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Atomkern

Atomkern

Der Atomkern bildet, wie der Name schon sagt, den Kern des Atoms. Kenntnisse über die Eigenschaften von Atomkernen sind zum Verständnis der Radioaktivität sowie der Kernspaltung (Kernkraftwerk, Atombombe) und der Kernfusion (Wasserstoffbombe) notwendig. Von dem lateinischen Wort für Kern (nucleus) leitet sich der Begriff nuklear ab, der die Eigenschaften bezeichnet, die
- einen Kern betreffen, insbesondere einen Atomkern
- eine Wirkung radioaktiver Erscheinungen oder Gegenstände betrifft, beispielsweise nukleare Strahlung, nuklearer Reaktor, nuklearer Abfall, nukleare Bombe, nukleare Granate.

Aufbau des Atomkerns

Er besteht aus Protonen und Neutronen die zusammen auch Nukleonen genannt werden. Er befindet sich, anschaulich gesprochen, im Zentrum des Atoms und konzentriert in sich mehr als 99,9% der Masse des gesamten Atoms. der Atomkern ist jedoch 100.000mal kleiner als die Elektronenhülle des Atoms. Neutronen besitzen keine elektrische Ladung. Protonen sind jedoch positiv geladen. Infolgedessen ist der Atomkern elektrisch positiv geladen und kann über die Coulombkraft negativ geladene Elektronen an sich binden. Da die elektrische Ladung des Elektrons bis auf das Vorzeichen gleich der Ladung des Protons ist, muss ein nach außen hin elektrisch neutrales Atom ebenso viele Elektronen in der so genannten Elektronenhülle besitzen, wie Protonen im Kern. Atome mit einer unterschiedlichen Anzahl von Protonen und Elektronen sind nach außen hin elektrisch geladen und werden Ionen genannt. Die positiv geladenen Protonen im Kern stoßen sich gegenseitig aufgrund der Coulombkraft ab. Da der Atomkern jedoch trotzdem nicht auseinander fliegt, muss im Kern eine weitere Kraft existieren, durch die sich die Nukleonen gegenseitig anziehen und die stärker ist als die Coulombkraft. Diese Kraft wird auch als Starke Wechselwirkung-Kernkraft bezeichnet. Die elementaren Kräfte, die zur Anziehung zwischen den Nukleonen führen, sind sehr kompliziert und bis heute nur näherungsweise beschrieben. Ihre Aufklärung ist unter anderem Gegenstand der Kernphysik.

Kernmodelle

Im Vergleich zur Atomphysik mit dem quantenmechanischen Atommodell, wo lediglich die elektromagnetische Wechselwirkung eine Rolle spielt, existiert in der Kernphysik kein Modell zur umfassenden Beschreibung aller Vorgänge im Atomkern. So gibt es verschiedene Modelle für unterschiedliche Fragestellungen. Ähnlich dem Schalenmodell in der Atomphysik gibt es auch in der Kernphysik ein Schalenmodell, das es erlaubt, die Energiezustände eines einzelnen Nukleons trotz fehlendem Zentralpotenzial in einem mittleren Potenzial zu berechnen. Die meisten angeregten Zustände eines Atomkerns können jedoch nur durch die kollektive Anregung mehrerer Nukleonen erklärt werden. Für die Beschreibung solcher Zustände kann man das kollektive Modell heranziehen. Die Eigenschaften von großen Atomkernen werden durch ein vibrierendes Tröpfchenmodell beschrieben.
- Das Tröpfchenmodell (Niels Bohr 1936) beschreibt den Atomkern als Tröpfchen einer geladenen Flüssigkeit. Mit diesem klassischen Modell kann etwa die Kernspaltung gut erklärt werden (Bohr und John Archibald Wheeler 1939).
- Das Schalenmodell (Eugene Paul Wigner, Maria Goeppert-Mayer, J. Hans D. Jensen 1949) führt den Aufbau der Atomkerne auf quantenmechanische Gesetzmäßigkeiten (Pauli-Prinzip) zurück. Die Wechselwirkung zwischen den Kernbausteinen, den Nukleonen (Protonen, Neutronen) wird dabei mit berücksichtigt. Das Schalenmodell kann die Stabilität mancher Kerne erklären. Neben diesen beiden gängigen Modellen gibt es weitere (das folgende orientiert sich stark an Flügge 1957):
- das Fermi Gas Modell (auch uniformes Modell). In diesem Modell werden die Nukleonen trotz der starken Wechselwirkungen als frei beweglich postuliert. Der Nukleus hat in diesem Modell unendliche Ausdehnung, womit die Wellenfunktionen der einzelnen Nukleonen flache Wellen sind;
- das optische Modell (auch complex potenzial well model oder cloudy crystal ball model) erlaubt die quantenmechanische Betrachtung von Kernreaktionen, indem der Nukleus als lichtbrechendes Medium vorgestellt wird;
- das alpha-Teilchen-Modell. Alpha Teilchen sind stabile Untereinheiten innerhalb des Kerns;
- das vereinte Modell (mit dem kollektiven Modell als Spielart).
- das potenzial well model;
- das compound nucleus model; Modelle des Atomkerns fallen in zwei Kategorien:
- starke Wechselwirkungsmodelle: der Atomkern wird als Ansammlung von eng gepaarten Nukleonen verstanden (Tröpfchenmodell, alpha-Teilchen Modell und partiell auch das optische Modell, compound well model);
- unabhängige Teilchenmodelle: die Nukelonen bewegen sich relativ frei im Kern (Fermi Gas Modell, optisches Modell, Schalenmodell, potenzial well model). Zwischen den einzelnen Modellen lassen sich folgende Beziehungen aufstellen: # Das Schalenmodell ist eine Verfeinerung des Fermi Gas Modells; # Das Fermi Gas Modell und das Tröpfchenmodell basieren auf diametral entgegengesetzten Annahmen, erklären jedoch beide nukleare Eigenschaften wie die Bindungsenergien; # Das optische Modell ist ein Hybrid zwischen potenzial well und compound nucleus model; # Schalenmodell und vereintes Modell sind äquivalent. Jedes der genannten Modelle ist nur für einen bestimmten nuklearen Phänomenbereich anwendbar. Es gibt keine konsistente Theorie, die alle nuklearen Phänomene umfasst.

Literatur

- T. Mayer-Kuckuck, Kernphysik, Verlag: B.G. Teubner Stuttgart, 1994, 6. durchgesehene Auflage, ISBN 3-519-03223-6
- B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, Teilchen und Kerne, Springer-Verlag Heidelberg, 1994, 2. neu bearbeitete und erweiterete Auflage, ISBN 3-540-58172-3
- S. Flügge (Hersg.), Handbuch der Physik, Band XXXIX: Bau der Atomkerne, Göttingen: Springer-Verlag, 1957.

Siehe auch

- Atommodell
- Atom
- Atomphysik

Videos

- Real Video: [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&f=010318.rm&g2=1 Was ist ein Atomkern?] (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)

Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/grundwissen/11kernmodelle/kernmodelle.htm animierte Seite der LMU München zu Kernmodellen (Potenzialtopf~, Tröpfchen~) ]
- [http://atom.kaeri.re.kr/ton/index.html umfangreiche Nuklidkarte] Kategorie:Kernphysik Kategorie:Atomphysik ja:原子核 ko:원자핵

Atom

en umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen.]] Das Atom (von griechisch άτομος, átomos - unteilbar, [unteilbare] Person) ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte wurden unterschiedliche Atommodelle vorgeschlagen. Atome sind elektrisch neutral, jedoch werden oft auch Ionen unter dem Begriff Atom gefasst. Atome bestehen aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen und einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen. Atome gleicher Anzahl der Protonen, der Kernladungszahl, gehören zu demselben Element. Bei neutralen Atomen ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich. Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar. Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus Atomen oder Ionen. Kosmologisch betrachtet stellt diese Materieform jedoch nur einen gewissen Anteil neben Plasma, aus dem die Sterne bestehen, der Neutronenmaterie von Neutronensternen und evtl. einer noch hypothetischen Dunklen Materie bislang unbekannter Natur.

Aufbau

Dunklen Materie Ein Atom besteht aus einer Hülle und einem im Vergleich zu seinem Gesamtvolumen winzigen Kern. Die Atomhülle (Elektronenhülle) hat mit einem Radius von etwa 10^-10 m einen ungefähr zehntausendfach größeren Radius als der Atomkern (r = 10^-14 m). Zur Veranschaulichung: würde man ein Atom auf die Größe einer Kathedrale aufblähen, so entspräche der Kern der Größe einer Fliege (allerdings wäre eine solche Fliege vieltausendfach schwerer als die Kathedrale selbst). Der Atomkern nimmt nur etwa ein Billiardstel des Gesamtvolumens eines Atoms ein. Der Atomkern besteht aus den sogenannten Nukleonen, Protonen und – außer beim Wasserstoff-Isotop ₁¹H – aus Neutronen. Die Atomhülle besteht aus Elektronen. Im Atomkern konzentriert sich fast die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen tragen eine negative elektrische Ladung und die Protonen eine positive, wodurch sie sich gegenseitig anziehen. Die Neutronen sind elektrisch neutral und haben eine geringfügig größere Masse als die Protonen.

Kenndaten

Atome sind in erster Näherung kugelförmig und haben eine Größe von 0,1 bis 0,5 nm, also 0,0000000001 m bis 0,0000000005 m. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts ab und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Protonenzahl (und damit der Ordnungszahl) und dem Atomradius. Ihre Masse beträgt abhängig von der Massenzahl zwischen 10^-24 und 10^-22 g. Siehe auch: Mol, Periodensystem Siehe auch: Atommodell

Kategorisierung und Ordnung

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist die Kernladungszahl oder auch Ordnungszahl (Stellung des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente), die Summe der Protonen und Neutronen die Massenzahl. Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen werden dem gleichen chemischen Element zugeordnet. Atome mit der gleichen Protonenzahl aber unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotope, sie gehören dem gleichen chemischen Element an. Bei den meisten chemischen Reaktionen spielt die Anzahl der Neutronen keine Rolle. Wichtig ist die Anzahl der Neutronen im Bereich der Strahlungslehre. In der Kernphysik unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da diese eine unterschiedliche Radioaktivität aufweisen. Meist sind nur ein oder zwei Isotope eines Elements stabil, die anderen zerfallen radioaktiv. Von einigen Elementen gibt es auch überhaupt kein stabiles Isotop. Atom(kern)e mit untereinander gleicher Zahl an Protonen bzw. Neutronen bezeichnet man als Nuklide. Das kleinste Atom ist das Wasserstoffatom mit nur einem Proton im Atomkern. Eines der schwersten Atome ist das Uran-Atom mit 92 Protonen im Atomkern (siehe Periodensystem). Das schwerste Atom, dessen Herstellung in entsprechenden Experimenten bisher gelungen ist, ist das Ununoctium-Atom mit 118 Protonen im Atomkern (Stand Aug.2004). Es ist jedoch extrem kurzlebig.

Allgemeines

Die Chemie beschäftigt sich mit den Atomen und ihren Verbindungen, den Molekülen. Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus. Die Physik beschäftigt sich unter anderem mit dem Aufbau der Atomhülle (Atomphysik), dem Aufbau der Atomkerne aus Elementarteilchen (Kernphysik) und weiter mit den Eigenschaften der Elementarteilchen (Elementarteilchenphysik).

Geschichte

Siehe auch: Atomismus und Atommodell Die Geschichte der Idee des Atoms beginnt im antiken Griechenland um 400 vor Christus.
- um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell ::Demokrit, ein altgriechischer Gelehrter, äußerte als erster die Vermutung, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen - (griechisch a-tomos = unteilbar) Atomen - bestände. Daneben gäbe es nur leeren Raum. Alle Eigenschaften der Stoffe ließen sich, nach Meinung Demokrits, auf die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären. Diese Idee wurde von den Zeitgenossen Demokrits abgelehnt, da man damals die Welt als etwas Göttliches ansah. Demokrits philosophischer Kontrahent war vor allem Empedokles, der die Lehre von den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete. Demokrits Vorschlag blieb fast 2 Jahrtausende unbeachtet.
- um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden ::Auch wenn die Alchemisten in ihren Versuchen, aus niederen Stoffen (wie etwa Blei) Gold herzustellen, scheiterten, leisteten sie Vorarbeit für die spätere experimentelle Physik und Chemie.
- 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente ::Der englische Chemiker John Dalton griff als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schließt Dalton darauf, dass immer eine bestimmte Anzahl von Atomen miteinander reagiert.
- 1896 entdeckt Henri Becquerel die Radioaktivität, und stellt fest, dass sich Atome umwandeln können.
- 1897 - Joseph John Thomson - Entdeckung des Elektrons ::Bei einem Versuch mit Strom stellte der britische Physiker Thomson fest, dass Strahlen in Vakuumröhren aus kleinen Teilchen bestehen. Damit war ein erster Bestandteil der Atome gefunden, obwohl man von der Existenz der Atome immer noch nicht überzeugt war. Eine Besonderheit war die Entdeckung vor allem deshalb, weil man dachte, Strom wäre eine Flüssigkeit.
- 1898 - Marie und Pierre Curie - Radioaktivität ::Immer mehr Forscher beschäftigten sich mit den kleinsten Teilchen. Die Curies untersuchten unter anderem Uran, das sie aus Pechblende gewannen. Die Uran-Atome zerfallen unter Abgabe von Wärme und Strahlen, die man als Radioaktivität (von radius = Strahl) bezeichnet. Marie Curie erkannte, dass sich Elemente bei diesem Zerfall verwandeln. (Die Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt.)
- 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie ::Boltzmann war ein theoretischer Physiker, der die Ideen von Demokrit umsetzte. Er berechnete aus der Idee der Atom-Existenz einige Eigenschaften von Gasen und Kristallen. Da er allerdings keinen experimentelle Beweis lieferte, waren damals seine Ideen umstritten.
- 1900 - Max Planck - Quanten ::Der Berliner Physiker Planck untersuchte die Schwarzkörperstrahlung. Bei der theoretischen, thermodynamischen Begründung seiner Formel führte er die sog. Quanten ein und wurde somit zum Begründer der Quantenphysik.
- 1905 - Albert Einstein - Erklärung der Brownschen Bewegung ::In der dritten Arbeit des „annus mirabilis“ erklärte der Physiker Albert Einstein die Brownsche Bewegung mit Hilfe der Atomhypothese. Damit wurde zum ersten Mal ein beobachtbares physikalisches Phänomen direkt aus Boltzmanns Theorie hergeleitet.
- 1906 - Ernest Rutherford - Experimente ::Der Physiker Ernest Rutherford ging im Gegensatz zu Boltzmann und Planck experimentell auf die Suche nach den Atomen. 1906 entdeckte er mit dem rutherfordschen Experiment, dass Atome nicht massiv sind, ja sogar im Grunde fast gar keine Substanz besitzen. (Damit ist das Wort "Atom" für das, was es bezeichnet, im Grunde falsch. Es wurde aber beibehalten.) Aus dem Experiment leitete Rutherford bis 1911 die genaue Größe eines Atoms, also der Atomhülle und der Größe des Atomkerns ab. Ferner konnte er ermitteln, dass der Atomkern die positive Ladung, die Atomhülle eine entsprechende negative Ladung trägt. So entdeckte er das Proton.
- 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell ::Aus dem rutherfordschem Atommodell entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr ein planetenartiges Atommodell. Danach bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern, wie Planeten die Sonne umkreisen. Die Bahnen werden auch als Schalen bezeichnet. Das besondere daran war, dass die Abstände der Elektronen-Bahnen streng-mathematischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Die Bahnen besitzen verschiedene Radien, und jede Bahn besitzt eine maximale Kapazität für Elektronen. Atome streben Bohr zufolge an, dass alle Bahnen komplett besetzt sind. Damit haben sich sowohl viele chemische Reaktionen erklären lassen als auch die Spektrallinien des Wasserstoffs. Da sich das Modell für komplexere Atome als unzureichend erwies, wurde es 1916 von Bohr und dem deutschen Physiker Arnold Sommerfeld insofern verbessert, als man nun für bestimmte Elektronen exzentrische, elliptische Bahnen annahm. Das bohr-sommerfeldsche Atommodell erklärt viele chemische und physikalische Eigenschaften von Atomen.
- 1929 - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und andere - Das Orbitalmodell ::Aufbauend auf Schrödingers Wellenmechanik und Heisenbergs Matrizenmechanik wurde ein weiteres, bis heute modernes Atommodell entwickelt, das weitere Unklarheiten beseitigen konnte.
- 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron ::Um Informationen über den Aufbau der Atomkerne zu bekommen, wurden die Kerne mit Strahlen beschossen. Um nicht auf die schwache natürliche Strahlung angewiesen zu sein, entwickelte Lawrence das Zyklotron. Geladene Teilchen wurden auf kreisförmigen Bahnen beschleunigt.
- 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie ::Der theoretische Physiker Paul Dirac fand eine Formel, mit der sich die Beobachtungen der Atomphysik beschreiben lassen. Allerdings setzte diese Formel die Existenz von Anti-Teilchen voraus. Diese Idee stieß auf heftige Kritik, bis der amerikanische Physiker Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron nachweisen konnte. Dieses Anti-Teilchen zum Elektron hat eine positiver Ladung aber die gleiche Masse wie ein Elektron. Treffen ein Teilchen und sein Anti-Teilchen zusammen, zerstrahlen sie sofort als Energie gemäß der Formel E = m
- c². 1932 wurde dann noch das Neutron von dem englischen Physiker James Chadwick entdeckt.
- 1933 - Irène und Frédéric Joliot-Curie - Materie aus dem Nichts ::Eher zufällig beobachten die Eheleute Curie, dass sich nicht nur Masse in Energie umwandeln lässt. In einem Experiment verwandelte sich ein Lichtstrahl in ein Elektron und ein Positron (vgl. Paarbildung).
- 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung ::Der deutsche Chemiker Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte weiter die Atomkerne. Dazu beschoß er Uran-Atome mit Neutronen und erhielt Cäsium und Rubidium oder Strontium und Xenon. Was eigentlich passierte, konnte er nicht erklären. Dies gelang jedoch seiner Mitarbeiterin Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach Schweden geflohen war. Sie stellte fest, dass die Summe der Kernteilchen (Protonen und Neutronen) bei den Produkten der des Urans entspricht. Hahn erhielt dafür den Nobelpreis, erwähnte seine Mitarbeiterin aber mit keinem Wort.
- 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne ::Neben zahlreichen Beiträgen zum Aufbau der Atome erforschte der in Straßburg geborene Bethe die Energieproduktion in Sternen. Er stellte fest, dass in unserer Sonne zwei Wasserstoff-Atomkerne miteinander verschmelzen, während in größeren und helleren Sternen Kohlenstoff-Kerne in die schwereren Stickstoff-Kerne verwandelt werden. Bethe arbeitete auch in Los Alamos mit, wurde aber nach dem Krieg ein engagierter Gegner von Massenvernichtungswaffen.
- 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor ::Der italienische Physiker Fermi erkannte die Möglichkeit, die Kernspaltung für eine Kettenreaktion zu nutzen. Die bei der Spaltung von Uran freiwerdenden Neutronen, konnten für die Spaltung weiterer Kerne verwendet werden. Damit legte Fermi die Grundlagen sowohl für die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Atombomben, als auch friedliche Nutzung in Kernreaktoren. Fermi baute den ersten funktionierenden Kernreaktor.
- 1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung für die Nazis ::Die Nazis beauftragten den Physiker Heisenberg, eine Atombombe zu entwickeln. Durch einen Rechenfehler misslang ihm dies aber. Bei der Berechnung der kritischen Masse verrechnete er sich um den Faktor 1000.
- 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombombe bauen ::Eigentlich hat Einstein selber nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Er unterstützte aber einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Roosevelt, dass die Atombombe unbedingt vor den Nazis entwickelt werden solle. Auch der ungarische Universalgelehrte Szilard erkannte die Gefahr, die von einer deutschen Atombombe ausging. Er lieferte zwar wichtige Ideen für den Bau der Atombombe, war aber an deren Entwicklung in Los Alamos nicht beteiligt. Auch später warnte Szilard noch vor dem Gebrauch der Atombombe.
- 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe ::Oppenheimer war der Organisator, der in Los Alamos die besten Physiker und Ingenieure versammelte. So gelang es innerhalb kürzester Zeit der Bau einer Atombombe, das Manhattan-Projekt. Nach dem Einsatz der Atombombe in Hiroshima wurde Oppenheimer zum Gegner von Atombomben.
- 1951 - Erwin Müler – das Feldionenmikroskop ::Müller gelingt mit der Konstruktion eines Feldionenmikroskopes erstmals die direkte Abbildung von Atomen auf einer Wolfram-Spitze.
- 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe ::Der ungarische Physiker Teller war Mitarbeiter von Oppenheimer. Allerdings hatte er eine weitergehende Idee. Er wollte eine Bombe auf der Basis der Kernfusion bauen, die Bethe in der Sonne nachgewiesen hat. Aus Angst vor dem Kommunismus wurde Teller zu einem Rüstungsfanatiker und entwickelte die Wasserstoffbombe.
- 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer ::Nach dem Ende des zweiten Weltkrieges konzentrierte sich die Forschung auf den Aufbau der Elementarteilchen. Mit der Entwicklung der Blasenkammer hatte man nun eine Möglichkeit, die kleinsten Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern entstanden, zu "sehen".
- 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks ::Mit Hilfe der Blasenkammer konnte auf einmal eine riesige Anzahl an bisher unsichtbaren Teilchen sichtbar gemacht werden, die Widersprüche zu der bisherigen Physik darstellte. Um dies zu erklären, postulierte der Physiker Gell-Mann Grundbausteine, aus denen die Kernbausteine aufgebaut sein sollen. Mittlerweile gibt es sehr viele Indizien für die Existenz der Quarks, auch wenn sie einzeln nicht zu beobachten sind.
- 1978 - Der Fusionreaktor ::Um die riesigen Mengen an Energie zu nutzen, die bei einer Kernverschmelzung (Kernfusion) frei werden, versuchte man, die Fusionsenergie gezielt zu nutzen. Die Kernverschmelzung (Kernfusion) gelang erstmals mit Teilchenbeschleunigern. Derzeit laufen Versuche, Kernfusionsreaktoren herzustellen, bislang konnte aber nur für sehr kurze Zeit mehr Energie gewonnen werden, als in den Prozess hineingesteckt wurde
- 1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wiemann - Das Bose-Einstein-Kondensat ::In einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen wird erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat hergestellt, ein bereits von Einstein vorhergesagter Zustand der Materie.
- 2000 - CERN - Das Higgs-Boson ::Das Kernforschunngszentrum CERN in Genf forscht in ihrem Beschleuniger nach dem Higgs-Boson, das als Erlöser-Teilchen bezeichnet wird und dessen Existenz die bestehenden Theorien zur Elementarteilchenphysik bestätigen soll. Bisher gibt es keine eindeutigen experimentellen Belege für die Existenz des Higgs-Bosons.
- 2002 - Brookhaven - seltsame Materie ::Im Schwerionenbeschleunigerring RHIC im amerikanischen Brookhaven prallen Goldionen hoher Energie aufeinander. Dabei sollen sie für extrem kurze Zeit und in einem sehr kleinen Raumbereich ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dies ist ein Zustand der Materie, der heute in der Natur nicht mehr vorkommt, aber vermutlich unmittelbar nach dem Urknall existierte.

Zitate

- Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum. – Demokrit (5. Jh. v. Chr.)
- Richard Feynman hat einmal gesagt, müsste er das wichtigste Ergebnis der modernen Naturwissenschaft in einem Satz zum Ausdruck bringen, entschiede er sich für: "Die Welt besteht aus Atomen." – Brian Greene (Der Stoff, aus dem der Kosmos ist, ISBN 388680738X, S. 255)

Literatur

- Bernhard Bröcker u.a.: dtv Atlas Atomphysik: Tafeln und Texte. 6. Aufl. 1997. ISBN 3-423-03009-7.

Siehe auch

- Atomabsorption
- Atombombe
- Atomkraft
- Atomwaffe
- Atomgewicht
- Elementarteilchen
- Heisenbergsche Unschärferelation
- Kernmodell
- Kernreaktionen
- Liste von Mineralen
- Molekül
- Nebelkammer
- Quantenmechanik
- Quantenphysik
- Strahlenschutz
- Superatome
- Teilchenbeschleuniger
- Teilchendetektor
- Teilchenquelle
- Wechselwirkung

Weblinks

Animationen

- Animationen der Atome aller Elemente: http://www.physik.rwth-aachen.de/~harm/aixphysik/atom/Periodic/index.html
- Animation eines Heliumatoms: http://www.purchon.com/chemistry/helium.htm

Sonstiges

- [http://www.pm-magazin.de/de/wissensnews/wn_id878.htm "Kraftmikroskopie zeigt einzelne Atome"] von Peter Rösch (P.M.)
- [http://www.chemieseite.de/allgemein/node4.php Übersicht über die verschiedenen Atommodelle] Kategorie:Atomphysik ja:原子 ko:원자 ms:Atom simple:Atom th:อะตอม

Kernspaltung

Die Kernspaltung bezeichnet in der Kernphysik einen Prozess, bei dem ein Atomkern in zwei oder mehrere Bestandteile zerlegt wird. Seltener wird die Kernspaltung auch als Kernfission (lat. fissio, »das Spalten«) bezeichnet, ein Begriff, der nicht mit Kernfusion, dem Verschmelzen zweier Atomkerne, verwechselt werden darf. Einige Atomkernarten zerfallen spontan, andere nur unter Einwirkung äußerer Kräfte. Typische Methoden zur Induzierung einer Spaltung sind der Beschuss eines Atomkerns mit anderen Elementarteilchen oder Neutronen; der Spaltungserfolg hängt von der geeignet gewählten Energie des Projektils ab. Bei einer Kernspaltung werden enorme Energiemengen in Form von Wärme und Gammastrahlung freigesetzt. Es entstehen dabei neue leichtere Kerne (Spaltprodukte). Das Verblüffende dabei ist, dass die Masse des ursprünglichen Atomkernes größer als die Summe der Massen der Spaltprodukte ist. Die scheinbar fehlende Masse ist nicht verloren, sondern erscheint in veränderter Form, als freigesetzte Energie. Sie lässt sich mit der Einstein'schen Formel E=mc² berechnen. Die Spaltprodukte selbst sind oft radioaktiv, und setzen bei ihrem Zerfall weiter Energie frei. Isotope der Elemente Uran, Plutonium und Thorium lassen sich durch Neutronen geeigneter Energie besonders leicht spalten. In Kernreaktoren werden Kernspaltungen dieser Elemente kontrolliert durchgeführt, um Wärme und daraus Elektrizität zu erzeugen. In einer Atombombe setzen Kernspaltungen von Uran oder Plutonium in kurzer Zeit viel Energie, Radioaktivität und radioaktive Zerfallsprodukte frei.

Bau des Atomkerns

Atomkerne bestehen aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Die sogenannte Kernladungszahl entspricht der Anzahl der Protonen im Atomkern. Die Summe aus Protonenzahl und Neutronenzahl (die Masse der Elektronen kann vernachlässigt werden, da sie nur einen Bruchteil der gesamten Masse ausmacht) ergibt die sogenannte Massenzahl, und korrespondiert mit der Kernmasse. Je nach Anzahl der Protonen und Neutronen entsteht aus der Kombination dieser Kräfte ein stabiler oder ein instabiler Atomkern. Allgemein kann man sagen, dass eine stabile Konfiguration gegeben ist, wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen etwa gleich ist. Allerdings wird bei Atomkernen mit hoher Kernmasse (>100) ein Übergewicht an Neutronen notwendig. Oberhalb einer Kernladungszahl von 90 finden sich überhaupt keine stabilen Atomkerne mehr; die Atomkerne zerfallen in der Regel durch radioaktiven Zerfall. Die Kernspaltung kann auftreten, wenn die Bindungsenergie des Atomkerns kleiner ist als die der entstehenden Bestandteile, bei denen es sich auch wieder um Atomkerne handelt. Dabei ist die Reibungsenergie nicht zu vernachlässigen. Die Bindungsenergien lassen sich durch Vergleich der Massen der beteiligten Atomkerne berechnen.

Spontane Spaltung

Ein instabiler Atomkern befindet sich in einem lokalen Energieminimum (das aber noch höher ist, als die Ruhe-Gesamtenergie aller Bruchstücke) bevor er mittels des quantenmechanischen Tunneleffekts spontan zerfällt. Jeder Zerfall für sich ist zufällig, aber für eine große Zahl an Atomkernen kann die Häufigkeit des Zerfalls durch die Halbwertzeit (d.h. die Zeit in der die Hälfte der Atome zerfallen) charakterisiert werden. Die Kerne ein und desselben Nuklid spalten sich dabei auf vielfältiger Weise. Hier sind vier Beispiele von Plutonium 239 : Alternativ kann der Atomkern durch eine Aktivierungsenergie in einen Zustand höherer Energie angehoben werden, um schneller zu zerfallen.

Induzierte Kernspaltung

Halbwertzeit Einige der Isotope von Uran (U), Plutonium (Pu) und Thorium (Th) haben eine relativ niedrige Aktivierungsenergie, so dass neben dem typischen radioaktiven Zerfall (Alpha-, Betazerfall und Elektroneneinfang) auch in geringer Häufigkeit ein Kernzerfall auftritt. Der Anteil des Kernzerfalls bei ²³⁵U ist nur 7×10^-9% und bei ²³⁹Pu ist er 3×10^-10%. Bei all diesen Isotopen kann die Aktivierungsenergie durch Beschuss des Atomkerns mit einem Neutron geliefert werden. Die Anwesenheit des Neutrons regt den Kern über die Bindung so stark an, dass der Zerfall schnell stattfindet. Dabei muss die Energie des Neutrons so gewählt sein, dass einmal genügend Anregungsenergie vorhanden ist, andererseits aber das Neutron nicht so schnell ist, dass es vom Kern gar nicht eingefangen werden kann (Siehe auch: Wirkungsquerschnitt). Im Tröpfchenmodell des Atomkerns stellt man sich vor, dass die Anregung durch das Neutron den Atomkern in Schwingungen versetzt, bei denen der Kern lang gestreckt wird, und sich etwa in der Mitte einschnürt. Die elektrische Abstoßung überwiegt gegenüber der Anziehung der kurzreichweitigen Kernkraft, und die Spaltprodukte werden durch die elektrische Abstoßung voneinander weg bewegt. Die vom Neutron gelieferte Bindungsenergie an den Atomkern reicht bei ²³³U, ²³⁵U, ²³⁷Np und ²³⁹Pu aus, um den Kern zu spalten. Isotope wie ²³²Th, ²³⁸U und ²⁴⁰Pu benötigen eine zusätzliche Energie, die als Bewegungsenergie der (schnellen) Neutronen geliefert werden kann. Im Gegensatz zu 'schnellen' spricht man bei erstgenannten 'langsamen' Neutronen auch von thermische Neutronen. Bei der Spaltung eines Thorium-, Uran- oder Plutoniumkerns wird eine Energie von etwa 200 Mega-eV freigesetzt. Der größte Teil davon ist die Bewegungsenergie der Spaltprodukte.

Typische Spaltprodukte

- ⁴He Kerne - auch α-Strahlung genannt.
- Neutronen.
- ⁸⁹Kr, ⁹⁰Sr, ⁹³Zr, ¹³¹I, ¹³²Te, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴⁴Ce und weitere instabile Kerne, bekannt sind insgesamt über 200 verschiedene von ³⁰Zn bis ⁶⁵Tb. Die Spaltprodukte sind in aller Regel selbst radioaktiv.

Technische Aspekte

Kettenreaktion

Bei der Spaltung schwerer Kerne werden zwei bis drei Neutronen freigesetzt (prompte Neutronen), die weitere Kernspaltungen hervorrufen können und so zu einer Kettenreaktion führen. Etwa 1% der Neutronen wird erst durch radioaktiven Zerfall aus den Spaltprodukten freigesetzt (verzögerte Neutronen). Diese verzögerten Neutronen machen die Regelung von Kernkraftwerken möglich. Die Freisetzung von Neutronen bei einer Kernspaltung erlaubt eine kontinuierlich ablaufende Folge von Kernspaltungen. Zur stabilen Aufrechterhaltung einer solchen Kettenreaktion ist es notwendig, dass im Mittel eines der bei einer Kernspaltung freigesetzten Neutronen einen weiteren Atomkern spaltet. Falls mehr als eines der freigesetzten Neutronen eine Kernspaltung bewirkt, nimmt die Anzahl der Reaktionen mit der Zeit exponentiell zu: Eine Explosion findet statt. Falls weniger als eines der freigesetzten Neutronen eine Kernspaltung bewirkt, nimmt die Anzahl der Reaktionen mit der Zeit exponentiell ab: Die Reaktion endet. Technisch ist es notwendig, genau den Mittelpunkt zu finden. Dabei sind folgende Faktoren von Bedeutung:
- Anordnung des Materials,
- Geschwindigkeit der Neutronen, und
- Materialien im Reaktionsbereich. Die Anordnung des spaltbaren Materials im Raum hat Einfluss darauf, ob freigesetzte Neutronen, die sich in alle Raumrichtungen bewegen, überhaupt spaltbares Material treffen. Ein dünn ausgewalztes Blech verliert fast alle Neutronen nach außen, wogegen in einem kompakten Objekt (z. B. einem Würfel) die meisten Neutronen Gelegenheit haben, andere Atomkerne zu treffen. Die kleinste kompakte Masse eines Materials, die eine Kettenreaktion aufrecht erhalten kann, wird als "kritische Masse" bezeichnet. Die Geschwindigkeit der Neutronen hat Einfluss auf die Spaltwahrscheinlichkeit. Dabei besitzt jedes spaltbare Material eine optimale Neutronengeschwindigkeit, unter der eine Kernspaltung auftritt. Die Geschwindigkeit der entstehenden Neutronen kann durch Moderatoren auf eine geringere Geschwindigkeit gebracht werden. Neben Moderatoren, die zur Geschwindigkeitsregulierung der Neutronen im Reaktionsbereich eingebracht werden, gibt es auch neutronenabsorbierende Materialien. Diese verringern die Anzahl der verfügbaren Neutronen, und regulieren somit die Kettenreaktion. Neutronenabsorbierende Materialien werden teils direkt zur Regulierung der Reaktion eingebracht. Daneben sind viele Spaltprodukte, die sich nach einer gewissen Reaktionszeit ansammeln, Neutronenabsorber. Spaltbare Materialien sind spezielle Isotope eines oder mehrerer chemischer Elemente. Die anderen Isotope sind oft nicht zur Kernspaltung geeignet, und stellen oft unerwünschte Neutronenabsorber dar. Durch den Prozess der Anreicherung wird der Anteil spaltbarer Atomkerne erhöht. Ein Neutron kann also entweder
- das spaltbare Material verlassen,
- absorbiert werden, ohne dass eine Spaltung stattfindet, oder
- eine Spaltung bewirken.

Kritische Masse

Die kritische Masse bezeichnet die geringste Menge eines spaltbaren Materials, die notwendig ist, eine Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Allerdings ist die kritische Masse auch abhängig von Parametern wie der Kompression des Materials, so dass im Allgemeinen keine untere Grenze angegeben werden kann. Diese kritische Masse reagiert allerdings nur, wenn sie kompakt zusammen vorliegt. Bei der Bearbeitung spaltbaren Materials ist es daher eine Voraussetzung, nur Mengen, die geringer sind als die kritische Masse, zu einer Zeit handzuhaben. Alternativ werden etwa chemische Reaktionen in flachen Wannen durchgeführt, wo das Material über weite Flächen verteilt ist.

Moderatoren

Die Wahrscheinlichkeit für eine Kernspaltung nimmt in der Regel mit wachsender Neutronenenergie ab. Bei ²³²Th und ²³⁸U ist die Wahrscheinlichkeit für Konkurrenzprozesse wie die inelastische Streuung und Neutroneneinfang so hoch, dass eine Kettenreaktion mit schnellen Neutronen nicht zustande kommen kann. Anders verhält es sich mit ²³³U, ²³⁵U und ²³⁹Pu. Hier ist Kernspaltung mit schnellen Neutronen möglich, was in Atomwaffen und im schnellen Brüter ausgenutzt wird. In gewöhnlichen Reaktoren werden die Neutronen jedoch mit einem Moderator abgebremst. Kernreaktoren arbeiten meistens mit U-235 oder Plutonium, welche vorzugsweise durch langsame (thermische) Neutronen gespalten werden. Bei einer Kernspaltung entstehen aber schnelle Neutronen, welche nur selten eine Spaltung hervorrufen. Daher muss die Geschwindigkeit der Neutronen reduziert werden. Das Abbremsen der Neutronen geschieht mittels elastischen Stoßes mit anderen leichten Atomkernen, die allerdings keine Neutronenabsorption aufweisen dürfen. Von den leichten Elementen sind dadurch Lithium und Bor ausgeschlossen. Theoretisch denkbar sind Wasserstoff, Deuterium, Helium, Beryllium und Kohlenstoff. Technisch genutzt werden Wasserstoff (Leichtwasserreaktor), Deuterium (Schwerwasserreaktor) und Kohlenstoff in Form von Graphit (Brutreaktor, Kugelhaufenreaktor). Gleichzeitig findet jedoch auch eine Absorption (Verschlucken) von Neutronen in Materialien statt, die zur Kernspaltung nicht beitragen, etwa U-238 oder das Reaktorbaumaterial; diese Absorption findet vorzugsweise für mittelschnelle Neutronen statt. Insofern besteht das Aufrechterhalten der Kernreaktion darin, genügend Neutronen abzubremsen, die eine Kernspaltung bewirken.

Anreicherung

Uran, das bevorzugte Spaltmaterial, kommt in der Natur als Gemisch dreier Isotope vor: etwa 0.006% U-234, 0.7% U-235 und 99.3% U-238. Die Eigenschaften dieser Isotope unter Neutronenbeschuss unterscheiden sich grundlegend:
- U-238 absorbiert thermische Neutronen, es entsteht U-239, welches sich durch radioaktiven Zerfall in Plutonium-239 umwandelt.
- U-235 wird bei Absorption eines thermischen Neutrons in der Regel gespalten, kann aber auch durch schnelle Neutronen gespalten werden. Durch Anreicherung des Anteils von U-235 kann eine Isotopmischung erreicht werden, die geeignet zur Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion ist.

Anwendungen

Kernreaktor

Verschiedene Typen von Kernreaktoren, die unterschiedliche Spaltmaterialien, Bauweisen und Moderatoren nutzen, sind entwickelt worden. Die heute auf dem Markt befindlichen Reaktoren unterteilen sich wie folgt: # Thermische Reaktoren ## Leichtwasserreaktoren ### Druckwasserreaktoren ### Siedewasserreaktoren: Die neusten Typen sind inhärent ausgelegt und weisen einen Sicherheitsstandard auf, der bei Anomalien die Kettenreaktion automatisch unterbindet. Die gängigen Leistungsgrößen liegen bei 1000 MW bis 1500 MW. Die Industrie wäre auch in der Lage Anlagen bis 2000 MW zu liefern. Die Leistungsgröße wird aber letztlich von der Versorgungssicherheit des Verbundnetzes vorgegeben. ## Gasgekühlte Graphit-moderierte Reaktoren ## Leichtwassergekühlte Graphit-moderierte Reaktoren ## Schwerwasserreaktoren # Schnelle Brüter

Kernwaffen

Die exponentielle Kernspaltung dient als Energiequelle für "normale" Kernwaffen. Die Energie wird in verschiedenen zerstörenden Formen wie Lichtstrahlung, Hitze usw. freigesetzt. Bei Wasserstoffbomben dient die Kernspaltung als Zünder für eine Kernfusion, dem Verschmelzen von Atomkernen, bei denen zusätzliche Energie freigesetzt wird.

Geschichte

Die induzierte Kernspaltung des Urans wurde 1934 durch Enrico Fermi erstmals experimentell durchgeführt und Vermutungen [Nature 133 (1934), S. 898 - 899: Possible production of element of atomic number higher than 92] bezüglich der Interpretation der Ergebnisse geäußert. Besonders Ida Noddack [Angewandte Chemie 47 (1934), S. 653 - 655: Über das Element 93] vertrat die richtige Vermutung des Zerfallens des neugebildeten Kerns ("Es wäre denkbar, daß bei der Beschießung schwerer Kerne mit Neutronen dies Kerne in mehrere größere Bruchstücke zerfallen, die zwar Isotope bekannter Elemente, aber nicht Nachbarn der bestrahlten Elemente sind."). Allerdings galten diese Vermutungen 1934 noch als unseriös. Die induzierte Kernspaltung des Urans wurde 1938 durch die Deutschen Otto Hahn und Fritz Straßmann am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut erstmals experimentell durchgeführt und durch den chemischen Nachweis eines der Spaltprodukte (radioaktives Barium) nachgewiesen. Lise Meitner klärte im selben Jahr (gemeinsam mit Otto Frisch) den theoretischen Hintergrund des Experiments auf. Seit den Rutherford'schen Streuversuchen (1919) ist bekannt, dass Atomkerne durch den Beschuss mit schnellen Teilchen verändert werden können. Mit der Entdeckung des Neutrons im Jahre 1932 durch James Chadwick ergaben sich vielfältige neue Möglichkeiten der Umwandlung von Atomen. So erwiesen sich die Ergebnisse des Beschusses von Uran mit Neutronen als sehr interessant. Erstmals von Enrico Fermi 1934 untersucht, konnten sie erst Jahre später richtig eingeordnet werden. Am 16. Januar 1939 reiste Niels Bohr in die USA, um einige Monate zusammen mit Albert Einstein physikalische Probleme zu erörtern. Kurz vor seiner Abreise aus Dänemark berichteten ihm Otto Robert Frisch und Lise Meitner von ihrer Vermutung, dass die Absorption eines Neutrons durch einen Urankern manchmal zu dessen Zerfall in zwei annähernd gleichgroße Teile unter Freisetzung von Energie führt. Der Grund für diese These war eine sensationelle Entdeckung von Otto Hahn und Fritz Straßmann. Sie beobachteten, dass beim Beschuss von Uran mit langsamen Neutronen der o.g. Zerfall des Urans eintritt, bei dem u.a. ein zu dieser Zeit noch nicht bekanntes radioaktives Barium entsteht, ein Isotop des natürlichen Bariums. Bohr berichtete nach seiner Ankunft in den USA seinem früheren Schüler John Archibald Wheeler sowie anderen Interessierten. Durch sie verbreitete sich die Neuigkeit unter anderen Physikern, unter ihnen auch Enrico Fermi von der Columbia Universität. Als ein Ergebnis der Diskussion des Themas zwischen Fermi, J. R. Dunning und G. B. Pegram kam es zu einer Untersuchung der vermuteten Ionisierungsimpulse, die von den auseinander fliegenden Urankernfragmenten erwartet wurden. Die Untersuchung fand an der Columbia-Universität statt. Kategorie:Kernphysik ja:核分裂反応 ko:핵분열 th:ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิซชัน

Kernkraftwerk

Ein Kernkraftwerk (KKW) oder Atomkraftwerk (AKW) ist ein Elektrizitätswerk zur Gewinnung von elektrischer Energie durch Kernspaltung in Kernreaktoren. Die Erzeugung elektrischer Energie geschieht indirekt: Die Wärme, die bei der Kernspaltung entsteht, wird auf ein Kühlmedium übertragen, wodurch dieses erwärmt wird. Im Normalfall besteht das Kühlmittel aus Wasser; bei der Erwärmung wird Wasserdampf erzeugt, der dann eine Dampfturbine antreibt. In einigen Fällen besteht ein Kernkraftwerk aus mehreren Blöcken, die für sich völlig unabhängig voneinander elektrischen Strom erzeugen. elektrischen Strom

Einleitung und Wortherkunft

Physikalische Grundlage für den Betrieb eines Kernkraftwerkes ist die thermische Energie, die bei der Spaltung von Atomkernen aufgrund eines Massendefektes nach der von Einstein formulierten Beziehung E = m c² entsteht. Für die bei Kernreaktionen, insbesondere der Radioaktivität, freiwerdende Energie wurde 1899 der Begriff Atomenergie von Hans Geitel geprägt, damals fehlten allerdings die Kenntnisse über den Aufbau von Atomen. Aufgrund dieser Erkenntnisse, insbesondere das Wissen über die Existenz des Atomkerns, ist der heutige naturwissenschaftliche Fachbegriff Kernenergie. Daraus abgeleitet entstanden die synonymen Begriffe Kernkraftwerk (KKW) und Atomkraftwerk (AKW). Der Begriff Atomkraftwerk wurde 1960 für das Versuchsatomkraftwerk Kahl benutzt. 1966 wurde (analog beispielsweise zur englischen Bezeichnung Nuclear Power Plant – NPP) für die Kraftwerke Rheinsberg und Gundremmingen A die Bezeichnung Kernkraftwerk verwendet.

Reaktortypen und Funktionsweise

In Kernkraftwerken werden unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt die sich im Wesentlichen durch die verwendeten Kernbrennstoffe, Kühlkreisläufe und Moderatoren unterscheiden. Die wichtigsten sind:
- Leichtwasserreaktor (LWR): Als Reaktorkühlmittel wird hier leichtes Wasser verwendet, welches das in der Natur am häufigsten vorkommende Wasser ist, gebildet mit dem leichten Wasserstoff-Isotop ¹H. Das leichte Wasser dient gleichzeitig als Moderator. Als Brennstoff geeignet ist angereichertes Uran mit einem U-235-Massenanteil zwischen etwa 1,5 und 6 Prozent. Der LWR wird ausgeführt als
- Druckwasserreaktor (DWR):Druckwasserreaktor Das Reaktorkühlmittel transportiert die Kernspaltungswärme in einem geschlossenen Kreislauf, dem Primärkreislauf, zu mehreren Dampferzeugern, mit denen in einem sekundären Kreislauf der Dampf zum Antrieb der Turbinen erzeugt wird. Dieser Sekundärkreislauf ist nicht mehr Teil des Kontrollbereichs. Zum Typ der Druckwasserreaktoren gehört auch der European Pressurized Water Reactor (EPR).
- Siedewasserreaktor (SWR): Das Reaktorkühlmittel wird im Reaktordruckbehälter verdampft und direkt den Turbinen zugeführt. Der gesamte Wasser-Dampfkreislauf ist damit Teil des Kontrollbereichs. Im störungsfreien Betrieb verlässt das Reaktorkühlmittel das Containment, eine druckdichte Stahlkugel, des DWR nicht, im SWR dagegen gelangt es bis in die Turbinen und Kondensatoren des Wasser-Dampfkreislaufs.
- Schwerwasserreaktor (HWR): Schweres Wasser (D₂O) als Reaktorkühlmittel wird mit schwerem Wasserstoff, dem Deuterium, gebildet, das Neutronen schlechter absorbiert. Deshalb kann als Brennstoff Natur-Uran mit einem Massenanteil an U-235 von etwa 0,7 Prozent verwendet werden.
- RBMK: Der RBMK ist ein Reaktor sowjetischer Bauart, der Graphit als Moderator und Wasser als Kühlmittel verwendet, daher kann zum Betrieb Uran mit der natürlichen Isotopenverteilung verwendet werden. Die Bauart macht den Betrieb dieser Reaktoren sehr unsicher, deswegen werden sie nach der Katastrophe von Tschernobyl nicht mehr gebaut. Allerdings sind auf dem Gebiet der ehemaligen Sowjetunion noch einige Reaktoren dieser Bauart mit einigen technischen Verbesserungen weiterhin in Betrieb.
- Flüssigmetall gekühlter Brutreaktor (Schneller Brüter): Der Brutreaktor erzeugt während des Betriebs spaltbares Plutonium aus dem Uran und ermöglicht dadurch eine um 60 Prozent höhere Brennstoffausnutzung. Flüssiges Metall (z.B. Natrium), das Neutronen nicht abbremst ("moderiert"), wird als Reaktorkühlmittel eingesetzt und erzeugt über einen Wärmetauscher den Dampf für die Turbinen.
- Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR): Thorium-232, aus dem durch Neutroneneinfang der Kernbrennstoff Uran-233 entsteht, ist in tennisballgroßen Graphitkugeln eingebettet (daher auch Kugelhaufenreaktor), die von Helium als Reaktorkühlmittel gekühlt werden (anfangs muss dennoch etwas Uran-233 oder ein anderer Kernbrennstoff vorhanden sein, damit die Reaktion beginnen kann). Das Helium wird dabei auf ca. 1000 °C erhitzt und erzeugt über einen Wärmetauscher den Dampf für die Turbine, oder wird direkt auf eine Gasturbine geleitet. Im experimentellen Stadium befinden sich derzeit Kernkraftwerke, die Kernfusion als Wärmequelle verwenden. Diese Kraftwerke werden meist als Fusionskraftwerke bezeichnet. Der wichtigste Bestandteil eines Kernkraftwerks ist der Kernreaktor. In ihm finden die Spaltungsprozesse statt. Viele Kernkraftwerke werden mit mehreren Kernreaktoren gebaut. In einem solchen Fall spricht man von mehreren Reaktorblöcken. In den Kraftwerken wird bei der Spaltung schwerer Atomkerne die Bindungsenergie der Atomkerne in thermische Energie umgewandelt (der so genannte Massendefekt).Massendefekt In Siedewasserreaktoren bringt diese thermische Energie direkt Wasser zum Sieden und erzeugt somit Wasserdampf. In Druckwasserreaktoren erhitzt die Spaltung dagegen unter starkem Druck stehendes Wasser. Dieses Wasser wird im Primärkreislauf durch einen Wärmetauscher, den sog. Dampferzeuger, geleitet und bringt dort Wasser im Sekundärkreislauf zum Sieden. Durch dieses Vorgehen wird erreicht, dass die für die Stromerzeugung nötigen Anlagen (z.B. die Turbinen) nicht radioaktiv kontaminiert werden. Mit dem Dampf werden schließlich Wärmekraftmaschinen gespeist, die Generatoren zur Erzeugung des elektrischen Stroms antreiben. Ein Reaktor kann über seinen Neutronenfluss geregelt, angefahren und abgeschaltet werden, indem man Neutronen absorbierende Stoffe wie etwa Cadmium, Gadolinium oder Bor in den Reaktorkern bzw. neutronenverlangsamende (sogenannte Moderatoren) Stoffe wie Graphit, Wasser, oder Schwerwasser zugibt oder entfernt. Graphit Dies geschieht z. B. kurzfristig mit Hilfe der Steuerstäbe und bei Druckwasserreaktoren längerfristig durch Zugabe bzw. Entzug von Borsäure im Reaktorkühlkreislauf. In der Praxis wird die vom Generator zu erzeugende elektrische Leistung am Turbinenregler vorgegeben und die thermische Leistung des Reaktors automatisch nachgeführt. Als Kernbrennstoff wird in den meisten heute betriebenen Kernkraftwerken Uran eingesetzt. Es gibt weltweit viele Kraftwerke mit einer Nutzungslizenz für MOX-Brennelemente, so auch in Deutschland. Mischoxid (MOX) ist ein Gemisch aus Uranoxid und Plutoniumoxid. Plutonium hat als Brennstoff eine höhere Energieausbeute, ist also effizienter als Uran. Die Verwendung von höher angereichertem Plutonium ist allerdings sowohl aufgrund der Waffenfähigkeit des Brennstoffes als auch wegen der höheren Komplexität der Sicherheitssysteme eines Brutreaktors, der mit Plutonium betrieben wird, umstritten.

Reaktorregelung

Regelung der Leistung eines Kernkraftwerks. Je nach Reaktortyp gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Leistung zu regulieren. Hierzu zählen zum Beispiel das schrittweise Einfahren der Steuerstäbe und die Regulierung der Borkonzentration im Primärkreislauf. Die Regelung erfolgt heute nur noch automatisch. Es werden verschiedene Werte gemessen (Druck, Temperatur, Neutronenfluss, usw.), und an Hand derer wird der Reaktor geregelt.

Geschichte

Das erste Kernkraftwerk der Welt wurde 1954 in Obninsk bei Moskau erfolgreich in Betrieb genommen (elektrische Leistung 5 MW). Fast zeitgleich wurde im Jahr 1955 in Calder Hall (England) ein weiteres Kernkraftwerk errichtet. In den meisten frühen Kernkraftwerken kamen Siedewasserreaktoren zum Einsatz, da diese einfacher zu konstruieren und zu regeln sind. Inzwischen sind dagegen Druckwasserreaktoren üblicher, die höhere Leistungsdichten besitzen und bei denen der Kontrollbereich kleiner ist. Das erste Kernkraftwerk Deutschlands war das unter Lizenz von GE von der AEG gebaute Versuchsatomkraftwerk (VAK) Kahl (16 MWe) mit einem Siedewasserreaktor, der zuerst am 13. November 1960 kritisch wurde. Es folgten der Mehrzweckforschungsreaktor (MZFR) Karlsruhe (29. September 1965, 57 MWe) und der KKR Rheinsberg in Brandenburg (damals DDR). Es wurde am 9. Mai 1966 das erste Mal ans Netz geschaltet und war bis 1990 in Betrieb. Das nächste war (KRB A) in Gundremmingen (14. August 1966, 250 MWe) und schließlich ein Kraftwerk mit einen Druckwasserreaktor 1968 in Obrigheim in Baden-Württemberg (357 MWe). Alle sich noch im Betrieb befindlichen deutschen Kernkraftwerke wurden von der Siemens AG oder deren ehemaliger Tochter, der Kraftwerk Union (KWU), gebaut. Ausnahmen bilden die Kraftwerke mit Siedewasserreaktoren (Brunsbüttel, Isar I, Philippsburg I und Krümmel). Sie wurden von der AEG begonnen und von der KWU fertiggebaut, nachdem die Kernkraftsparte der AEG in die KWU eingetreten ist. Im April 1986 ereignete sich einer der bislang schwersten Störfälle in einem Kernkraftwerk im ukrainischen Prypjat im Reaktor Tschernobyl, bei dem der Block 4 explodierte und riesige Mengen radioaktiver Isotope und Strahlung in die Atmosphäre gerieten. Die Explosion des Reaktors ist wahrscheinlich auf menschliches Versagen sowie bauartbedingte Mängel zurückzuführen. Der Störfall wurde zunächst tagelang vertuscht, bis man auch in Skandinavien stark erhöhte Radioaktivitätswerte messen konnte und die sowjetische Regierung durch den enormen öffentlichen Druck gezwungen war, die Havarie einzugestehen. Der Störfall kostete offiziell "nur" 125 Menschenleben, rief aber in der ganzen Welt ein Misstrauen gegen die Kernenergie hervor. Nach Schätzungen der IPPNW sind hingegen von den rund 800.000 nach der Katastrophe eingesetzten Hilfskräften inzwischen fast 50.000 verstorben. Angaben über die Todesursachen macht die Organisation nicht, jedoch soll es eine erhöhte Selbstmordrate im betroffenen Personenkreis geben. (Quelle:IPPNW-online [http://www.ippnw.de/index.php?/s,1,2,8,150/o,article,857/]) Der neueste Auftrag (2004) für einen EPR Druckwasserreaktor von 1,6 GW Leistung wurde vom finnischen Energieversorgungsunternehmen Teollisuuden Voima Oy (TVO) für den Standort Olkiluoto an Framatome ANP erteilt. Der privat finanzierte Reaktor (3 Milliarden Euro) soll im Jahre 2009 an das Netz gehen. Den Bau des ersten schwimmenden Atomkraftwerks planen Russland und die Volksrepublik China. Der Reaktorblock soll von Russland und die Außenhülle von China gebaut werden. Die Kosten für das Projekt betragen über 86 Millionen US-Dollar. Das Atomkraftwerk, das zum Vergleich mit einem Haus neun Stockwerke hoch sein wird, befindet sich dann auf einem 140 Meter langen und 30 Meter breiten schwimmenden Block, mit einer Wasserverdrängung von 21.000 Tonnen. Der Bau des Atomkraftwerks soll 2011 abgeschlossen sein und zunächst für das russische Rüstungsunternehmen Sewmasch in Sewerodwinsk in der Region Archangelsk, Energie liefern. Geplant ist eine Leistung von 70 Megawatt.

Kernkraftwerke in Deutschland

2003 waren in Deutschland 19 Kernkraftwerke in Betrieb. und produzierten 165 Terawattstunden Strom. Das entspricht 27,7 Prozent der gesamten Bruttoerzeugung (Quelle: Statistisches Bundesamt). Das Kernkraftwerk Stade bei Hamburg wurde im Dezember 2003 abgeschaltet und befindet sich derzeit in der Stilllegungsphase. Am 11. Mai 2005 wurde auch das Kernkraftwerk Obrigheim abgeschaltet. Sein Abbau soll bis 2023 dauern. Somit sind derzeit (Stand 2005) noch 17 Atomreaktoren in Betrieb. Nach dem 2000 beschlossenen Atom-Konsens-Vertrag sollen diese nach Erreichen zugeteilter Reststrommengen abgeschaltet werden. Damit ginge nach derzeitigem Stand im Jahre 2022 der Block 2 des AKW Neckarwestheim als letzter vom Netz. Die CDU/CSU haben im Wahlkampf 2005 eine Laufzeitverlängerung für den Fall eines Regierungswechsels angekündigt. Dies stieß bei verschiedenen Umweltverbänden, aber auch dem Umweltbundesamt der Schröder-Regierung auf harsche Kritik.

Voraussichtliches Ausstiegszenario für die Bundesrepublik Deutschland

Nichtnukleare Besonderheiten

Das Kernkraftwerk Neckarwestheim (Block 1) liefert als einziges Kernkraftwerk der Welt auch einphasigen Bahnstrom. Beim Kernkraftwerk Stade wurde früher beim einzigen (West)deutschen Kernkraftwerk auch die Abwärme genutzt. Im Kernkraftwerk Greifswald wurden in den Blöcken 1-4 jeweils 75 MW thermisch ausgekoppelt und zur Wärmeversorgung der Stadt benutzt. 1984 bis 1990 (Stilllegung Block 1–4) wurde Anzapfdampf der Turbinen genutzt. Bis 1994 erzeugte ein Öl-Heizhaus die Wärme. Die Anlage wurde 1994 außer Betrieb genommen. (Daten: Heiznetz Vorlauf 180 °C, Rücklauf 80 °C, Umwälzmenge bis zu 4 x 800 m³/h, 25 km (Lubmin-Greifswald) Fernwärmerohr DN800 PN40, drei Streckenschieberstationen, Netzinhalt etwa 25000 m³ Deionat)

Technische Daten ausgewählter Kernkraftwerke

DWR: Druckwasserreaktor SWR: Siedewasserreaktor
- ) Betriebsarbeit in GWh bezeichnet in diesem Fall die Arbeit die ein Kraftwerk in einem Jahr leistet. Als Basis für diesen Wert dienen 365 Tage=8760 Stunden.
- ) Auf Nettobasis ermittelte Werte (KKB 1 Beznau, KKB 2 Beznau, KKG Gösgen, KKL Leibstadt und KKM Mühleberg auf Bruttobasis)

- ) geplant: Beginn und Dauer der Nichtverfügbarkeit müssen mehr als 4 Wochen vor Eintritt festgelegt sein

- ) ungeplant: Der Beginn der Nichtverfügbarkeit ist nicht oder bis 4 Wochen verschiebbar

- disponibel: Der Beginn der Nichtverfügbarkeit ist mehr als 12 Stunden bis 4 Wochen verschiebbar
- nicht disponibel: Der Beginn der Nichtverfügbarkeit ist nicht oder bis 12 Stunden verschiebbar Stand: 2004, Quelle: VGB PowerTech

Siehe auch

Übergeordnete Artikel:
Kernenergie, Liste der Kernkraftanlagen, Liste der Nuklearanlagen in Deutschland, Liste der Kernreaktoren in Österreich, Liste der nuklearen Unfälle, Liste der Reaktortypen Weiterführende Artikel:
Strahlenschutz, Atomkraftgegner, Atomausstieg, GAU, Katastrophe von Tschernobyl, Kernschmelze, Konvoi-Typ

Weblinks

- [http://www.energie-fakten.de/ www.energie-fakten.de]
- [http://www.bmu.de/atomenergie/aktuell/aktuell/1155.php Aktuelles zur Kernenergie] vom BMU
- [http://www.oprit.rug.nl/deenen/ CO₂-Bilanz von Kernkraftwerken] (engl.)]
- [http://www.bund-gegen-atomkraft.de www.bund-gegen-atomkraft.de] - Informationen vom BUND zur Kernenergienutzung
- [http://www.bfs.de/ Deutsches Bundesamt für Strahlenschutz]
- [http://www.umweltinstitut.org/frames/all/m410.htm Atomkraftwerke weltweit] - Leistungen, Anteile, usw.
- [http://www.iaea.org/cgi-bin/db.page.pl/pris.charts.htm Informationen über alle Kernkraftwerke weltweit] - von der IAEA
- [http://www.ilk-online.de/public/de/ www.ilk-online.de] - Internationale Länderkommission Kerntechnik
- [http://www.bag.admin.ch/dienste/medien/2001/d/01121839.htm Kaliumiodidversorgung in der Schweiz]
- [http://www.kernenergie.de/ www.kernenergie.de] - Informationskreis Kernenergie
- [http://www.kernenergie-wissen.de/ www.kernenergie-wissen.de]
- [http://www.novo-magazin.de/40/novo4011.htm Atomkraft? Allerdings!] - Kommentar Kategorie:Kraftwerk !Kernkraftwerk Kategorie:Kernenergie ja:原子炉

Kernfusion

Fusions-Reaktion wird als vielversprechende Reaktion für die Energieerzeugung in einem Kernfusionsreaktor angesehen.]] Kernfusion bezeichnet den Prozess des Verschmelzens zweier Atomkerne zu einem schwereren Kern. Je nachdem, welche Ausgangskerne beteiligt sind und welches Element daraus entsteht, wird bei diesem Prozess Energie freigesetzt oder aufgewendet. Die Energiebilanz ist positiv, wenn das Fusionsprodukt eine Massenzahl von weniger als etwa 60 bis 80 hat, negativ bei noch schwereren Kernen. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Verteilung des Massendefekts über das Periodensystem. In der Regel wird bei einer Kernverschmelzung neben dem Reaktionsprodukt ein leichtes Teilchen wie ein Neutron, ein Proton, ein Alpha-Teilchen oder ein Gamma-Teilchen erzeugt. Dieses ist wegen Energie- und Impulserhaltung erforderlich, da der neu erzeugte Kern nur fest definierte Energieniveaus annehmen kann, während die kinetische Energie, die die beiden Ausgangskerne vor der Verschmelzung haben, variabel ist. Besonders viel Energie wird frei, wenn schwerer und überschwerer Wasserstoff (Deuterium und Tritium) miteinander verschmelzen. Hier beträgt der Massendefekt fast 4 Promille, das heißt, die Reaktionsprodukte Helium und ein Neutron haben entsprechend weniger Masse als die Ausgangsprodukte. Die fehlende Masse wird aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie als kinetische Energie auf die Reaktionsprodukte übertragen oder in Form von Gammastrahlung freigesetzt. Die Kernfusion ist die Energiequelle der Sterne, etwa unserer Sonne. Die meisten Sterne fusionieren dabei beim so genannten Wasserstoffbrennen von Wasserstoff über mehrere Zwischenschritte zu Helium, die dafür nötige Temperatur liegt bei ca. 10 Millionen Kelvin. Am Ende ihrer Lebenszeit, wenn der Wasserstoff aufgebraucht ist, kommt die Energie aus der Fusion von Helium oder noch größerer Atome. Diese Fusion liefert weniger Energie und hat eine höhere Fusionstemperatur. Größere Sterne können mit ihrer Masse auch einen stärkeren Gravitationsdruck erzeugen, wodurch diese am Ende auch schwerere Elemente fusionieren. Die für die Fusion notwendige Temperatur hängt unter anderem vom Druck ab. Da auf der Erde ein ähnlich starker Druck wie auf der Sonne nicht erzeugt werden kann, liegt hier die für die Wasserstofffusion nötige Temperatur bei etwa 100 Millionen Kelvin.

Nutzung auf der Erde

- Im Labor zur Grundlagenforschung. Hier werden mittels eines Teilchenbeschleunigers energiereiche Atomkerne auf ein Ziel geschossen, wo es zu Verschmelzungsreaktionen kommen kann.
- In Kernwaffen (Wasserstoffbombe). Während Kernspaltungswaffen wie die Hiroshima-Bombe (»Little Boy«) eine Sprengkraft von bis zu 400 Kilotonnen TNT haben, entfalten Kernfusionswaffen mehrere Megatonnen TNT. Da man noch keine kontrollierte Reaktion hervorrufen kann, wird im Innern einer Wasserstoffbombe eine Atombombe platziert, um eine hohe Temperatur von 100 Millionen Kelvin zu erreichen, welche nötig ist, um die Kernfusion zu initiieren.
- Zur billigen Erzeugung von Neutronen mittels des Farnsworth-Hirsch-Fusors.
- Zur geplanten zivilen Energie- und Stromerzeugung durch Kernfusionsreaktoren. Am weitesten fortgeschritten ist hier das Projekt Joint European Torus (kurz JET), das für einige Sekunden ein Plasma aus Deuterium und Tritium am Brennen halten konnte, und dabei einige Megawatt produzierte. Ab 2016 soll voraussichtlich der internationale Versuchsreaktor ITER in Südfrankreich in Betrieb gehen. Experten erwarten jedoch nicht vor 2030 bis 2050 den Bau eines kommerziell verwendbaren Fusionskraftwerkes. Es gab auch immer wieder Versuche, Fusion ohne aufwändige Vorrichtungen zur Erzeugung eines geeigneten Plasmas zu erzeugen, z. B. mittels kalter Fusion oder Bläschen-Fusion.

Kalte Fusion und verwandte Verfahren

Kalte Fusionen und verwandte Verfahren haben gemein, dass bei ihnen der Energiebedarf, um eine Fusion anzuschieben, äußerst gering und somit auch das Verfahren relativ leicht durchzuführen ist. Ein US-amerikanischer Artikel zur Bläschen-Fusion titelte passend „Star in a Jar?“ – sinngemäß „Die Sonne im Wasserglas?“. Nach der gescheiterten ursprünglichen Kalten Fusion von 1989 richtet sich die Aufmerksamkeit derzeit auf die Bläschen-Fusion, bei der Deuterium mittels Ultraschall und unter Neutronenbeschuss in Schwingungen versetzt wird. Dabei entstehende Gasbläschen kollabieren (Kavitation) unter bestimmten Umständen äußerst energiereich unter Aussendung von Lichtblitzen (Sonolumineszenz) und bei sehr hohen Temperaturen von an der Bläschenoberfläche gemessen über 10.000 °C. Die Vermutung ist, dass innerhalb der Bläschen weitaus höhere Temperaturen und Drücke zustande kommen, die eine Kernfusion ermöglichen. Der Versuch zur Bläschen-Fusion soll bislang dreimalig mit Erfolg durchgeführt worden sein, 2002 und 2004 von Gruppen um den Entdecker Rusi P. Taleyarkhan und 2005 mit sogar deutlich vereinfachter Apparatur von einer Gruppe um Yiban Xu und Adam Butt. Trotzdem ist die Realisierbarkeit dieser Art von Fusion, sowie die kalte Fusion allgemein, selbst unter Wissenschaftlern nach wie vor höchst umstritten. Eine „lauwarme“ Kernfusion ist den Wissenschaftlern um Seth Putterman von der Universität von Kalifornien mit Lithiumtantalat, einem pyroelektrischem Kristall, gelungen. Das Verfahren tauge aber nicht zur Stromerzeugung, sondern ließe sich, etwas überarbeitet, recht simpel zur Produktion von hochenergetischen Neutronen nutzen, um Gepäckstücke an Flughäfen zu durchleuchten...

Reaktionen (Auswahl)

- D + T → ⁴He + n + 17,588 MeV (größter Wirkungsquerschnitt)
- D + D → ³He + n + 3,268 MeV
- D + D → T + p + 4,03 MeV
- ³He + D → ⁴He + p + 18,34 MeV Es wird aber niemals Tritium als Endprodukt entstehen. In der Sonne findet u.a. folgende so genannte Proton-Proton-Reaktion statt: # p + p → D +

e^+

\nu_e

+ 0,42 MeV (langsamste, und damit begrenzende Reaktion)

e^+

e^-

→

2\gamma

(mit Energie E(2

\gamma

) = 2

\cdot

511keV) # D + p → ³He +

\gamma

+ 5,49 MeV # ³He + ³He → ⁴He + 2 p +

\gamma

+ 12,86 MeV In obigen Formeln steht D für Deuterium (schwerer Wasserstoff

^2\rm H

), T für Tritium (überschwerer Wasserstoff

^3\rm H

), ³He und ⁴He für die Isotope des Heliums mit 1 bzw. 2 Neutronen,

\gamma

für Gammaquant,

e^-

für Elektron,

e^+

für Positron,

\nu_e

für Elektron-Neutrino, n für Neutron und p für Proton. Die jeweils angegebenen Energien verteilen sich als Bewegungsenergie auf die Reaktionsprodukte. Zudem findet in der Sonne ein Kohlenstoff-katalysierter Fusionszyklus statt, der Bethe-Weizsäcker-Zyklus, der etwa 1,6% der Energie des Sonnenhaushalts ausmacht.

Weblinks

- [http://www.ipp.mpg.de/ Max-Planck-Institut für Plasmaphysik] in Garching und Greifswald (Informationen zu den verschiedenen Typen der Fusionsreaktoren(Stellarator und Tokamak, sowie deren konkrete Untersuchungen)
- [http://www.marcus-haas.de/Wissenschaft/technologie/kernfusion.html Kernfusion - eine Energiequelle der Zukunft?]; Marcus Haas

Siehe auch

- ASDEX Upgrade
- Lawson-Kriterium
- ITER
- Tokamak
- Z-Maschine
- Forschungsanlage in Greifswald, genannt Wendelstein 7-X Kategorie:Plasmaphysik Kategorie:Kernphysik Kategorie:Kernenergie Kategorie:Astrophysikalischer Prozess ja:原子核融合

Latein

Als Latein bzw. Lateinisch (lat. lingua Latina: „lateinische Sprache“) bezeichnet man die Sprache, die ursprünglich vom Volksstamm der Latiner gesprochen wurde, der Bewohner von Latium mit Rom als Zentrum. Innerhalb der indogermanischen Sprachen gehört Latein zur Gruppe der italischen Sprachen. Es bildete die Grundlage für alle heutigen romanischen Sprachen.

Entwicklung

romanischen Sprachen Ursprünglich in Rom und dem umliegenden Gebiet (Latium) gesprochen, wurde Latein später an humanistischen Gymnasien unterrichtet. Neben Griechisch war Latein die Amtssprache des römischen Reiches. Wegen der kulturellen Überlegenheit des Ostens verlor es dabei zeitweise in Nordafrika und selbst in Rom seine Vorrangstellung. So war die Liturgiesprache der römischen Christen bis um 300 das Griechische. In dieser Zeit drangen viele griechische Lehnwörter ins Lateinische ein. Während der Spätantike begannen sich verschiedene Volkssprachen, aus denen im Mittelalter die romanischen Sprachen entstehen sollten, phonetisch und grammatikalisch von der lateinischen Hochsprache wegzuentwickeln. Doch noch im 6. Jahrhundert entstanden hochsprachliche lateinische Werke. Im Oströmischen Reich war Latein bis ins frühe 7. Jahrhundert neben Griechisch eine der beiden Amtssprachen. Im Westen übernahmen die Germanen mit den Grundelementen der spätrömischen Verwaltung auch die lateinische Sprache, die in der Administration bis in die frühe Neuzeit vorherrschend blieb. Seit der Völkerwanderung und der Christianisierung der (zunächst zumeist arianischen) Germanenvölker wurde Latein im Westen des früheren Römischen Reiches und in den römisch-katholischen Folgestaaten die Sprache des Klerus (Kirchenlatein), der Rechtswissenschaft (Glossatoren) und der sich bildenden Hochschulen (studia generalia). Es bildete somit die Schriftsprache, vor allem für das kirchliche und weltliche Urkundenwesen (Diplomatik) im frühen Europa. In völkerrechtlichen Verträgen (z. B. im Westfälischen Frieden von 1648) dominierte Latein bis in das 17. Jahrhundert hinein. Es bildet noch bis ins 20. Jahrhundert den Affixvorrat für die Fachterminologie in den Wissenschaften und verliert durch die fortschreitende Absorption in die englische und andere Sprachen lediglich an direkter, nicht jedoch an indirekter Bedeutung. Es wird noch an vielen Schulen unterrichtet.

Antike

Antike Schreibweise

Die lateinische Sprache wurde ursprünglich als scriptio continua, d. h. als zusammenhängender Fluss von Zeichen ohne Zwischenräume geschrieben. Auch Satzzeichen und Kleinbuchstaben wurden in der Antike nicht verwendet. Auf Wachstafeln war nämlich wenig Platz zum Schreiben, und Papyrus war teuer. Die antiken lateinischen Texte sind für uns heute daher schwer zu lesen. Vergleiche folgendes Beispiel: Alte Schreibweise: AVREAPRIMASATAESTAETASQVAEVINDICENVLLO SPONTESVASINELEGEFIDEMRECTVMQVECOLEBAT POENAMETVSQVEABERANTNECVERBAMINANTIAFIXO AERELEGEBANTVRNECSVPPLEXTVRBATIMEBAT IVDICISORASVISEDERANTSINEVINDICETVTI NONDVMCAESASVISPEREGRINVMVTVISERETORBEM MONTIBVSINLIQVIDASPINVSDESCENDERATVNDAS NVLLAQVEMORTALESPRAETERSVALITORANORANT NONDVMPRAECIPITESCINGEBANTOPPIDAFOSSAE NONTVBADIRECTINONAERISCORNVAFLEXI NONGALEAENONENSISERANTSINEMILITISVSV MOLLIASECVRAEPERAGEBANTOTIAGENTES Heutige Schreibweise: Aurea prima sata est aetas, quae vindice nullo, sponte sua, sine lege fidem rectumque colebat. poena metusque aberant nec verba minantia fixo aere legebantur, nec supplex turba timebat iudicis ora sui, sed erant sine vindice tuti. nondum caesa suis, peregrinum ut viseret orbem, montibus in liquidas pinus descenderat undas, nullaque mortales praeter sua litora norant. nondum praecipites cingebant oppida fossae, non tuba directi, non aeris cornua flexi, non galeae, non ensis erant: sine militis usu mollia securae peragebant otia gentes. Auszug aus Ovids Metamorphosen: Die Schöpfung (Das goldene Zeitalter) Details zu den verwendeten Buchstaben finden sich in dem Artikel Lateinisches Alphabet. Siehe zu diesem Thema auch: Paläografie (dort Lateinische Paläografie), Capitalis, Versalschrift und Majuskel.

Antike Aussprache

Auf die antike Aussprache der lateinischen Sprache wird im Artikel Lateinische Aussprache eingegangen.

Literatur

Mit Antiker Literatur des Lateinischen beschäftigt sich u. a. der Artikel Lateinische Literatur.

Gegenwart

Auch heute ist Latein noch an vielen Gymnasien aller Fachrichtungen zu finden. Etwa ein Drittel aller Gymnasiasten im deutschen Sprachraum lernt Latein als erste, zweite oder dritte Fremdsprache. An humanistischen Gymnasien wird dem Lateinischen, neben dem Griechischen, noch eine herausgehobene Bedeutung zugemessen, was früher auf eine aktive Beherrschung des Lateinischen zielte. Tatsächlich werden auch heute noch für zahlreiche Studiengänge das Latinum oder Lateinkenntnisse gefordert, insbesondere in zahlreichen geisteswissenschaftlichen Fächern. Das Latinum ist als Studienvoraussetzung für die Fächer Medizin und Jura weitestgehend abgeschafft, häufig aber nicht in Fächern wie Anglistik, Philosophie oder sogar Musikwissenschaften. Unabhängig von den Studienanforderungen wird von Befürwortern des Lateins betont, dass das Erlernen der lateinischen Sprache weiterhin Basis für die korrekte Verwendung von Fremdwörtern sei, das Erlernen anderer romanischer Sprachen wesentlich erleichtere und erhebliche Transfer-Effekte für die Denkschulung aufträten. Das Übersetzen lateinischer Texte fördere auf Grund der erheblichen Komplexität vieler lateinischer Sätze auch das logische Denken. Von den Gegnern ist hingegen zu hören, dass die Auseinandersetzung mit jeder Art von Grammatik, egal welcher Sprache, das strukturierte Denken fördere, und dass das Erlernen moderner romanischer Sprachen, welche im Gegensatz zu Latein noch gebraucht werden, mindestens ebenso gut dazu geeignet sei, die zahlreichen lateinischen Lehnwörter im Deutschen korrekt zu verwenden und andere romanische Sprachen zu erlernen. In der Tat sind viele gesamtromanische, also in allen romanischen Sprachen auftretende Wörter nicht im klassischen Latein vorhanden und müssen dann neu gelernt werden: guerra „Krieg“, testa „Kopf“, cavallo „Pferd“, mangiare/manger „essen“, andare
- „gehen“ , boc(c)a/bouche „Mund“, blanco/blanc „weiß“, die Himmelsrichtungen etc. Viele dieser Wörter erklären sich nämlich aus dem umgangssprachlichen oder dem späten Latein oder stammen aus der Soldatensprache, also aus Varietäten, die nicht in der Schule gelehrt werden. Aus deutschen und US-amerikanischen Untersuchungen geht hervor, dass zwischen absolviertem Lateinunterricht und der Beherrschung der englischen Sprache in Schrift und vor allem Wort eine signifikante Korrelation besteht. Ein kausaler Zusammenhang ist allerdings nicht nachgewiesen worden – möglicherweise macht eine hohe sprachliche Begabung eines Kindes die Wahl des als schwierig geltenden Latein wahrscheinlicher. Da auch im modernen Lateinunterricht die Sprachproduktion eindeutig der Rezeption (Leseverstehen) untergeordnet ist, glauben viele, Latein falle Menschen mit ausgeprägter Begabung für Mathematik und formelle Denkvorgänge generell leichter als andere Fremdsprachen, wohingegen Menschen mit ausgeprägter Begabung für intuitives Erlernen von Sprachen andere Fremdsprachen leichter fänden. Dieser Zusammenhang lässt sich allerdings nicht häufig verifizieren: Die Erfahrung zeigt, dass die Schülerleistungen in Latein überwiegend Hand in Hand mit denen in der Muttersprache und anderen Fremdsprachen gehen.

Modernes Latein

Auch heute werden deutsch-lateinische Lexika aufgrund neulateinischen Wortgutes herausgegeben, z. B. das „lexicon auxiliare“ oder das vom Vatikan herausgegebene „lexicon recentis latinitatis“, welches erst im Jahre 2004 eine Neubearbeitung erfuhr. Der finnische Rundfunksender YLE (Yleisradio) verbreitet Wochennachrichten in neulateinischer Sprache. Radio Bremen veröffentlicht regelmäßig die Nuntii Latini in schriftlicher und gesprochener Version. Seit April 2004 veröffentlicht auch die deutschsprachige Redaktion bei Radio Vatikan Nachrichten auf Lateinisch. Dabei handelt es sich um ursprünglich deutsche Meldungen. Gero P. Weishaupt übersetzt sie für die Redaktion ins Lateinische. Sehr beliebt ist auch die lateinische Fassung der Asterix-Comics, die der deutsche Altphilologe Graf v. Rothenburg (Rubricastellanus) verfasst hat. Der Autor Nikolaus Groß, beruflich seit zehn Jahren Deutsch-Lektor in der südkoreanischen Hauptstadt, hat 2004 eine komplett latinisierte Übertragung von Patrick Süskinds Das Parfum im Brüsseler Verlag der Fundatio Melissa, einem überregionalen Verein zur Pflege des gesprochenen Lateins, veröffentlicht. Dem Buch ist mit dem „Glossarium Fragrantiae“ eine größere Liste aktualisierter Neuschöpfungen beigegeben. Vom selben Wortartisten existiert des weiteren ein Buch über den Baron Mynchusanus (Münchhausen). 2003 erschien bereits der erste Teil der Harry Potter-Bücher von J. K. Rowling auf Latein (Harrius Potter et Philosophi Lapis). Daneben gibt es noch viele weitere Übersetzungen „klassischer“ Werke ins Lateinische, so zum Beispiel Karl Mays Winnetou III, oder Der kleine Prinz (Regulus) von St. Exupéry. Durch das Internet ist die Verfügbarkeit alter lateinischer Texte sowie das Entstehen neuer lateinischer Texte erheblich begünstigt worden. Inzwischen gibt es sogar lateinische Fassungen von Popsongs. Daneben entstehen auch neue Popsongs in lateinischer Sprache, etwa Cursum Perficio, gesungen von Enya, Liberatio, eines von vielen lateinischen Musikstücken der Gruppe „Krypteria“, oder bei Gruppen der Dark Wave bzw. Gothic (Jugendkultur). Roma Ryan hat neben Cursum Perficio für Enya noch weitere Songs in lateinischer Sprache verfasst. In Internetforen wie Grex Latine Loquentium kommunizieren Teilnehmer aus vielen Ländern ausschließlich in Latein. In der klassischen beziehungsweise neoklassischen Musik findet Latein ebenfalls Verwendung. So hat etwa der niederländische Komponist Nicholas Lens auf seinem Werk Flamma Flamma ein lateinisches Libretto vertont, für sein Werk Terra Terra hat Lens selbst ein Libretto in lateinischer Sprache verfasst. Nicht zu vergessen sind auch die zahlreichen Vertonungen lateinischer Gedichte wie z. B. von Jan Novák. Carl Orff unterlegte mehreren seiner Vokal-Kompositionen Texte in Latein oder Griechisch. Igor Strawinski ließ das nach Sophokles von Jean Cocteau in französischen Versen verfasste Libretto zu „Ödipus Rex“ von Jean Daniélou ins Lateinische übersetzen. Das Lehrbuch Lingua Latina per se illustrata des dänischen Autors Hans H. Ørberg hat die bisher hauptsächlich für den Unterricht in modernen Sprachen eingesetzte einsprachige Lehrmethode auf den altsprachlichen Unterricht übertragen. Das Lehrbuch erfreut sich in verschiedenen Ländern einer steigenden Beliebtheit.

Latein in den Wissenschaften

In der Biologie erfolgt die Namensbildung der wissenschaftlichen Namen lateinisch und griechisch, wobei neuere Vorschläge vorsehen, die Regeln nur aus der lateinischen Sprache zu entnehmen. In der Medizin sind die anatomischen Fachbegriffe lateinisch, für die einzelnen Organe wird zusätzlich auch latinisiertes Griechisch verwendet. Die Krankheitsbezeichnungen leiten sich aus dem Griechischen ab. Zahlreiche Sprichwörter haben einen lateinischen Ursprung und sind teilweise auch in der deutschen Übersetzung zu geflügelten Worten geworden. In den Rechtswissenschaften existieren verschiedene lateinische Lehrsätze und Fachbegriffe (Latein im Recht). Auch in der Geschichtswissenschaft spielt vor allem Latein weiterhin eine große Rolle. In der Meteorologie werden lateinische Begriffe in der Wolkenklassifikation eingesetzt.

Latein in der katholischen Kirche

Latein ist neben Italienisch die Amtssprache des Vatikanstaats. Die katholische Kirche veröffentlicht alle amtlichen Texte von weltkirchlicher Bedeutung in Latein. Das gilt für die liturgischen Bücher, den Katechismus, den Codex des kanonischen Rechts sowie die päpstlichen Rechtsvorschriften (canones, decretales) und Rundschreiben (Enzykliken). Bis zum zweiten Vatikanischen Konzil (1962–1965) war Latein die offizielle Gottesdienstsprache und ist dies (laut Sacrosanctum Concilium) offiziell noch heute, wobei andere Sprachen jedoch gleichfalls erlaubt sind. Tatsächlich werden nur noch sehr wenige Gottesdienste in Latein gehalten. Der gegenwärtig amtierende Papst Benedikt XVI. bevorzugt bei seinen Messen aber das Lateinische vor dem Italienischen. Siehe auch: Lateinische Kirche

Referenzlisten

- Lateinische Präpositionen
- Liste lateinischer Ortsnamen
- Liste lateinischer Präfixe
- Liste lateinischer Redewendungen
- Liste lateinischer Suffixe
- Liste von lateinischen Palindromen
- Lateinische Zahlwörter

Siehe auch

- Grammatik des Lateinischen
- Lateinische Aussprache
- Lateinische Sprichwörter
- Küchenlatein
- Vulgärlatein
- Mittellatein
- Lateinische Literatur
- Sprachen im Römischen Reich
- Jägerlatein
- Panlatinismus

Weblinks

- [http://www.commtec.de/wb/ Wörterbuch Latein-Deutsch-Latein auxilium online (mit Download-Möglichkeit)]
- [http://www.latein-pagina.de/iexplorer/stil.htm Lateinische Stilblüten]
- [http://www.thelatinlibrary.com/ The Latin Library – klassische Texte im Original]
- [http://www.albertmartin.de/latein/ Latein-Deutsch-, Deutsch-Latein-Wörterbuch mit hilfreichen Extras]
- [http://www.radiobremen.de/online/latein/ Nuntii latini bei Radio Bremen]
- [http://www.latein-pagina.de/ Latein-Pagina]
- [http://www.antikeundeuropa.de/Alte_Sprachen_heute/alte_sprachen_heute.html Alte Sprachen heute]
- [http://www.fh-augsburg.de/~harsch/a_chron.html Sammlung lateinischer Texte/bibliotheca Augustana]
- [http://www.music.indiana.edu/tml/ Lateinische Musiktraktate im Original]
- [http://www.lateinservice.de/index.htm Die deutsche Latein-Seite]
- [http://www.alcuinus.net/GLL/ Grex Latine Loquentium (Internetforum in lateinischer Sprache)]
- [http://www.kreienbuehl.ch/lat/ Latein und Altgriechisch Site]
- [http://www.latein24.de/ Übersetzungen vieler klassischer lateinischer Texte bei Latein24.de] Kategorie:Einzelsprache
- als:Latein ja:ラテン語 ko:라틴어 simple:Latin language th:ภาษาละติน zh-min-nan:Latin-gí

Kernreaktor

Ein Kernreaktor (auch Atomreaktor oder Atommeiler) ist eine Maschine, in der eine Kernreaktion kontinuierlich abläuft. Weltweit verbreitet sind Kernreaktoren, die durch die Spaltung (Fission) von Uran oder Plutonium zunächst Wärme und daraus elektrische Energie gewinnen. Eine weitere Art von Kernreaktor ist der sich im Experimentierstadium befindliche Kernfusionsreaktor, der, wie die Sonne, aus der Verschmelzung (Fusion) von Wasserstoffkernen Energie gewinnt.

Kernspaltungsreaktor

Funktionsweise

Die Kernspaltung

Zwischen den Protonen und den Neutronen eines Atomkerns wirken sehr starke, anziehende Kräfte, die jedoch eine nur sehr kurze Reichweite haben. Daher wirkt diese Kernkraft im wesentlichen auf die nächsten Nachbarn, weiter entfernte Nukleonen tragen zu der anziehenden Kraft nur in geringem Maße bei. Solange die Kernkraft größer ist als die abstoßende Coulombkraft zwischen den positiv geladenen Protonen, hält der Kern zusammen. Schwere Kerne, wie beispielsweise das Uran oder Plutonium, enthalten sehr viele Protonen und benötigen daher einen Neutronenüberschuss, um den Kern stabil zu halten. Denn durch die anziehende Kernkraft der zusätzlichen Neutronen wird die abstoßende Coulombkraft der Protonen kompensiert. Trotzdem sind viele schwere Kerne radioaktiv, also instabil. Fängt einer dieser schweren Kerne, etwa des Uranisotops ²³⁵U beziehungsweise ein Kern des Plutoniumisotops ²³⁹Pu, ein Neutron ein, so wird ihm außer dem zusätzlichen Neutron auch Energie zugeführt. Dadurch wandelt er sich in einen hochangeregten, instabilen Zustand des Kerns ²³⁶U beziehungsweise ²⁴⁰Pu um. Beide hochangeregten Kerne regen sich mit extrem kurzen Halbwertszeiten durch Kernspaltung ab. Anschaulich gerät der Kern durch die Neutronenabsorption wie ein angestoßener Wassertropfen in Schwingungen und zerreißt in zwei meist ungleiche Bruchstücke mit einem Massenverhältnis von etwa 2 zu 3. Darüber hinaus werden bei jeder einzelnen Spaltung im Schnitt zwei bis drei weitere schnelle Neutronen frei, die dann für weitere Kernspaltungen zur Verfügung stehen - dies ist die Grundlage der Kettenreaktion. Die neu entstandenen Kerne mittlerer Masse, die so genannten Spaltprodukte, haben eine größere Bindungsenergie als der schwere Uran- beziehungsweise Plutoniumkern. Die Differenz der Bindungsenergien wird unter anderem in kinetische Energie und damit in Wärme der Spaltprodukte umgewandelt. Diese Wärme kann beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt werden.

Thermische Neutronen und der Moderator

Der Neutronenabsorptionsquerschnitt beispielsweise des Isotops ²³⁵U nimmt mit abnehmender Energie und damit gleichbedeutend mit abnehmender Geschwindigkeit des Neutrons zu, das heißt, je langsamer das Neutron ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es von einem U²³⁵-Kern eingefangen wird. Daher bremst man in einem Kernreaktor die schnellen Neutronen aus der Kernspaltung durch den Einsatz eines Moderators ab. Ein Moderator ist ein Material wie etwa Graphit, schweres oder normales Wasser, welches viele Atomkerne enthält, die nicht sehr viel schwerer als ein Neutron sind, und das einen sehr niedrigen Absorptionsquerschnitt für Neutronen hat. Die erste Eigenschaft führt dazu, dass die Neutronen durch Stöße mit diesen Atomkernen abgebremst werden. Die zweite Eigenschaft hat zur Folge, dass die Neutronen der Kettenreaktion weiter zur Verfügung stehen. Durch die Stöße mit den Atomkernen des Moderators können die Neutronen maximal auf die Geschwindigkeiten der Kerne des Moderators abgebremst werden. Die Geschwindigkeit der Moderatorkerne ist nach der Theorie der Brownschen Bewegung durch die Temperatur des Moderators definiert. Es findet also eine Thermalisierung statt. Man spricht daher nicht von abgebremsten, sondern von thermischen Neutronen, d. h., die Neutronen besitzen anschließend eine ähnliche Geschwindigkeitsverteilung wie die Moleküle des Moderators. Ein Reaktor, der zur Kernspaltung thermische Neutronen verwendet, wird dem entsprechend als "Thermischer Reaktor ezeichnet. Im Gegensatz dazu nutzt ein "Schneller Reaktor" die nicht abgebremsten, schnellen Neutronen zur Spaltung oder zum Erbrüten neuen Spaltmaterials (daher auch die Bezeichnung "Schneller Brüter").

Steuerung der Kettenreaktion

Damit die Kettenreaktion nicht unkontrolliert abläuft, muss sie gesteuert werden. Hierfür benutzt man Stoffe mit einem hohen Absorptionsquerschnitt für Neutronen. Beispiele für diese Stoffe sind Cadmium, Gadolinium und Bor. Aus chemischen Verbindungen dieser Materialien werden beispielsweise die Steuerstäbe eines Kernreaktors gefertigt. Durch Zugabe oder Entzug dieser Stoffe in oder aus dem Reaktorkern (beispielsweise durch das Herausziehen oder Hineinfahren der Steuerstäbe) kann der Reaktor geregelt werden. Zur leichtere