Kernspaltung
Bei der Kernspaltung zerfällt ein schwerer Atomkern in zwei Hauptfragmente, meist begleitet von mehreren Neutronen und einer großen Energiefreisetzung. Der tiefere Grund für die frei werdende Energie ist nicht einfach, dass der Kern „zerbricht“: Die Produkte sind im Mittel pro Nukleon stärker gebunden.
Vom Neutroneneinfang zu zwei Fragmenten
Ein spaltbarer Kern wie Uran-235 kann ein Neutron aufnehmen und einen angeregten zusammengesetzten Kern bilden. Die Anregung kann den Kern so stark verformen, dass er sich in zwei Hauptfragmente teilt. Fission erzeugt nicht nur ein einziges mögliches Tochterpaar; es gibt eine Verteilung verschiedener Fragmentmassen.
Woher ungefähr 200 MeV stammen
Kerne mittlerer Masse liegen auf der Kurve der Bindungsenergie pro Nukleon höher als sehr schwere Kerne. Nach der Spaltung besitzen die Endprodukte daher eine etwas kleinere gesamte Ruhemasse als das Anfangssystem. Die Massendifferenz erscheint gemäß Q = Δmc² als Energie. Eine typische Uran-235-Spaltung setzt etwa 200 MeV frei, überwiegend als kinetische Energie der schweren Fragmente; weitere Energie tragen Neutronen, Gammastrahlung und spätere radioaktive Zerfälle.
Warum Neutronen eine Kettenreaktion aufrechterhalten können
Bei einer Spaltung werden gewöhnlich mehrere Neutronen frei. Einige entkommen oder werden absorbiert, ohne eine Spaltung auszulösen; andere können die nächste Spaltung verursachen. Der effektive Multiplikationsfaktor k fasst die mittlere Bilanz von Generation zu Generation zusammen: Für k < 1 nimmt die Kette ab, bei k = 1 bleibt sie im Mittel konstant und für k > 1 wächst sie. „Kritisch“ ist damit eine mathematische Aussage über diese Bilanz und kein Synonym für Explosion.
Prompte und verzögerte Anteile
Die meisten Spaltneutronen entstehen praktisch sofort; ein kleiner Anteil wird jedoch später von radioaktiven Spaltprodukten freigesetzt. Diese verzögerten Neutronen sind für kontrollierte Reaktorphysik wichtig, weil sie die Reaktionszeitskala verlängern. Die Spaltprodukte selbst sind häufig neutronenreich und zerfallen nach dem ursprünglichen Spaltungsereignis weiter durch Beta- und Gammaübergänge.
Durchgerechnete Beispiele
1. Eine schematische Gleichung prüfen
Für ²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n ergeben die Massenzahlen auf beiden Seiten 236 und die Ordnungszahlen auf beiden Seiten 92. Die grundlegende Erhaltung von A und Z ist damit erfüllt.
2. k deuten
Für k = 0,97 erzeugt jede Generation im Mittel weniger erfolgreiche Folgespaltungen; die Kettenreaktion klingt ab.
3. Die Energiequelle benennen
Die Energie entsteht nicht durch das bloße „Brechen einer Bindung“. Sie stammt daher, dass die Endprodukte eine geringere gesamte Ruhemasse und eine größere Bindungsenergie pro Nukleon als das Ausgangssystem besitzen.