[Energiegeschichte 03] Kernspaltung – die Welt schuldet ihr einen Nobelpreis

Masse-Energie-Gleichung

Im „Einstein-Wunderjahr“ (1905) veröffentlichte Einstein insgesamt vier Arbeiten, in einer davon schlug er eine Theorie vor, dass die Massenreduktion von Materie m=E/c² beträgt.

Zu Beginn hatte Einsteins Masse-Energie-Gleichung nicht die bekannte Form E=mc². Man kann sagen, dass Einsteins ursprüngliche Form eher mit der Natur von Masse und Energie übereinstimmt. Anstatt zu sagen, dass Materie und Energie ineinander umgewandelt werden können, ist es besser zu sagen, dass Materie selbst Energie ist.

Doch in den 30 Jahren, seit Einstein die Masse-Energie-Gleichung vorgeschlagen hat, wusste niemand, wozu sie gut ist.

In den 1930er Jahren entdeckte schließlich jemand die enorme Kraft der Masse-Energie-Gleichung und öffnete der Menschheit damit die Tür zu Atomwaffen. Entdeckerin war Lisa Meitner, die von Einstein als „deutsche Madame Curie“ bezeichnet wurde.

Lisa Meitner (Bildquelle: Wikipedia)

Interessanterweise gab es vor Meitner einen talentierten Physiker, der als Erster die Möglichkeit hatte, diese Tür zu öffnen, aber er verlor diese Chance wegen eines Nobelpreises.

Fermi – Ein Fehler, ein Nobelpreis

In den frühen 1930er Jahren untersuchten Physiker ein Phänomen: Warum endeten die Elemente im Periodensystem beim Element 92 (Uran)?

Zu diesem Zeitpunkt hatte Rutherford bereits die Struktur des Atomkerns entdeckt. Theoretisch müsste durch die Hinzufügung eines Protons zum Urankern ein neues Element entstehen. Aus diesem Grund bombardiert man Urankerne mit verschiedenen Strahlen, in der Hoffnung, Elemente mit höheren Ordnungszahlen als Uran zu erzeugen.

Fermi (Bildquelle: Wikipedia)

Im Jahr 1934 hatte der Physiker Fermi in Italien eine plötzliche Idee und beschloss, Urankerne mit den Neutronen zu bombardieren, die Chadwick gerade entdeckt hatte. Da Neutronen über eine hohe Energie verfügen und nicht geladen sind, werden sie durch die elektromagnetische Kraft des Urankerns weniger gestört und können den Kern leichter treffen.

Nach dem Bombardement fand Fermi bei der Überprüfung der Produkte etwas sehr Radioaktives. Fermi dachte zunächst, er hätte die Elemente 93 und 94 erhalten, die schwerer als Uran seien. Einige Wissenschaftler glaubten damals jedoch, dass es sich dabei nicht um ein neues Element handele, sondern um Uran, das durch Bombardierung in kleinere Elemente zerlegt worden sei[1].

Man kann sagen, dass Fermis experimentelle Schlussfolgerungen noch immer sehr umstritten sind und dass Fermi seine Forschung hätte fortsetzen sollen. Doch dieser vage Erfolg wurde von der damaligen italienischen Regierung übertrieben, um ihre Überlegenheit als faschistisches Regime zu demonstrieren. Infolgedessen erhielt Fermi 1938 tatsächlich den Nobelpreis für Physik.

Dass Fermi den Preis erhielt, kann als großer Fehler in der Geschichte des Nobelpreises angesehen werden. Durch diesen Fehler bei der Nobelpreisverleihung verpasste er eine wichtigere Gelegenheit; Er verpasste die Chance, die Kernspaltung zu entdecken.

Meitner - Atomtropfen

Die Chance zur Entdeckung der Kernspaltung ergriff Lisa Meitner, die „deutsche Marie Curie“. Ironischerweise hat Meitner, der Entdecker der Kernspaltung, nie einen Nobelpreis gewonnen.

Meitner war definitiv ein Genie der Physik. In einer Zeit, in der Frauen diskriminiert wurden, nutzte sie ihre Talente und wurde eine der äußerst seltenen Frauen, die an der Universität Wien den Titel eines Doktors der Physik erlangten.

Noch beeindruckender ist die Anerkennung, die sie von Max Planck erhielt, der sich damals offen gegen die Zulassung von Frauen zu Universitäten aussprach.[2]

Planck war von Meitner sehr begeistert und lud sie zu seinen Vorlesungen und zu sich nach Hause ein.

Im Jahr 1910 wurde sie von Planck als Assistentin an das Institut für Theoretische Physik der Friedrich-Wilhelms-Universität berufen und Meitner wurde die erste wissenschaftliche Assistentin in der preußischen Geschichte.

Meitner enttäuschte Plancks Erwartungen nicht und sein physikalisches Talent wurde immer deutlicher. Sie wurde bald eine Partnerin des Wissenschaftlers Hahn und scherzte sogar mit ihm: „Sie verstehen überhaupt nichts von Physik, warum studieren Sie nicht Chemie?“[3]

Meitner und Hahn (Bildquelle: Wikipedia)

Wie Fermi versuchten auch Meitner und seine Kollegen, Uran mit Neutronen zu beschießen. Doch für Meitner, der Jude war, war Deutschland damals kein guter Ort für wissenschaftliche Forschung. Bald begann die faschistische Geheimpolizei, jüdischen Wissenschaftlern Ärger zu machen, und Meitner musste gehen.

Glücklicherweise war Meitners Partner Hahn kein Jude und konnte weiterhin in Deutschland bleiben, um dort zu forschen. Darüber hinaus verhalf Hahn unter Verwendung seiner Identität auch Meitner zu einer reibungslosen Flucht aus Deutschland. Während Meitners Flucht entdeckten Hahn und seine Kollegen ein Phänomen. Beim Beschuss von Uranatomen mit Neutronen spaltete sich der Urankern in mehrere Fragmente (eines der Produkte war Barium). Hahn war der Meinung, dass dies zu kontraintuitiv sei und dass Hahn und seine Kollegen nicht wussten, wie sie dieses Phänomen erklären sollten. Daher konnten sie nur Meitner um Hilfe bitten, der „besser in Physik“ war.

Als Meitner dieses Ergebnis sah, war seine erste Reaktion, dass dies unmöglich sei. Glücklicherweise war Meitner davon überzeugt, dass Hahn ein hervorragender Chemiker war und dass seine Entdeckung, dass sich Uran in Barium umwandelt, kein kleiner Fehler sein sollte. Darüber hinaus wurden viele „unmögliche“ Dinge im Bereich der Kernphysik schließlich bestätigt[2], sodass dieser Vorfall auch eine bedeutende Entdeckung bedeuten könnte.

Meitners Instinkt war richtig.

Wäre der Atomkern ein fester Gegenstand wie eine Erbse, dann bliebe bei seiner Explosion nur ein Haufen Erbsenfragmente übrig. Was aber, wenn der Atomkern kein solcher Feststoff ist?

Doch der Theorie von Gamow und Bohr zufolge ähnelt der Atomkern möglicherweise eher einem Flüssigkeitströpfchen. Die Spannung des Wassers kann die Form des Tropfens aufrechterhalten, und sobald die Spannung gebrochen ist, kann sich ein Wassertropfen in zwei kleinere Tropfen aufspalten. Nach diesem Modell ist es sinnvoll, dass ein Urankern in zwei kleinere Kerne gespalten werden könnte.

Nach Berechnungen stellte Meitner fest, dass der Urankern tatsächlich einem instabilen Flüssigkeitströpfchen ähnelte. Unter äußerer Stimulation (beispielsweise durch einen Neutronentreffer) könnte die „Spannung“ des Urankerns gebrochen und dieser in kleinere Tröpfchen aufgespalten werden.

Uranatomspaltung (Bildquelle: Wikipedia)

Doch dann musste Meitner ein weiteres Problem lösen.

Hahns Untersuchungen zufolge bewegen sich die beiden Tröpfchen nach der Trennung mit sehr hoher Geschwindigkeit. Woher kommt diese Energie? Außerdem verschwand nach der Kernspaltung ein Teil der Masse des Urankerns. Wo ist diese Masse geblieben?

Welche Beziehung besteht zwischen der verschwindenden Masse und der Energie? Meitner dachte schnell an Einsteins Formel m=E/c². Nach der Berechnung stimmen die verschwundene Masse und die vom neuen Kern gewonnene Energie genau überein.

Nach Meitners Argumentation würden Atome gespalten und die fehlende Masse würde buchstäblich zu Energie. Meitner entwarf umgehend mit seinem Neffen in Kopenhagen ein Experiment zum Nachweis der Atomkernspaltung.

Meitner und sein Neffe Frisch schrieben schnell einen Artikel und veröffentlichten ihn in Nature. Um zu verhindern, dass ihm andere Wissenschaftler zuvorkommen, hatte Hahn zuvor bereits zwei Arbeiten veröffentlicht, die auf die Existenz eines solchen Phänomens hinwiesen. Diese drei Arbeiten hatten einen enormen Einfluss auf die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft. Eine solch sensationelle Entdeckung verdient zweifellos einen Nobelpreis.

Ungerechter Nobelpreis

Im Jahr 1944 wurde Hahn in Anerkennung der Entdeckung der Kernspaltung der Nobelpreis für Chemie verliehen. Ja, Hahn war der einzige Gewinner.

Dies war eine sehr umstrittene Auszeichnung in der Geschichte des Nobelpreises.

Es gibt ein Sprichwort, Hahn habe unter dem Druck der deutschen Regierung gestanden. Die Nazi-Regierung konnte nicht zulassen, dass Juden die Auszeichnung erhielten, und löschte deshalb Meitners Beitrag bewusst aus. Betrachtet man Hahns Hilfe bei Meitners Flucht und das Risiko, das er einging, um die wichtigsten experimentellen Daten mit Meitner zu teilen, kann man tatsächlich erkennen, dass Hahn selbst Meitner gegenüber absolut nichts Böses wollte.

Später, nach der Veröffentlichung der Nobelpreis-Begutachtungsprotokolle, konnte auch gezeigt werden, dass die alleinige Schuld an Meitners Nichterlangung des Nobelpreises nicht bei Hahn lag. Laut Meitners Biografin Ruth Lewin Sime war Meitners Versäumnis, den Nobelpreis 1944 zu erhalten, auf die Struktur des Nobelpreiskomitees, die Vorurteile der Menschen, politische Faktoren usw. zurückzuführen.

„Meitners Ausschluss vom Chemie-Nobelpreis 1944 war eine Mischung aus Vorurteilen, politischer Unempfindlichkeit, Ignoranz und Eile.“ [2]

Tatsächlich wurde Meitner 48 Mal für den Nobelpreis nominiert. Zu den Wissenschaftlern, die sie nominierten, gehörten bedeutende Wissenschaftler wie Planck und Bohr sowie ihr Partner Hahn, doch Meitner erhielt nie den Nobelpreis.

Meitner selbst bedauerte diesen Vorfall sehr. In einem Brief sagte sie: „Hahn verdient zweifellos den Nobelpreis für Chemie, daran besteht kein Zweifel. Aber ich glaube, dass Frisch und ich einen bedeutenden Beitrag zur Aufklärung des Prozesses der Uranspaltung geleistet haben – wie es entsteht und wie dabei so viel Energie freigesetzt wird, was eigentlich weit von dem entfernt war, was Hahns damalige Forschung erreichen wollte.“ [2]

Friedliche Mutter aller Bomben

Im Februar 1940 verfassten Frisch und Rudolf Peierls das „Frisch-Peerls-Memorandum“, in dem erstmals festgestellt wurde, dass aus geringen Mengen Uran eine Atombombe hergestellt werden kann. Zuvor war man allgemein der Ansicht, dass für den Bau einer Atombombe mehrere Tonnen Uran erforderlich seien. Zu dieser Zeit bahnte sich der Zweite Weltkrieg an und zahllose Länder begannen, ihre Aufmerksamkeit auf diese mächtige Waffe zu richten. [4]

Ein talentierter Physiker wie Meitner wurde natürlich vom Manhattan-Projekt bevorzugt, und die Vereinigten Staaten hofften, dass Meitner sich am Projekt zum Bau einer Atombombe beteiligen würde. Aber Meitner war Pazifist und beteiligte sich nie am Manhattan-Projekt.

Nach den Atombombenexplosionen in Hiroshima und Nagasaki wurde Meitner plötzlich zur „Mutter der Bomben“ und zur „Frau hinter der Bombe“. Doch um es mit Meitners eigenen Worten auszudrücken: „Die Bombe hat nichts mit mir zu tun.“

Meitners Grab (Bildquelle: Wikipedia)

Meitner hätte nie gedacht, dass die Atomenergie eine Katastrophe für die Menschheit bedeuten würde. Sie hoffte, dass die Kernenergie der Menschheit zugute kommen würde. In Meitners Grabinschrift heißt es: „Lisa Meitner: eine Physikerin, die nie ihre Menschlichkeit verlor.“

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Hier endet Meitners Geschichte. Die enorme Energie, die Meitner entdeckte, versorgt uns auch heute noch zuverlässig mit Energie.

Doch bevor es soweit ist, zeigt sich die Atomenergie noch von ihrer bösartigsten Seite. Die Menschheit steht kurz vor der Einführung einer Superwaffe – der Atombombe.

Quellen:

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

[2] Sime, Ruth Lewin (1996). Lise Meitner: Ein Leben in der Physik. Berkeley: University of California Press.

[3] Hoffman, Otto Hahn: Leistung und Verantwortung, S.17.

[4] Bernstein, Jeremy (1. Mai 2011). "Ein Memorandum, das die Welt verändert hat" (PDF). Amerikanisches Journal für Physik. 79 (5): 441–446.

Dieser Artikel wurde vom Science Popularization China-Starry Sky Cultivation Project erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.