen es sich um Isotope bekannter Elemente handelt und nicht um Nachbarn [Element 93] des bestrahlten Elements [Uran 92]“, sagt sie.

NoDak sagte tatsächlich die Möglichkeit einer schweren Kernspaltung voraus. Wenn diese Erklärung zutrifft, dann hat Fermi tatsächlich die Spaltung schwerer Kerne entdeckt. NoDak verfügte jedoch über kein Uran und konnte dieses Experiment daher nicht durchführen und auch keinen theoretischen Beweis erbringen. Zudem war sie damals lediglich eine „unbezahlte Mitarbeiterin“ und genoss in der akademischen Welt ein niedriges Ansehen. Noch wichtiger war, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft damals im Allgemeinen nicht glaubte, dass ein winziges Neutron einen schweren Atomkern zertrümmern und spalten könnte. Nodaks Arbeit wurde damals von seinen Kollegen stark verspottet.

1935 oder 1936 baten Nodak und ihr Ehemann den berühmten deutschen Chemiker Otto Hahn (1879-1968), Nodaks Kritik an Fermis Arbeit in seinen Vorlesungen oder Schriften zu erwähnen. Obwohl sie Hahns Aufmerksamkeit schon früher erregt hatten, lehnte er sie klar ab. Da Hahn Nodaks Ansichten für lächerlich hielt, würde ihn das Zitieren ihrer Ansichten in der akademischen Gemeinschaft nur zur Lachnummer machen.

Vor dem Sturm

Es ist verständlich, dass Hahn Nodaks Anfrage ignorierte, da er sich zu dieser Zeit ebenfalls mit diesem Thema beschäftigte.

Im Jahr 1934 lud Lise Meitner (1878–1968) Hahn ein, Fermis Forschungen weiterzuführen. Die beiden hatten bereits seit längerer Zeit zusammengearbeitet, allerdings waren es zu diesem Zeitpunkt bereits mehr als zehn Jahre, seit sie nicht mehr zusammenarbeiteten.

Hahn zögerte zunächst, Fermis Experiment zu wiederholen. Aristid von Grosse teilte Hahn jedoch mit, dass Fermi möglicherweise ein Isotop des Elements 91, Protactinium, und nicht ein Transuran entdeckt habe. Hahn interessierte sich sofort für das Thema und erklärte sich bereit, mit Meitner zusammenzuarbeiten, um zu überprüfen, ob es sich bei dem Produkt um Protactinium mit geringerer Masse oder um ein Transuranelement mit höherer Masse handelte.

Hahn und Meitner im Labor im Jahr 1912.丨Bildquelle: Öffentliches Urheberrecht

1935 stellte Hahn einen hervorragenden Assistenten ein, Fritz Strassmann (1902–1980). Damit begann das Trio sein Experiment auf Hochtouren.

Strassmann.

Von 1934 bis Anfang 1938 entdeckte das Trio mehr als 10 bis dahin unbekannte Isotope. Sie gingen davon aus, dass es sich bei allen um Isotope von Transuranen handelte, und „bestätigten“ die Elemente 93 bis 96. Sie bestätigten das Uran 239 im Produkt und maßen dessen Halbwertszeit mit 23 Minuten. Das echte Element 93 oder schwerere Elemente konnten sie jedoch immer noch nicht erhalten. Hahn und Strassmann verbesserten die experimentelle Chemie, während Meitner neue Experimente entwarf.

Während dieser Zeit verfolgten auch Irina und der jugoslawische Physiker Pavle Savić (1909–1994) Fermis Experimente. Sie fanden heraus, dass das Produkt nach dem Beschuss von Uran mit Neutronen ein Element mit einer Halbwertszeit von 3,5 Stunden enthielt, bei dem es sich möglicherweise um ein Isotop des Elements 90, Thorium, handelt.

Savage (vor 1969) | Bildquelle: Öffentliches Urheberrecht

Hahn und andere hielten diese Schlussfolgerung für absurd, da sie bedeutete, dass langsame Neutronen, die Urankerne bombardieren, ein Alphateilchen herausschlagen könnten. Darüber hinaus wurden die Beiträge von Hahn und anderen in der Zeitung nicht ausreichend gewürdigt, was Hahn sehr unzufrieden machte. Dieses Thoriumisotop mit einer Halbwertszeit von 3,5 Stunden konnte Hahns Team in nachfolgenden Experimenten nicht mehr nachweisen.

Im Januar 1938 schrieb Hahn an Irena und Savage, wies darauf hin, dass ihre Forschung fehlerhaft sei, und hoffte, dass sie die Arbeit zurückziehen würden. Die beiden antworteten nicht, sondern setzten ihr Experiment fort. Sie fanden heraus, dass sie Lanthan 57 als Träger verwenden konnten, um dieses Element zu extrahieren. Daher gaben Irina und Savage in ihrer zweiten Arbeit bekannt, dass es sich bei dem neu entdeckten Isotop nicht um ein Thoriumisotop, sondern vielmehr um ein Isotop des Elements 89, Actinium, handele. Strassmann drängte Hahn, die Zeitung zu lesen, doch Hahn weigerte sich aus Protest.

Im Mai 1938 traf Hahn Joliot auf einer internationalen Konferenz in Rom und sagte ihm privat: „Ich habe Ihre Frau nicht öffentlich kritisiert, weil sie eine Frau ist. Aber sie liegt falsch.“ Nach seiner Rückkehr nach Frankreich übermittelte Joliot Hahns Meinung seiner Frau Irène.

Elena und Savage beschlossen, das Experiment fortzusetzen. Im Mai veröffentlichten sie ein drittes Papier zum Thema Uran. Diesmal stellten sie fest, dass das Produkt des Neutronenbeschusses von Uran, das neue Isotop, dem Element 57, Lanthan, sehr ähnlich war. Die beiden glaubten nicht, dass das Element Uran 92 nach einem Bombardement so viele Protonen und Neutronen verlieren und zu Lanthan werden würde. Sie gehen daher davon aus, dass es sich um ein neues und äußerst schwer zu erklärendes Transuranelement handelt.

Im Juli 1938 floh Meitner aus Deutschland und kam nach Schweden. Ab 1933 war sie dauerhaft bedroht, da sie aus einer jüdischen Familie stammte und durch Hitlers Rassenpolitik verfolgt wurde. Aber damals war sie noch Österreicherin und ihre Situation war nicht so gefährlich. Am 12. März 1938 annektierte Deutschland Österreich und Meitner verlor ihre österreichische Staatsbürgerschaft und wurde Deutsche. Die deutschen Rassengesetze begannen, sich auf sie auszuwirken, ihre wissenschaftliche Forschungsförderung wurde bald eingestellt und sie befand sich in äußerster Gefahr. Um einer noch schlimmeren Verfolgung zu entgehen, begann Meitner von da an mit den Fluchtvorbereitungen und konnte im Juli schließlich fliehen.

Danach arbeitete Hahn mit ihr korrespondierend zusammen.

Im September 1938 veröffentlichten Irene und Savage ihre jüngsten Ergebnisse erneut in den Comptes Rendus. Strassmanns Erinnerungen zufolge kam er nach der Lektüre dieses Papiers zu dem Schluss, dass Irina und andere nicht nur keine Fehler gemacht hätten, sondern auch einen korrekten Forschungsweg aufgezeigt hätten. Aufgeregt rannte er die Treppe hinauf und sagte zu Hahn: „Sie müssen diese Zeitung lesen.“

Hahn rauchte eine Zigarre und antwortete arrogant: „Was unsere freundliche Dame in letzter Zeit geschrieben hat, interessiert mich nicht.“ Strassmann ließ sich nicht entmutigen. Er bestand darauf, den Kern der Unterlagen von Irena und anderen vor Hahn zu schildern. Hahn war fassungslos, als er das hörte. Er legte die Zigarre, die er noch nicht zu Ende geraucht hatte, auf den Tisch und machte sich sofort mit Strassmann auf den Weg, um das Experiment von Irena und anderen zu wiederholen.

Es gibt eine andere Version dieser Geschichte (möglicherweise von Hahn): Nachdem Hahn das neue Papier von Irina und Savage gesehen hatte, stellte er die darin enthaltenen Schlussfolgerungen stark in Frage und gab es Strassmann zum Lesen, woraufhin die beiden begannen, das Experiment zu wiederholen.

In jedem Fall begannen Hahn und Strassmann im Herbst 1938 mit Experimenten zur Trennung der Elemente.

Schwere Kernspaltung

Hahn und Strassmann verwendeten Lanthan als Träger, um mögliche Elemente wie Actinium zu trennen; Sie verwendeten Barium auch als Träger, um mögliche Elemente wie Radium zu trennen. Sie identifizierten schnell 16 Isotope, von denen drei zuvor unbekannt waren. Sie vermuteten, dass es sich um ein Radiumisotop handelte.

Am 10. November besuchte Hahn auf Einladung von Niels Bohr (1885–1962) Kopenhagen. Er diskutierte diese Ergebnisse mit Bohr, Meitner und Frisch (Otto Frisch, 1904-1979).

Bohr (1922)

Frisch war der Sohn von Meitners Schwester Auguste Meitner Frisch (1877–1951). Er war ein herausragender theoretischer Physiker, der in Deutschland gearbeitet hatte. Als Hitler 1933 begann, eine Politik der Rassenverfolgung umzusetzen, verließ er Deutschland sofort und ging nach Großbritannien, um Patrick Blackett (1897-1974) zu folgen und dort Forschungen zur Nebelkammertechnologie und künstlichen Radioaktivität durchzuführen. Aufgrund seiner herausragenden Talente wurde er von Bohr nach Kopenhagen geholt, um dort (fünf Jahre lang) zu forschen.

Frischs Ausweisfoto während seiner Zeit als Teilnehmer am Manhattan-Projekt

Diese Diskussion führte zu keinem Durchbruch. Nach seiner Rückkehr nach Berlin setzte Hahn seine Experimente fort. Nach vielen Tagen voller Experimente, Messungen und Analysen gelang Hahn und Strassmann am 16. und 17. Dezember 1938 ein Durchbruch. Sie bestätigten, dass die drei unbekannten Isotope von allen anderen Elementen, jedoch nicht vom Bariumträger getrennt werden konnten, was bedeutete, dass es sich höchstwahrscheinlich um Barium und nicht um Radium handelte.

Barium ist Element 56 und 40 % leichter als Uran. Damals glaubte man, dass es unmöglich sei, Uran durch den Verlust von mehr als 100 Nukleonen in Barium umzuwandeln, da die Neutronen nicht über genügend Energie verfügen könnten, um so viele Nukleonen abzuspalten. Hahn und Strassmann standen vor dem gleichen Dilemma wie Irena und Savage.

Am 19. Dezember schrieb Hahn Meitner, um ihr von seiner neuesten Entdeckung zu berichten. In dem Brief hieß es: „Wir nähern uns immer mehr der schrecklichen Schlussfolgerung, dass sich unser Radiumisotop nicht wie Radium, sondern wie Barium verhält … Vielleicht können Sie eine fantastische Erklärung finden. Wir wissen selbst, dass es (Uran) nicht in Barium gespalten werden kann. Nun wollen wir das von ‚Radium‘ abgeleitete Actiniumisotop testen, das sich nicht wie Actinium, sondern wie Lanthan verhält.“ Tatsächlich neigte Hahn zu diesem Zeitpunkt bereits zu der Annahme, dass Uran durch Neutronen gespalten werde.

Durch Betazerfall zerfällt Radium in Actinium und Barium in Lanthan. Solange wir feststellen können, ob das Produkt Actinium oder Lanthan ist, können wir feststellen, ob das Mutterelement Radium oder Barium ist. Hahn und Strassmann begannen sofort zu experimentieren.

Am 20. Dezember rief Hahn den Herausgeber der Zeitschrift „Die Naturwissenschaften“ an, um ihm von seiner Entdeckung zu berichten, und hoffte, dass der Herausgeber die Veröffentlichung seines Artikels beschleunigen könnte. Der Herausgeber stimmte zu, die Veröffentlichung eines Artikels um eine Ausgabe zu verschieben, um Platz für Hahns Artikel zu schaffen, unter der Bedingung, dass Hahns Artikel am 23. eingereicht werden muss. Hahn arrangierte, dass am 22. eine Schreibkraft das Papier abtippte.

Am 21. Dezember bestätigten Hahn und Strassmann die experimentellen Ergebnisse: Das Zerfallsprodukt des unbekannten Elements war Lanthan, nicht Actinium. Bei dem mysteriösen Isotop handelt es sich also tatsächlich um ein Bariumisotop und nicht um ein Radiumisotop.

Dies bedeutet, dass das Isotop, das Elena und Savage damals identifizierten und das sehr stark wie Lanthan aussah, tatsächlich ein Isotop von Lanthan war, das ein Produkt des Bariumzerfalls war. Sie wussten das damals einfach nicht und betrachteten es immer als eine Art rätselhaftes transuranisches Element.

Am selben Tag (21.) erhielt Meitner den Brief von Hahn vom 19. und war ebenfalls schockiert über das Ergebnis. In ihrer Antwort sagte sie: „Es fällt mir derzeit schwer, von einem derart vollständigen Bruch auszugehen, aber wir erleben in der Kernphysik so viele Überraschungen, dass wir nicht kategorisch sagen können: ‚Das ist unmöglich.‘“ Dann teilte sie Hahn mit, dass sie ab dem 23. für eine Woche in den Urlaub nach Kongelf fahren werde. Wenn Sie neue E-Mails haben, senden Sie diese bitte dorthin.

Meitner im Jahr 1906 (im Alter von 28 Jahren) | Bildquelle: Öffentliches Urheberrecht

Obwohl er von Meitner noch keine Antwort erhalten hatte, war Hahn, der vor zwei Tagen noch unentschlossen gewesen war, nun in seiner Überzeugung bestärkt: Bei der Bombardierung von Uran mit Neutronen war eines der Produkte des Urankerns Barium, das später zu Lanthan zerfiel. Um zu verhindern, dass Elena und Savage zum gleichen Schluss kommen und ihn zuerst veröffentlichen, war Hahn ungeduldig und wollte seine Ergebnisse sofort veröffentlichen.

Am 21. schrieb er Meitner noch einmal, bevor er eine Antwort von ihm erhielt, und teilte ihm mit, dass sie bestätigt hätten, dass es sich bei dem Produkt um Barium und nicht um Radium handele. Hahn erwähnte auch, dass er das Ergebnis zwar für physikalisch absurd hielt, es aber nicht länger geheim halten könne. Die Abgabe der Arbeit erfolgt morgen oder übermorgen. Und werde ihr eine Kopie schicken.

Am 22. Dezember wurde das Papier der Redaktion vorgelegt. Das Papier wurde nicht von Meitner unterzeichnet. Noch am selben Abend schickte Hahn eine Kopie des Papiers an Meitner, ohne zu wissen, dass dieser kurz vor seinem Urlaub stand. Dieses wichtige Dokument wurde am 6. Januar 1939 veröffentlicht.

Warum spaltet sich der Urankern?

Am Morgen des 23. Dezember verließ Meitner Stockholm und machte sich wie geplant auf den Weg nach Kongälv. Später kam ihr Neffe Frisch zu Besuch. Zu diesem Zeitpunkt wusste Meitner noch nicht, dass Hahn die Arbeit gestern eingereicht hatte und ihr Name nicht auf der Arbeit stand. Da sowohl die Kopie des Dokuments als auch der Brief von Hahn vom 21. nach Stockholm geschickt wurden, konnte sie den Inhalt des Briefes vor ihrer Rückkehr nach Stockholm nicht gesehen haben.

In Kungelf übergab Meitner Frisch den Brief, den Hahn am 19. geschickt hatte. Nachdem Frisch es gelesen hatte, glaubte er nicht, dass durch den Beschuss von Urankernen Barium entstehen würde, und lief Ski. Meitner verfolgte Frisch jedoch unerbittlich und redete dabei. Frisch war überzeugt und beschloss, die Möglichkeit einer Urankernspaltung in Betracht zu ziehen.

Sie dachten an das Tropfenmodell, das George Gamow (1904–1968) 1935 vorgeschlagen und Fritz Kalckar (1910–1938) und Bohr 1937 perfektioniert hatten. Dieses Modell geht davon aus, dass der Atomkern wie ein Flüssigkeitströpfchen beschaffen ist. Kalka und Bohr glaubten jedoch, dass es schwierig sein würde, schwere Atomkerntröpfchen aufzubrechen. Frisch verbrachte einmal Zeit mit Kalka (siehe Bild unten; Kalka starb 1938 im Alter von 27 Jahren).

Von links nach rechts: Milton Plesset (1908-1991), Bohr, Kalka, Edward Teller (1908-2003) und Frisch. Von Januar bis August 1934 arbeitete Teller als Gastwissenschaftler bei Bohr in Kopenhagen, daher dürfte dieses Foto in dieser Zeit entstanden sein.

Frisch und Meitner führten Berechnungen im Rahmen des Tropfenmodells durch. Sie stellten fest, dass die Ladung des Urankerns groß genug war, um die Beschränkungen der Oberflächenspannung fast vollständig zu überwinden, sodass er kurz davor stand, auseinanderzubrechen, wie ein instabiler Wassertropfen. Durch den Neutroneneinschlag wird der Urankern ellipsoidisch, seine „Taille“ wird dünner, und dann löst er sich von der „Taille“ und spaltet sich in zwei kleine „Tröpfchen“.

Tropfenmodell der schweren Kernspaltung.丨Bildquelle: Hullernuc

Sie berechneten außerdem, dass bei einer solchen Spaltung eine Energie von 200 MeV (1 MeV = 1,6 × 10-13 Joule) freigesetzt würde. Woher kommt diese Energie? Meitner erinnerte sich, dass sie einmal Einsteins Vortrag zur Relativitätstheorie gehört hatte und die darin enthaltene Beziehung zwischen Masse und Energie sie damals sehr schockiert hatte.

Mit der empirischen Formel zur Berechnung der Kernmasse errechnete Meitner, dass dieser Massenunterschied etwa 1/5 der Masse des Protons (1,67 × 10-27 kg) beträgt. Multipliziert man diesen Wert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (9×1016), erhält man einen Wert (3,0×10-11 Joule), der fast der nach der Kernspaltung freigesetzten Energie (3,2×10-11 Joule) entspricht. Da es sich bei dem Qualitätsunterschied selbst um eine Schätzung handelt, kann der kleine Unterschied zwischen 3,0 und 3,2 ignoriert werden. Dieses Ergebnis bedeutet, dass der Urankern tatsächlich gespalten sein könnte.

Frisch entlehnte den Begriff aus der Biologie und verwendete das Wort „Fission“ erstmals zur Bezeichnung des Prozesses der Urankernspaltung. Nach seiner Rückkehr nach Kopenhagen, Dänemark, erzählte Frisch Bohr von seiner Entdeckung. Bohr verstand sofort. Er schlug sich mit der flachen Hand an die Stirn und sagte: „Was für Idioten wir waren!“

Frisch verwendete dann eine Nebelkammer (eines seiner Forschungsgebiete in Großbritannien war die Nebelkammertechnologie), um die Flugbahn der Reaktionsprodukte zu verfolgen, und bewies auf intuitive, physikalische Weise direkt, dass es nach der Kollision des Neutrons mit dem Urankern tatsächlich zur Kernspaltung kam.

Daher war die von Nodak vor vier Jahren vorgeschlagene Hypothese richtig: Die Uranspaltung fand nach dem Beschuss mit Neutronen statt. Erst dann wurde den Leuten klar, dass es sich bei den von Fermis Team erhaltenen Elementen nicht um Transurane handelte. Sie entdeckten zwar erstmals die Spaltung schwerer Atomkerne, verpassten diese Ehre jedoch. Auch Elena und Savage haben diese Ehre verpasst.

Am 11. Februar 1939 wurde das theoretische Erklärungspapier von Meitner und Frisch in Nature veröffentlicht. Am 18. Februar wurde Frishs Artikel über die Verwendung einer Nebelkammer zum Nachweis der Uranspaltung auch in Nature veröffentlicht.

Bevor diese beiden Artikel veröffentlicht wurden, hatte Bohr die entsprechenden Neuigkeiten jedoch bereits an die Vereinigten Staaten weitergegeben. Nachdem Bohr im Januar in Washington angekommen war, teilte er Gamow die Neuigkeiten mit. Gamow rief Teller an und sagte: „Bohr ist gerade hereingekommen und er ist verrückt. Er sagte, ein Neutron könne Uran spalten.“ Teller dachte sofort an die schwer zu erklärenden Beobachtungen von Fermis Team und erkannte sofort, dass es sich um eine Kernspaltung handelte.

Am 26. Januar 1939 veranstalteten Bohr und Fermi gemeinsam die Fünfte Washingtoner Konferenz für Theoretische Physik in Washington, und die Nachricht von der Uranspaltung schockierte den gesamten Konferenzort. Physiker der Columbia University konnten dieses Ergebnis bald im Labor reproduzieren und stellten fest, dass das durch langsame Neutronen gespaltene Uran hauptsächlich aus Uran 235 bestand.

Kurz zuvor hatte Bohr Frisch versprochen, das Geheimnis zu bewahren; dann tat ihm Frisch leid, weil sich die Nachricht zu schnell verbreitete.

Als die Nachricht Berkeley an der Westküste Kaliforniens erreichte, war Luis Alvarez (1911-1988), der in einem Friseursalon arbeitete, schockiert, weil er und seine Studenten Uran mit Neutronen bombardiert hatten, um nach Transuranen zu suchen, aber nie damit gerechnet hatten, dass es dabei zu einer Kernspaltung kommen würde. Er forderte den Friseur auf, mit dem Haareschneiden aufzuhören und direkt ins Strahlenlabor zu gehen.

Alvarez gab die Neuigkeit an Oppenheimer (J. Robert Oppenheimer, 1904-1967) weiter, doch Oppenheimer glaubte ihr nicht und argumentierte theoretisch, dass Urankerne nicht spaltbar seien. Doch bald zeigten Experimente, welche Energie freigesetzt wird, wenn Uran mit Neutronen bombardiert wird. Innerhalb von 15 Minuten glaubte Oppenheimer, dass es im Urankern zu einer Kernspaltung gekommen sei.

Kettenreaktion und die Atombombe

Im Februar 1939 veröffentlichten Hahn und Strassmann eine zweite, damit zusammenhängende Arbeit, in der sie vorhersagten, dass bei der Uranspaltung Neutronen freigesetzt werden könnten. Joliots Team wies rasch nach, dass bei der Uranspaltung mehr als zwei Neutronen freigesetzt würden, und veröffentlichte im März 1939 eine Abhandlung zu diesem Thema.

Offensichtlich werden die freigesetzten Neutronen auch andere Urankerne bombardieren, und dieser Prozess wird sich schnell wie ein Schneeballsystem fortsetzen, eine Kettenreaktion bilden und enorme Energiemengen freisetzen.

Kernspaltung von Uran-235-Kernen

Zuvor hatte bereits 1933 der ungarische Atomphysiker Leo Szilard (1898–1964) eine ähnliche Methode zur Herbeiführung von Kettenreaktionen vermutet und sich vorgestellt, dass derartige Kettenreaktionen zur Herstellung von Atombomben genutzt werden könnten. Im Jahr 1934 leitete er die Gleichung für die Kettenreaktion ab und schlug das Konzept der „kritischen Masse“ vor (wenn die Masse der gespaltenen Materie die kritische Masse überschreitet, kann die Kettenreaktion anhalten und eine nukleare Explosion auslösen).

Szilard im Jahr 1915

Allerdings hatte damals niemand (auch Szilard nicht) damit gerechnet, dass schwere Atomkerne eine Kernspaltung durchlaufen würden, und Szilard wusste nicht, welche Elemente nach einem Bombardement eine Kettenreaktion auslösen könnten. Er wollte die Antwort finden, indem er die damals 92 bekannten Elemente nacheinander mit Neutronen bombardierte. Es gelang ihm jedoch nicht, die nötigen Mittel für die Durchführung eines solchen Experiments zu erhalten. Szilard reichte ein Patent für die nukleare Kettenreaktion ein. Um zu verhindern, dass diese Entdeckung von Deutschland und anderen Ländern zur Herstellung von Atomwaffen genutzt wird, übergab er das Patent der britischen Admiralität und bat diese um Geheimhaltung.

Bis 1939 war bekannt, dass Uran bei bombardieren mit langsamen Neutronen spalten würde und möglicherweise eine Kettenreaktion starten konnte. Danach begannen die Vereinigten Staaten, die Sowjetunion, Deutschland, Großbritannien und Japan, die Möglichkeit der Herstellung von Atombomben zu untersuchen und sie in unterschiedlichem Maße vor dem Ende des Zweiten Weltkriegs umzusetzen.

Als Oppenheimer von der Kernspaltung von Uran überzeugt war, brauchte er nur wenige Minuten, um die Kettenreaktionen und die Möglichkeit einer Atombombe zu besprechen. Eine Woche später erschien eine Skizze der Atombombe in seinem Büro auf der Tafel.

Frisch kehrte von Dänemark nach England zurück und berechnete zusammen mit Rudolf Peierls (1907-1995), dass die kritische Masse des reinen Urans 235 für eine Kettenreaktion etwa 1 Pfund (ca. 0,45 kg) oder 2 Pfund betrug. 1940 schrieben Frisch und Peierls das "Frisch-Peiers Memorandum" und bezeichneten die Bombe unter Verwendung der Urankettenreaktion als "Superbombe" und entwarfen auch das erste Detonationsmodell der Welt der Welt.

Die meisten Menschen, die zu dieser Zeit die Atomphysik verstanden haben, glaubten jedoch nicht, dass ein Land zu dieser Zeit eine Atombombe bauen könnte. Das natürliche Uran hat drei Isotope: Uran-234, Uran-235 und Uranium-238. Uran 238 macht 99,28%aus. Es wird unter der Bombardierung schneller Neutronen unterzogen, aber die Energie der während des Spalt freigesetzten Neutronen ist niedriger als die Energie der einfallenden Neutronen, und andere Uranium 238 -Kerne können nicht spalten, sodass eine Kettenreaktion nicht ausgelöst werden kann. Uran 235 kann einer Kettenreaktion erfahren, jedoch nur 0,714% des natürlichen Urans ausmacht.

Der größte Teil des Urans 238 muss vom Uran getrennt werden, und die Konzentration von Uran 235 muss auf mehr als 80% (vorzugsweise 90%) erhöht werden, bevor es zu einem Uran von Waffenqualität werden kann. Dies erfordert sehr hohe industrielle Fähigkeiten und ist möglicherweise nicht erreichbar, selbst wenn das ganze Land mobilisiert wird. Das später produzierte Plutonium 239 kann auch zur Herstellung von Atombomben verwendet werden, aber die Massenproduktion von Plutonium 239 erfordert auch die Mobilisierung des gesamten Landes.

Als Bohr in den Vereinigten Staaten ankam, erklärte er, dass die Atombombe nicht gebaut werden könne, wenn die Vereinigten Staaten zu einer riesigen Fabrik wurden.

1942 baute Fermi den ersten Kernreaktor in der Geschichte der Menschheit an der Universität von Chicago und legte den Grundstein für die friedliche Nutzung der Kernenergie der Menschheit und die anschließende Massenproduktion von Plutonium 239.

Danach förderte das Manhattan -Projekt die Entwicklung der Atombombe schnell. Nachdem Bohr den Fortschritt der Vereinigten Staaten bei der Herstellung der Atombombe erlebt hatte, nahm er seine Worte nicht zurück. Er beklagte: Die Vereinigten Staaten sind in der Tat zu einer riesigen Fabrik geworden.

Am 16. Juli 1945 detonierten die Vereinigten Staaten erfolgreich die erste Atombombe der Welt, deren Macht der von 20.000 Tonnen TNT entsprach. Weniger als einen Monat später wurden zwei Atombomben auf Hiroshima und Nagasaki fallen gelassen.

1945 wurde Hahn mit dem Nobelpreis für Chemie von 1944 "für seine Entdeckung der Spaltung schwerer Kerne" ausgezeichnet. Für Meitner und Strassmann war es nicht fair, dass sie die Auszeichnung nicht teilten. Zu dieser Zeit war Hahn noch in einem Alliierten -Internierungslager und erhielt die Auszeichnung erst 1946.

Obwohl er den Nobelpreis für seine Entdeckung der Nuklearspaltung gewann, hatte Hahn bereut. Nachdem die Neutronen das Uran bombardiert hatten, wurden einige davon gespalten, aber einige davon wurden tatsächlich in die Elemente 93 und 94 umgewandelt, was Hahn zu dieser Zeit nicht erkannte. Der Nobelpreis im Zusammenhang mit Transuranelementen ging später zu jemand anderem. In der heftigen wettbewerbsfähigen und sich fast schnell verändernden Situation zu dieser Zeit, während Hahn und andere das Phänomen der Urankernspaltung bestätigten, konnten sie sich nicht vorstellen, dass ein weiterer Teil des Urankerns tatsächlich zu einem transuranischen Element geworden war. Im Bereich der wissenschaftlichen Forschung gibt es oft eine Überraschung nach der anderen.

Verweise

[1] Richard Rhodes, Die Herstellung der Atombombe, Simon & Schuster, 1986 (chinesische Übersetzung: Die Herstellung der Atombombe, übersetzt von Li Huichuan et al von Shanghai Science and Technology Education Press, auf die in diesem Artikel nicht verwiesen wird.)

[2] Robert Jungk, Heller Als Tausend Sonnen. Das Schicksal der Atomforscher (Stuttgart, 1956) (Englische Übersetzung: heller als tausend Sonnen der Sonne: Eine persönliche Geschichte der Atomwissenschaftler, chinesische Übersetzung: heller als tausend Sonnen: Eine persönliche Geschichte der Atomwissenschaftler, Atomic Energy Press, 1991)

[3] Winifred Conkling, radioaktiv!

[4] Noddack, Ida (1934). Auf Element 93. Angewandte Chemie. 47 (37): 653-655.

[5] Joliot-Kurie, Irène; Savić, Pavle (1938). "Über die Natur eines radioaktiven Elements mit einer 3,5-stündigen Halbwertszeit, die in der Neutronenbestrahlung von Uran produziert wird". COMPTES Rendus. 208 (906): 1643.

[6] Hahn, O.; Strassmann, F. (1939). "Über Nachweis und das Verhalten der Bestrahlung des Urans Mittels Neurone Entstehenden Erdalkalimetalle". Naturwissenschaften (auf Deutsch). 27 (1): 11–15. Erhalten am 22. Dezember 1938.

[7] Hahn, O.; Strassmann, F. (Februar 1939). "Nachweis der Entstehung Aktiver Bariumisotop aus uran und thorium durch neurone Natürliche Wissensschaften. 27 (6): 89–95.

[8] Meitner, Lise & Frisch oder (1939). Ablagerung von Uran durch Neutronen: eine neue Art der Kernreaktion. Natur. 143 (3615): 239–240.

[9] Frisch oder (1939). Physikalische Beweise für die Aufteilung schwerer Kerne unter Neutronenbombardierung. Natur. 143 (3616): 276.

[10] Otto R. Frisch, "Die Entdeckung der Spaltung-wie alles begann", Physik heute, V20, N11, S. 43-48 (1967).

[11] Bethe, HA; Winter, George (Januar 1980). "Nachruf: Otto Robert Frisch". Physik heute. 33 (1): 99–100

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