Echte physikalische Begriffe: Atombomben haben nichts mit Atomen zu tun, und Wasserstoffbomben haben wenig mit Wasserstoff zu tun

In der wissenschaftlichen Forschung erfinden Wissenschaftler jedes Mal, wenn sie ein neues Naturphänomen entdecken oder ein neues wissenschaftliches Konzept vorschlagen, einen Eigennamen, um es zu benennen. Mit einer guten Namensgebung bleiben komplexe Phänomene und schwierige Konzepte aufgrund ihrer intuitiven und leicht verständlichen Bezeichnungen im Gedächtnis oder sie faszinieren und wecken die Neugier und den Forscherdrang der Menschen. Wenn der Name nicht gut ist, kann es sein, dass die Leute ihn missverstehen oder vom Lesen abgehalten werden. In dieser Artikelserie werden einige wichtige Begriffe der Physik kurz untersucht, ihre Bedeutungen eingehend untersucht und die tiefgreifenden physikalischen Implikationen erkundet, die ihnen zugrunde liegen.

--Autor

In dieser Kolumne wurden folgende Artikel veröffentlicht:

1. Physikalische Begriffe im Detail: Einige Konzepte zu Kraft und Feld

Geschrieben von Chen Shaohao (Massachusetts Institute of Technology, USA)

Die Popularität des Films „Oppenheimer“ lenkte die öffentliche Aufmerksamkeit erneut auf die Atombombe. Als Leiter des Manhattan-Projekts spielte Oppenheimer eine wichtige Rolle bei der Geburt der ersten Atombombe in der Menschheitsgeschichte und wurde als „Vater der Atombombe“ bekannt.

Seit Einstein im Jahr 1905 die Masse-Energie-Gleichung aufstellte, wissen Physiker, dass im winzigen Kern eines Atoms eine enorme Menge Energie gespeichert ist. Von der Geburt wissenschaftlicher Konzepte bis hin zur praktischen Anwendung müssen zahllose technische und ingenieurwissenschaftliche Schwierigkeiten überwunden werden. Wenn es den Vereinigten Staaten nicht um die Konkurrenz zu Nazi-Deutschland gegangen wäre, hätten sie das Manhattan-Projekt zum Bau der Atombombe nicht mit nationaler Stärke gestartet. Seit ihrer Erfindung haben die mächtigen Atomwaffen den Lauf der Menschheitsgeschichte völlig verändert und der menschlichen Gesellschaft enorme Schocks und Auswirkungen zugefügt.

In den Massenmedien sind viele Aussagen zu Atomwaffen vage und einige häufig verwendete Begriffe bringen die wahre physikalische Bedeutung dahinter nicht vollständig und genau zum Ausdruck. Mehrere Atommächte weltweit betrachten die Atomwaffentechnologie heute als höchstes Staatsgeheimnis und die technischen Einzelheiten der Herstellung von Atomwaffen dürfen nicht öffentlich gemacht werden. Dies ist einer der Gründe, warum die Terminologie im Zusammenhang mit Atomwaffen teilweise vage sein kann. Obwohl die technischen Einzelheiten von Atomwaffen Staatsgeheimnisse sind, sind ihre physikalischen Grundlagen völlig öffentlich. In der Wissenschaft ist die Physik von Atomwaffen kein großes Geheimnis. Dieser Artikel beginnt mit den Prinzipien der Physik, analysiert einige Begriffe im Zusammenhang mit Atomwaffen und untersucht die ihnen zugrunde liegende Physik.

Die Atombombe hat nichts mit Atomen zu tun

Wenn es um Atomwaffen geht, ist der Öffentlichkeit die Atombombe am vertrautesten. Fast jeder in der heutigen Gesellschaft hat zumindest schon einmal von der Atombombe gehört. Aus wissenschaftlicher Sicht ist der Begriff „Atombombe“ jedoch sehr ungenau. Die Atombombe hat eigentlich nichts mit dem Atom zu tun, ist aber eng mit dem Atomkern verwandt.

Der Mittelpunkt des Atoms ist der Atomkern, und die Elektronen sind um den Atomkern herum verteilt. Das Forschungsobjekt der Atomphysik sind die Elektronen im Inneren der Atome, und die Rolle des Atomkerns besteht lediglich darin, ein externes elektrisches Feld für die Elektronen bereitzustellen. Die Untersuchung der inneren Struktur des Atomkerns wird als Kernphysik bezeichnet. Die Energie einer Atombombenexplosion stammt ausschließlich aus der Kernspaltung im Atomkern. Daher wäre die treffendere Bezeichnung für eine Atombombe „Spaltungsbombe“, eine Art Atombombe.

Da die Atombombe vollständig auf Kernspaltung basiert, trägt sie den wissenschaftlichen Namen „Reine Kernspaltungswaffe“. Am Ende des Zweiten Weltkriegs waren die beiden Atombomben, die die Vereinigten Staaten auf Hiroshima und Nagasaki in Japan abwarfen, reine Kernspaltungswaffen.

Als Kernladung wird in Atombomben Uran-235 (U-235) oder Plutonium-239 (Pu-239) verwendet. Uran und Plutonium sind beides Elementnamen, die aus den englischen Wörtern „Uranium“ bzw. „Plutonium“ übersetzt wurden. Die chinesischen Namen von Metallelementen haben im Allgemeinen das Zeichen „金“ (Gold) am Stamm. Das Periodensystem enthält mehr als neunzig Metallelemente. Es ist nicht einfach, sie alle mit chinesischen Schriftzeichen zu benennen, die am Stamm das Zeichen „金“ (Gold) haben und in gewisser Weise homophon zum Englischen sind. Apropos, dies hängt auch mit Zhu Yuanzhang zusammen, dem ersten Kaiser der Ming-Dynastie. Zhu Yuanzhang hinterließ in seinem Testament, dass das dritte Zeichen in den Namen seiner Nachkommen ein Zeichen mit den „Fünf Elementen“ als Wurzel sein muss, nämlich eines aus den „Feuer, Erde, Metall, Wasser und Holz“. Infolgedessen schuf die königliche Familie der Ming-Dynastie, die mehr als zweihundert Jahre lang existierte, viele chinesische Schriftzeichen mit dem Zeichen „Gold“ an der Seite. Viele dieser Zeichen selbst hatten keine Bedeutung, wurden jedoch in der Neuzeit unerwarteterweise zur Benennung von Metallelementen verwendet.

Bei Uran-235 und Plutonium-239 sind die Suffixzahlen „235“ und „239“ die Massenzahlen der Elemente. Der Atomkern besteht aus Neutronen und Protonen, und die Summe der Anzahl der Protonen und Neutronen ist die Massenzahl. Dasselbe Element hat im Allgemeinen viele verschiedene Isotope. Isotope haben die gleiche Anzahl an Protonen, eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen und daher unterschiedliche Massenzahlen. Das Element Uran beispielsweise hat 92 Protonen und die Massenzahlen seiner beiden häufigsten Isotope sind 235 und 238, weshalb sie Uran-235 und Uran-238 heißen.

Sowohl Uran-235 als auch Plutonium-239 sind spaltbare Materialien, die bei Einschlag von Neutronen eine Spaltung durchlaufen. Eine Kernspaltung tritt auf, wenn ein schwererer Kern in zwei leichtere Kerne zerfällt und dabei aufgrund des Masseverlusts Energie freigesetzt wird. Einsteins Masse-Energie-Gleichung E=mc^2 bedeutet, dass die Energie eines mikroskopischen Teilchens gleich seiner Ruhemasse multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit ist. Die Lichtgeschwindigkeit ist sehr hoch, sodass ein kleiner Massenverlust eine große Menge Energie erzeugen kann. Hierher kommt die Energie für die Atombombe.

Auch bei der Spaltung schwerer Atomkerne entstehen Neutronen. Die neu erzeugten Neutronen treffen auf nahegelegene Urankerne und führen auch hier zur Spaltung, wodurch die Zahl der Kerne, die sich spalten, exponentiell zunimmt. Dies wird als nukleare Kettenreaktion bezeichnet. In nur einer Mikrosekunde kann sich die Zahl der Atomkerne, die eine Spaltung durchlaufen, um das Hundertfache erhöhen. Eine Kettenreaktion kann in kurzer Zeit die für eine Explosion nötige Energie freisetzen. Es reichen wenige Kilogramm Spaltmaterial, um genügend Energie freizusetzen, um eine Stadt zu zerstören.

Abbildung 1: Die Kettenreaktion, die bei einer Atombombe auftritt. Der Uran-235-Kern wird bei Einschlag eines Neutrons gespalten, wobei zwei kleinere Kerne und ein Neutron entstehen. Die neu erzeugten Neutronen kollidieren mit anderen Uran-235-Kernen und verursachen weitere Kernspaltungen. | Bildquelle: www.nuclear-power.com

Der Schlüssel zur Zündung einer Atombombe besteht darin, die spaltbaren Materialien so zusammenzupressen, dass die für die Entstehung einer Kettenreaktion erforderliche kritische Masse erreicht wird. Es gibt zwei Möglichkeiten, bestehende Atombomben zu zünden. Der erste ist der Waffentyp. Diese Methode ist vergleichbar mit dem Abfeuern einer Kugel auf ein Ziel. Dabei wird die Schubkraft der Explosion herkömmlicher Sprengstoffe genutzt, um einen Teil des Spaltmaterials mit hoher Geschwindigkeit auf einen anderen Teil des Spaltmaterials zu schießen, sodass das Spaltmaterial eng miteinander verbunden wird und eine kritische Masse erreicht. Der zweite Typ ist der Implosionstyp. Bei diesem Schema befinden sich die konventionellen Sprengstoffe außen und das spaltbare Material innen. Wenn herkömmliche Sprengstoffe explodieren, entsteht ein Druck nach innen, der das spaltbare Material zusammendrückt und es so eine kritische Masse erreichen lässt.

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Wärme führt dazu, dass sich das spaltbare Material ausdehnt und die Uranatome sich weiter voneinander entfernen. Da der Wirkungsquerschnitt von Kernreaktionen mit zunehmender Entfernung rapide abnimmt, verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass neu erzeugte Neutronen mit Uranatomen kollidieren und die Kettenreaktion dadurch gestoppt wird. Einer der Schlüssel zum Design von Atombomben besteht darin, die Zerstreuung des spaltbaren Materials so lange wie möglich zu verhindern, damit es vollständig genutzt werden kann. Der oben erwähnte Kernquerschnitt ist eine physikalische Größe zur Messung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Reaktion und hat die Dimension einer Fläche.

Die Wasserstoffbombe hat wenig mit Wasserstoff zu tun

Eine Wasserstoffbombe ist eine nukleare Waffe, die stärker ist als eine Atombombe. Aufgrund der enormen Zerstörungskraft der Wasserstoffbombe widersetzte sich Oppenheimer, der Vater der Atombombe, aus humanitären Erwägungen der Produktion der Wasserstoffbombe durch die US-Regierung. Seine Sicherheitsfreigabe wurde ihm jedoch entzogen, was das Ende seiner politischen Karriere bedeutete. Der Film „Oppenheimer“ widmet sich ausführlich der detaillierten Beschreibung des Ablaufs der Anhörung zur Sicherheitsüberprüfung. Der Widerstand berühmter Wissenschaftler wie Oppenheimer und Einstein konnte die Entwicklung der Wasserstoffbombe nicht aufhalten. Die Wasserstoffbombe wurde 1951 entwickelt, mehrere Jahre nach der Erfindung der Atombombe.

Das Design der Wasserstoffbombe nutzt auf clevere Weise die durch Kernfusion erzeugte Energie. Der Prozess der Kernfusion ist das Gegenteil der Kernspaltung, bei der zwei leichtere Atomkerne zu einem schwereren Atomkern verschmelzen. Der in Wasserstoffbomben verwendete Kernfusionsprozess läuft wie folgt ab: Deuteriumkerne verschmelzen mit Tritiumkernen, wobei ein Heliumkern und ein Neutron entstehen.

Abbildung 2: Deuterium- und Tritiumkerne verschmelzen zu einem Heliumkern und einem Neutron und setzen Energie frei | Quelle: Wiki

Deuterium und Tritium sind beides Isotope von Wasserstoff. Deuterium und Tritium haben wie Wasserstoff ein Proton im Kern und ein Elektron außerhalb des Kerns. Da die chemischen Eigenschaften eines Elements vollständig von den Elektronen außerhalb des Kerns bestimmt werden, sind die chemischen Eigenschaften der drei Isotope Wasserstoff, Deuterium und Tritium genau gleich und ihre Elemente sind alle Gase. Der Unterschied liegt in der Anzahl der Neutronen und der Massenzahl. Die Massenzahlen der Wasserstoff-, Deuterium- und Tritiumkerne betragen 1, 2 bzw. 3. Deuterium heißt auf Englisch Deuterium, was auf Griechisch „zweite“ bedeutet. Der englische Name von Tritium ist Tritium, was auf Griechisch „dritter“ bedeutet. Deuterium (ausgesprochen Dao) und Tritium (ausgesprochen Chuan) sind Homophone englischer Wörter. Das „Qi“-Zeichen an der Seite spiegelt die chemische Eigenschaft wider, dass es sich bei seiner einzigen Substanz um Gas handelt. Die zwei und drei Striche unten stellen jeweils die Massenzahl dar. Man kann sagen, dass diese beiden Wörter ein Modell für die Kombination von Transliteration und Übersetzung sind.

Bei der Kernfusion kommt es zu einem Masseverlust. Gemäß der Masse-Energie-Gleichung wird die verlorene Masse in Energie umgewandelt. Im Inneren der Sonne findet in jedem Moment eine gewaltige Kernfusion statt, und die Fusionsenergie wird in Form elektromagnetischer Wellen nach außen abgestrahlt. Ein Teil der elektromagnetischen Wellen (einschließlich sichtbarem Licht) breitet sich zur Erde aus und wird zur Quelle fast der gesamten Energie auf der Erde.

Im Vergleich zur Kernspaltung erzeugt die Fusion mehr Energie pro Masseneinheit Material. Es ist erwähnenswert, dass dies nicht der Grund ist, warum Wasserstoffbomben stärker sind als Atombomben. Kernwaffen, die die Fusionsenergie vollständig nutzen, werden als reine Fusionswaffen bezeichnet. Sie existieren nur in der Theorie und wurden in der Realität nicht hergestellt. Aktuelle Wasserstoffbomben nutzen zwar die Kernfusion, die Hauptfunktion der Kernfusion besteht jedoch darin, neue Neutronen zu erzeugen, die wiederum dazu führen, dass mehr Spaltmaterialien einer Kernspaltung unterzogen werden, wodurch eine höhere Spaltenergie erzeugt wird. Die Hauptenergie einer Wasserstoffbombe stammt noch immer aus der Kernspaltung, und die durch die Kernfusion von Wasserstoffisotopen erzeugte Energie ist im Grunde vernachlässigbar. Aus dieser Perspektive hat die Wasserstoffbombe wenig mit Wasserstoffisotopen zu tun, daher ist die Bezeichnung Wasserstoffbombe nicht konsequent. Da für die Kernfusion sehr hohe Temperaturen erforderlich sind, lautet die Fachbezeichnung für eine Wasserstoffbombe „Thermonuklearbombe“.

Es gibt zwei Hauptdesigns für Wasserstoffbomben. Die erste sind durch Fusion verstärkte Kernspaltungswaffen (Boosted Fission Weapons). Dies ist eine Verbesserung gegenüber der Implosionsatombombe. Bei der Explosion einer Atombombe wird das Kernspaltmaterial auseinandergesprengt, wodurch die Kettenreaktion gestoppt wird und ein großer Teil des Spaltmaterials nicht genutzt wird. Deuterium und Tritium sind in großen Mengen in das Zentrum des spaltbaren Materials Uran eingelagert und die durch die Explosion erzeugte hohe Temperatur kann dazu führen, dass Deuterium und Tritium eine Fusionsreaktion eingehen. Die durch die Fusion erzeugten Neutronen kollidieren mit dem umgebenden spaltbaren Material und lösen eine Kettenreaktion neuer Kernspaltungen aus. Dadurch wird das spaltbare Material effizienter genutzt und letztlich mehr als die doppelte Energiemenge freigesetzt. Da bei dieser Konstruktion Isotope sowohl des spaltbaren Materials Uran als auch des Fusionsmaterials Wasserstoff verwendet werden, wird sie auch als „Uranhydridbombe“ bezeichnet.

Das zweite Schema wurde von Teller und Ulam vorgeschlagen und wird daher auch Teller-Ulam-Schema genannt. Teller gilt als Vater der Wasserstoffbombe. Im Film Oppenheimer spielt Teller den Bösewicht und sagt bei der Anhörung gegen Oppenheimer aus.

Derart konstruierte Wasserstoffbomben werden auch als abgestufte thermonukleare Waffen bezeichnet. Sie bestehen aus den beiden oben erwähnten fusionsverstärkten Kernspaltungsbomben, von denen die eine als primäre Kernbombe und die andere als sekundäre Kernbombe bezeichnet wird. In der ersten Phase wird die primäre Atombombe durch eine konventionelle Explosion gezündet. In der zweiten Phase führen die hochenergetischen Röntgenstrahlen, die bei der Explosion der primären Atombombe entstehen, zur Detonation der sekundären Atombombe. Dieser als Strahlungsimplosion bezeichnete Prozess ist effizienter als die erste Stufe und setzt viel mehr Energie frei als eine primäre Atombombe. Diese Lösung kombiniert die Technologien der fusionsverstärkten Kernspaltung und der spaltungsverstärkten Fusion, sodass die Energie vollständiger freigesetzt werden kann.

Über den Autor

Shaohao Chen hat einen Bachelor-Abschluss in Physik und einen Doktortitel in Atom- und Molekularphysik von der Tsinghua-Universität. Er war Postdoktorand an der University of Colorado Boulder und hat an der Louisiana State University und der Boston University gearbeitet. Derzeit arbeitet er am Massachusetts Institute of Technology und beschäftigt sich mit Hochleistungsrechnen.

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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