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Walter Haag Die Grundlagen des Atomzeitalters Ubersicht der Entwicklung der Atomforschung Das Atomzeitalter begann am 2. Dezember 1942 und am 16. Juli 1945. Der eine Tag im Dezember 1942, an dem in einem Keller unter den Tribünen des Universitäts-Sportplatzes in Chicago der erste Kernreaktor der Wett in Bet1·ieb gesetzt wurde und eine kontrollierte Kettenreaktion gelang, leitete die friedliche Verwendung der Atomenergie ein; der andere Tag im Juli 1945, an dem in einer Wüste in Neu-Mexiko erstmals eine Atombombe detonierte, machte das Atom zur politischen und 7nHitärische1l Macht und schuf mit dem Mißbrauch der Atomenergie eine gefährliche Bedrohung für die ganze Menschheit. Unser Anfsatz bringt eine interessante Darstellung der wichtigsten Daten in der Geschichte der unsere Zeit, vor allem den technischen Fortschritt, prägenden Wissenschaft. In einem halben Jahrhundert wissenschaftlicher Forschung wurden die entscheidenden Grundlagen dieses neuen Zeitalters geschaffen. Diese übersicht über den Ablauf der Atomforschung, über die bedeutendsten an ihr beteiligten Forscher und ihre Leistungen, dokumentiert den internationalen Charakter dieses wichtigen Kapitels der modernen Naturwissenschaft. 1895 Der Würzburgel Physikprofessor Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923, Nobelpreis für Physik 1901) entdeckt unsichtbare, geheimnisvolle Strahlen, die er X-Strahlen nannte und die später nach ihm benannt wurden. Diese Entdeckung wurde nieht nur für die Medizin so überaus bedeutsam, sie gab darüber hinaus den Anstoß, daß nunmehr andere Naturwissenschaftler nach weiteren bisher unbekannten Strahlen zu suchen begannen. 1896 Der französische Physiker Henri Antoine Becquerel (1852-1908, Nobelpreis für Physik 1903), Professor an der Ecole Polytechnique in Paris, stellt bei experimentellen Untersuchungen der Lurr.ineszenz (der Eigenschaft mancher Stoffe, hell nachzuleuchten, nachdem sie dem Licht ausgesetzt waren) fest, daß Uransalze Strahlen aussenden, die die umgebende Luft leitend machen (ionisieren) und Photoemulsionen durch undurchsichtiges Papier hindurch schwärzen. Er entdeckt damit "strahlende Materie". 1898 Angeregt durch die Veröffentlichungen Becquerels untersuchen der französische Chemiker Pierre Curie (1859-1906, Nobelpreis für Physik 1903) und seine Frau, die Chemikerin Marie Curie geb. Sklodowska (1867-1934, Nobelpreis für Physik 1903 und Chemie 1911) die Strahlung des Urans und entdecken die radioaktiven Elemente Radium und Polonium. 1900 Max Planck, Professor für theoretische Physik in Berlin (1854-1947, NobelpreiS für Physik 1918), stellt die Quantentheorie auf und öffnet damit einer "nahezu abgeschlossenen Physik" das Tor zu völlig neuen Erkenntnissen des gesamten Naturgeschehens. Nach dieser Theorie wird die Strahlungsenergie (Licht, Wärme) nicht in kontinuierlich fließendem Strom in beliebig kleinen Beträgen, sondern in ganz bestimmten, nicht mehr weiter teilbaren Elementarquanten in Atomen abgegeben bzw. aufgenommen. E = h ' y (Strahlungsenergie = kleinstes energetische Wirkungsquantum mal Schwingungszahl). 1903 Sir Ernest Rutherford (1871-1937, Nobelpreis für Chemie 1908), Direktor des Cavendish-Laboratoriums der Universität Cambridge, der bereits 1900 das radioaktive Edelgas Radon im zerfallenden Thorium entdeckt hatte, und Frederick Soddy (1877- 1956, NobelpreiS für Chemie 1921) erklären die radioaktiven Erscheinungen als Zerfallsvorgänge. Nach ihrer Zerfallstheorie erfolgt unter Aussendung von sogenannten Alpha-, Beta- und Gammastrahlen eine Umwandlung der Atome der radioaktiven Elemente in andere Atomarten (radioaktive Zerfallsreihe) bis schließlich als Endpl'Odukt ein stabiles Element entsteht. Alphastrahstrahlen sind Elektronen, die aus den zerfallenden Kernen von radioaktiven Elementen ausgeschleudert werden, und Gammastrahlen sind kurzweilige elektromagnetische Strahlen. Ein Jahr später kommt Rutherford zu dem Ergebnis, daß ,.ein ungeheurer Vorrat latenter Energie in den Atomen radioaktiver Elemente aufgespeichert ist. Sollte es jemals möglich werden, die Geschwindigkeit des Zerfalls radioaktiver Elemente nach Belieben zu regeln, dann könnte eine enorme Energie aus einer sehr kleinen Sub tanzmenge gewonnen werden'·. 1905 Albert Einstein (1879-1955, Nobelpreis für Physik 1921), Ingenieur am Schweizer Patentamt, spätel Professor der Physik und Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik in Berlin, veröffentlichte seine "Spezielle Relativitätstheorie" und das ,.Masse- Energie - Äqui valenzprinzip" , widerspricht damit den bis dahin als unumstößliche Naturgesetze gellenden Auffassungen von der Erhaltung der Materie und von der Erhaltung dei' Energie und lenkt das wissenschaftliche Denken in ganz neue Bahnen. E - m • c~, das heißt, Energie ist gleich Masse mal Quadl'at der Lichtgeschwindigkeit (c~ = 9 x 10~o c:m sec.). Ein Gramm einer beliebigen Masse würde demnach bei völliger Umwandlung in Energie (sofern dies durchführbar wäre) 9 x lO~o Erg entsprechen oder etwa 21,6 Milliarden Kilokalorien oder etwa 10 Billionen Meterkilogramm oder mnd 25 Millionen Kilowa ttstunden ergeben. 1911 Ru therford macht die entscheidende len oder Alphateilchen sind die aus . Entdeckung, daß die Atome fast völlig z\\'ei Protonen und zwei Neutronen leer sind und daß die positive Ladung bestehenden Heliumatomkerne: Beta- und fast die gesamte Masse eines 16
Atoms in einem winzigen zentralen Kern konzentriert sind, um den die Elektronen kreisen. Elektronen (von Stoney 1881 erstmals so genannt) sind winzige "Körperchen" mit einer negativ-elektrischen Ladung. 1913 Niels Bohr (geb. 1885, Nobelpreis für Physik 1922), Professor für theoretische Physik an der Universität Kopenhagen, wendet die Theorien von Max Planck und Albert Einstein auf das Rutherfordsche Atommodell an und entwickelt ein neues Atommodell, nach dem die Elektronen nicht gleichmäßig in der Atomhülle verteilt, sondern in mehreren konzentrischen Kugelschaien angeordnet sind. 1919 Rutherford gelingt die erstekünstlicl'le Atomumw'andlung. Er "beschießt" Atomkerne des Stickstoffs mit Alphateilchen. Der getroffene Kern schleudert ein Proton (winziges Elementarteilchen mit positiv-elektrischer Ladung) heraus; ein Atomkern eines Sauerstoffisotops ist entstanden. 1~:\ + ~[ I e -~ I~O + :11 1925 Der Göltinger Professor Max Born (geb. 1882, Nobelpreis für Physik 1954) und sein Schüler Pascual Jordan (geb. 1902), erweitern die von Werner Heisenberg (geb. 1902, Nobelpreis für Physik 1932), über die .. quanten theoretische Umdeutung mechanischer Beziehungen" niedergelegten Gedanken zu einer umfassenden Theorie: Die Atomvorgänge lassen sich nicht anschaulich darstellen und durch keinerlei Modell exakt deuten, sondern nur mit Hilfe der mathematischen Theorie erfassen. 1932 Sir James Chadwick (geb. 1881, Nobelpreis für Physik 1935), Professor für Radiologie an der Universität Cambridge, entdeckt in Fortführung von Versuchen der deutschen Physiker Bothe (geb. 1891, Nobelpreis für Physik 1954) und Becker und des französischen Ehepaares Joliot (geb. 1900, Nobelpreis für Chemie 1935) und Irene Joliot-Curie (geb. 1897, Nobelpreis für Chemie 1935), das Neutron. Neutronen sind elektrisch- neutrale Elementarteilchen. Bothe und Becker hatten 1930 beim Bombardieren des l\letalls 3eryllium mit Alphateilchen neue Strahlen \'on großer DUI chschlagskraft entdeckt. Joliot-Curie wiederholten 1932 das Beryllium Experiment, fingen die neuen Sb'ahlen mit einer Paraffin-WachsplItte auf und beobachteten, daß P rotonen von ungeheurer Geschwindigkeit aus dem Wachs herausschossen. Die Entdeckung der NeL tronen durch Chadwick geschah beim Bestrahlen von Beryllium mit Alphateilchen. 9 -I 11 -tUe + 1 11p -> oe + n 1932 Heisenberg und die bei den sowjetischen Forscher Jg. Tann und D. Ivanenko stellen unabhängig voneinander fest: Der Atomkern eines jeden Elements besteht aus Protonen und Neutronen. Die Bausteine eines Atomkerns sind als- Protonen und Neutronen. Dazu kommen - wie seit 1932 nachgewiesen oder mit hohem Wahrscheinlichkeitsgrad angenommen wurde - noch einige weitere Elementarteilchen von außewrdentlieh kurzer Lebensdauer. 1934 Dem Ehepaar Frederic Joliot und Irene J oliot-Curie glückt die bahnbrechende Entdeckung der künstlichen Radioaktivität und damit der radioaktiven Isotope. Sie bestrahlen Bor und Aluminium mit Alphateilchen und gewinnen dabei unter Abgabe eines Neutrons n) einen instabilen, also radioaktiven Stickstoff und einen instabilen, also radioaktiven Phosphor . 10 -I n 511 + lile -~ ,\ T n 17 -+ 30 p 1:)'\1 -'- 2"e - ) I.) -'- n Zum Unterschied von dem gewöhnlichen PhosPhor:l~ ~P ist das Isotop:ll~p .) ;) radioaktiv und zerfällt unter Aus -endung von Positronen. Isotope - Bezeichnung von Soddy - 'werden Atome des gleichen Elements mit verschiedener Anzahl von Neutronen genannt. 1938 Otto Hahn (geb. 1899, Nobelpreis für Chemie 1945), Direktor des Kaiser Wilhelm-Instituts für Chemie, und sein Mitarbeiter Fritz Strassmann (geb. 1902) beschießen Uran mit Neutronen, gewinnen dabei drei aktive Erdalkalimetalle, die sie zunächst für künstliche Radium-Isotope halten, die sich jedoch dann als Barium er ",,·eisen. In einem vom 22. Dezember 1938 datlel'len und am 6. Januar 1939 in der Zeitschrift "Naturwissenschaften" veröffentlichten Bericht "über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle" ei klärten Hahn und StJassmann: .. Wir kommen zu dem Schluß: Unsere .Radium'-Isotope haben die Eigenschaften des Bariums; als Chemiker müßten wir eigentlich sagen, bei den neue. Körpern handelt es sich nicht um Radium, sondern um Barium; denn andere Elemente als Radium oder Barium kommen nicht in Frage... Als ,Kernchemiker' können wir uns zu diesem, a llen bisherigen Erfahrungen der Kernphysik widel sprechenden Sprung noch nicht entschließen". Lise Meitner (geb. 1878) und ihr Neffe O. R. Frisch stellen als el'ste fest, daß Hahn und Strassmann eine Kernspaltung (nuclear fission) gelungen wal': das Uran war durch den Beschuß mit Neutronen in zwei mittelschwere Kerne gespalten worden. 2:).3 91 1-1'/ , ')lU -l- n -~ :16Kr + S6ßa + :~ n Meitner und Frisch sandten am 26 1. 1939 unter der Überschrift "Zerfall von Uran unter Einwirkung von Neutronen. Eine neue Art der Kernreaktion" einen· Bericht an die englische Zeitschrift "Nature", der am 11. 2. 1939 veröffentlicht wurde und in dem sie feststellten: "Es erscheint möglich, daß der Urankern nur geringe Formstabilität besitzt una sich nach Neutroneneinfang in zwei Kerne von annähernd gleicher Größe teilt. Diese beiden Keme dürften eine kinetische Energie von insgesamt etwa 200 MeV (Millionen Elektronenvolt) gewinnen ... " 1939 F I' i s e hund J 0 I i 0 t gelingt der experimentelle Nachweis, daß bei der Kernspaltung gewaltige Energiemengen freigesetzt werden, und Joliot und seine Mit31 beitel' S a vitsch, Halban, Kowarski und Per I' i n (Nobelpreis für Physik 1926) weisen nach, daß bei der Uranspaltung zwei bis drei Neutronen frei werden, die ihrerseits neue Spaltungen hervorrufen können. Damit ist theoretisch die Möglichkeit der Ausbildung einer Reaktionskette und damit einer technisch verwertbaren Ausnutzung der bei der Spaltung freiwerdenden Energie gegeben. 17
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