PT-Magazin 3 2021

PT-MAGAZIN 3 2021
Vor über 100 Jahren schockierte die
Menschen die Totalität des ersten
Weltkrieges. Niemand hatte sich bis
dahin Millionen und Aber-Millionen Tote
als Ergebnis einer militärischen Auseinandersetzung
vorstellen können. Möglich
war diese Massenvernichtung erst durch
neue Technologien geworden (Flugzeuge,
Maschinengewehre, Panzer, Giftgas, etc.).
Schlimmer kann es nicht kommen, so
dachten die Menschen. Doch tatsächlich
wartete auf sie noch ein viel schlimmerer
Schrecken: Eine einzige Bombe,
mit der sich Hundertausende von Menschen
töten lassen. Vor über 75 Jahren,
am 6. August 1945, warf das US-Militär
eine erste Atombombe auf die japanische
Stadt Hiroshima ab. Drei Tage später
formte sich ein Atompilz über Nagasaki.
Ihre Grundlage hatte die Atombombe
in einer damals neuen physikalischen
Theorie, die unter Physikern bis
heute ein Synonym für Unverständlichkeit
darstellt: die Quantentheorie. In der
Welt der Physiker hatte diese schon seit
Beginn des 20. Jahrhunderts gewaltige
Furore gesorgt. Sie hatte bereits ein ganzes
Weltbild, das Weltbild der klassischen
Physik - und großer Teile der klassischen
Philosophie - einstürzen lassen. Mit der
Beschreibung der Gesetze im Mikro- und
Nanokosmos zeichneten sich zugleich
aufregende neue Technologien ab, die
in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts
die Welt verändern sollten (Laser, Mikroelektronik,
Medizintechnik, etc.). Doch
im letzten Kriegsjahr 1945 war dies der
Allgemeinheit noch nicht bewusst. Zu
komplex, zu bizarr und zu mathematisch
war die neue Physik. Doch dann trat diese
urplötzlich und völlig unerwartet auf die
Bühne der Weltöffentlichkeit, und dies
mit einem sehr lauten Knall: Die erste
technologische Anwendung der Quantenphysik
war die furchtbarste Waffe, die
jemals militärisch eingesetzt wurde.
Wie war diese schreckliche Waffe
entstanden? Seit dem berühmten Versuch
Rutherfords von 1912, von dem
heute jedes Schulkind weiß, wussten
die Physiker, dass der Atomkern aus elektrisch
positiv geladenen Elementarteilchen
(Protonen) besteht. Doch stoßen
sich gleich geladene Teilchen ab. Wie ist
es dann möglich, dass Atomkerne stabil
sind? Die vielen Protonen im Atomkern
müssten doch auseinanderfliegen. Eine
weitere Kraft im Atomkern musste auf
den sehr kurzen Distanzen im Atomkern
weit stärker (anziehend) wirken als die
elektrische Kraft. Doch was das für eine
Kraft sein sollte, das wussten die Physiker
nicht. Es war eines von vielen Rätseln
in der Quantenwelt, in der die Physiker
gerade erst begonnen hatten, sich umzuschauen.
Im Jahre 1934 begann der italienische
Physiker Enrico Fermi, Uranatome
mit Neutronen zu bombardieren. Seine
Hoffnung war, dass einige dieser Neutronen
am Atomkern haften bleiben würden,
womit neue, in der Natur nicht vorkommende
Atomkerne gebildet werden könnten.
Zu Fermis Überraschung entstand in
seinen Experimenten eine große Menge
radioaktiver Strahlung, deren Herkunft
weder er noch andere Forscher erklären
konnten. Vier Jahre später, im Sommer
1938, beobachteten Irène Joliot-Curie,
die Tochter Marie und Pierre Curies, und
ihr Mann Frédéric, dass bei der Bombardierung
von Uran mit Neutronen ein
ganz anderes Element entsteht, welches
einen wesentlich kleineren Kern als Uran
besitzt. Sie waren verblüfft und konnten
nicht glauben, dass sich ein solch großes
Stück aus dem doch an sich unteilbaren
Uranatomkern herausschießen ließ. Im
Dezember des gleichen Jahres führten
die deutschen Forscher Otto Hahn und
Lise Meitner ebenfalls Experimente mit
Urankernen durch, um die unbekannte
Kraft im Atomkern genauer zu untersuchen.
Auch sie beschossen Uran mit seinen
92 Protonen und – je nach Isotop
– 143 oder 146 Neutronen, und die „Munition“
waren auch hier verlangsamte Neutronen.
Es stellte sich heraus, dass durch
den Beschuss zwei ganz andere Elemente
entstehen: Barium und Krypton. Bariumatome,
die sich schnell radiochemisch
nachweisen ließen, besitzen eine Kernladungszahl
von 56 und sind fast nur halb
so groß wie Urankerne. Mithilfe theoretischer
quantenphysikalischer Berechnungen
kam Meitner zu dem Ergebnis, dass
der Uran-Kern durch das Neutronenbombardement
zum Platzen gebracht worden
war. Dabei nehmen die Bruchstücke sehr
viel Energie auf, weit mehr, als in jedem
bis dahin bekannten Atomprozess entstanden
war. Doch woher diese Energie
kam, war zunächst ein weiteres Rätsel.
Meitner berechnete auch, dass die beiden
Kerne, die aus der Spaltung hervorgingen
(plus drei Neutronen, die frei werden),
in ihrer Summe geringfügig leichter
waren als der ursprüngliche Atomkern
des Urans plus das Neutron, das die Spaltung
auslöste. Was war mit der fehlenden
Masse geschehen?
Die Antwort auf beide Fragen lieferte
Einsteins berühmte Formel E = mc2, die
dieser mehr als 30 Jahre zuvor aufgestellt
hatte: Die Differenz der Massen vor und
nach der Spaltung entsprach genau der
Energie, die die Bruchstücke aufgenommen
hatten, so Meitners Ergebnisse. Zum
ersten Mal hatte sich ein Prozess manifestiert,
in dem sich die von Einstein formulierte
Äquivalenz von Energie und
Masse direkt offenbarte. Zugleich war
damit aber auch klar geworden: Im Inneren
des Atoms schlummern unvorstellbare
Energien! Diese Nachricht lief wie
ein Lauffeuer durch die wissenschaftliche
Welt Otto Hahn, nicht aber Lise Meitner,
erhielt für diese Erkenntnis den Chemie-
Nobelpreis 1944; allerdings befand er sich
zum Zeitpunkt der Bekanntgabe zusammen
mit den führenden deutschen Atomphysikern
noch in militärischer Internierung
in England.
Die Physiker nannten diese Energie
«Kernenergie». Bei der Spaltung des
Atoms wird ein geringer Teil dieser gewaltigen
Energiemenge frei, die aber immer
noch millionenfach stärker ist als in konventionellen
chemischen Reaktionen. Der
Zufall wollte es, dass bei der durch ein
Neutron hervorgerufenen Spaltung eines
Urankerns drei weitere Neutronen freigesetzt
werden, die ihrerseits Urankerne
spalten konnten. Die Physiker erkannten,
dass sich über eine Kettenreaktion
in sehr kurzer Zeit eine enorme Energiemenge
freisetzen ließ. Viel Energie auf
engem Raum, die sich freisetzen ließ ˘
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