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Atombombe – Entwicklung, Aufbau und Funktion 08:58 min

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Transkript Atombombe – Entwicklung, Aufbau und Funktion

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir machen weiter mit Atomphysik und wollen uns heute mit der nuklearen Kettenreaktion beschäftigen, speziell mit der Erfindung, die der Atom- und Kernphysik ihren schlechten Ruf eingebracht hat, nämlich der Atombombe. Für dieses Video könnte es hilfreich sein, wenn ihr schon das Video über die Radioaktivität gesehen habt, in dem kurz die Kernspaltung erwähnt wird. Es ist aber nicht dringend notwendig. Wir lernen heute, wie es zur Entwicklung der Atombombe kam, wie eine nukleare Kettenreaktion entsteht, wie sie in der Atombombe eingesetzt wird und was die kritische Masse ist. Obwohl es eigentlich wesentlich mehr mit Geschichte als mit Physik zu tun hat, wollen wir uns kurz einmal ansehen, wie es zur Entwicklung der Atombombe gekommen ist. Nachdem die Radioaktivität und die Elementarteilchen entdeckt waren, spekulierten viele darüber, was man mit den gewaltigen Kräften, die im Inneren eines Atomkerns wirken, eigentlich anfangen könnte. 1914 beschrieb der berühmte Science Fiction Autor H. G. Wells in einem seiner Bücher eine Bombe, die auf den Kernkräften beruhte und der er den Namen Atombombe gab. Der Name Atombombe stammt also gar nicht von einem Physiker. Bis die ersten theoretischen und experimentellen Grundlagen gelegt wurden, dauerte es auch noch eine ganze Zeit. 1933 schlug der ungarische Physiker Leó Szilárd vor, dass mit Hilfe der bei einer Kernspaltung entstehenden Neutronen weitere Kernspaltungen angeregt werden könnten und man somit eine Kettenreaktion erzeugen könnte. 1938 gelang es in Berlin erstmals Otto Hahn und Fritz Straßmann, einen Urankern durch Neutronenbeschuss zu spalten. Dieses Experiment war von Lise Meitner mitentwickelt worden, die später auch mit Otto Frisch zusammen den theoretischen Hintergrund des Experimentes klärte. In dieser Zeit befand sie sich allerdings schon in Schweden, da sie als Jüdin in Deutschland von den Nazis verfolgt wurde. Da nach diesen Forschungsergebnissen aus Deutschland keine weiteren Forschungsergebnise zur Kernspaltung veröffentlicht wurden und auch der Verkauf von Uran gestoppt wurde, richteten Leó Szilárd, Albert Einstein und Eugen Wigner, die allesamt nach Amerika immigriert waren, 1939 einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Franklin Roosevelt. Sie waren überzeugt, dass man in Deutschland mit allen Kräften versuchte, eine Atombombe zu entwickeln und beschworen den Präsidenten in Amerika Geld für die Entwicklung von Atomwaffen bereitzustellen, um im Krieg nicht den Nachteil zu haben. Daraufhin stellte man in Amerika große Mengen Geld für die Forschung an der Kernspaltung zur Verfügung. Und nach vielversprechenden Ergebnissen wurde im Herbst 1942 das sogenannte Manhattan-Projekt ins Leben gerufen. Unter der Leitung von Robert Oppenheimer arbeiteten in Los Alamos über 1000 Mitarbeiter an der Entwicklung der Atombombe. Und nicht mal 3 Jahre später, am 16. Juli 1945, wurde in New Mexico die erste Atombombe getestet. Und kurz darauf, am 6. August 1945, wurde über Hiroshima in Japan die erste Atombombe gezündet.  Was genau passiert nun eigentlich bei so einer Kettenreaktion? Dazu müssen wir uns noch einmal an die Kernspaltung erinnern. Im Video über die Radioaktivität hatten wir bereits gehört, dass sich ein Atomkern auch spalten kann. Selten von selbst, leichter unter Beschuss. Nehmen wir also an, ein frei herumfliegendes Neutron, vielleicht von einem vorherigen Kernspaltungsvorgang, trifft auf einen 235 Urankern. Durch den Neutronenbeschuss wird sich der Urankern aufspalten, meistens in 2 kleinere Atomkerne und einige einzelne Neutronen. Normalerweise ist das kein großes Problem. In der Natur kommt Uran so unrein vor, dass die Neutronen entweder ins Nichts fliegen oder einen anderen Atomkern treffen werden, dem es nicht so viel anhaben kann. Die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen verpuffen also normalerweise wirkungslos. Es ist aber natürlich auch möglich, dass eines unserer Neutronen einen weiteren 235 Urankern trifft und diesen wiederum zur Spaltung anregt. Wenn ich also nun große Mengen reines Uran 235 an einen Ort lege, dann wird bei jeder Kernspaltung eine Reihe von Neutronen frei, die also jeweils wieder neue Kernspaltungen verursachen. Mein gesamtes Spaltmaterial verbrennt also. Diesen Vorgang nennt man eine nukleare Kettenreaktion. Und in diesem Zusammenhang wird auch der Begriff der kritischen Masse verwendet.  Was bedeutet denn nun kritische Masse? Das ist eigentlich ganz einfach. Im Bild links seht ihr mehrere Urankugeln. Es ist natürlich möglich, dass eine Kernspaltung in der oberen Urankugel weitere Kernspaltungen zur Folge hat, da die Neutronen jedoch eine Weile fliegen müssen, bevor sie wieder einen Atomkern treffen, ist die Chance natürlich größer je größer die Kugel ist. Der Begriff "Kritische Masse" bedeutet nun nichts anderes, als dass genug Spaltungsmaterial vorhanden ist, sodass eine Kettenreaktion von alleine weiterlaufen kann. Für Uran 235 ist die kritische Masse zum Beispiel ungefähr 50kg. Wenn ich also 50kg Uran 235 nehme und es in eine Kugel presse, wird eine Kettenreaktion beginnen abzulaufen. Man kann die kritische Masse auch verringern, was bei den meisten Atombomben gemacht wird, indem man das Spaltmaterial mit einem Neutronen reflektierenden Mantel umgibt, der die ausgesendeten Neutronen zurück ins Innere der Kugel wirft. Dadurch halbiert sich die kritische Masse auf ungefähr 23kg.  Wie aber ist nun so eine Atombombe aufgebaut und vor allem, wie verhindere ich, dass sie mir vorzeitig um die Ohren fliegt? Es gibt 2 Standardmethoden, nach denen Atombomben gebaut werden. Ihr könnt sie links im Bild sehen. Die erste Methode, das sogenannte Gun-Prinzip, vom englischen "gun" (Kanone), funktioniert, indem 2 Halbkugeln, die weit voneinander entfernt sind, durch eine Sprengladung aufeinander geschossen werden. Beide Halbkugeln sind für sich nicht kritisch, man sagt auch unterkritisch, werden aber, sobald sie aufeinander geschossen werden, zu einer kritischen Masse und die Kettenreaktion beginnt. Das Spaltmaterial ist in Kugelform am günstigsten angeordnet für eine Kettenreaktion. Also nimmt man eine große Kugel, die in der Mitte allerdings einen großen Hohlraum hat. Diese Kugel ist noch nicht kritisch. Um die Bombe zu zünden, werden allerdings rings um dieser Hohlkugel lauter Sprengladungen gezündet, die die Hohlkugel zu einer kleineren massiven Kugel zusammendrücken, die dann die kritische Masse erreicht hat. Bei der Zündung der Atombombe laufen dann unvorstellbare Vorgänge ab. Innerhalb nur einer Millionsten Sekunde ist das gesamte Spaltmaterial zerfallen und innerhalb einer Zehntel Sekunde bildet sich ein gewaltiger Feuerball. Gleichzeitig schießt eine Druckwelle aus Hitze und radioaktiver Strahlung in alle Richtungen. Dann kühlt sich der Feuerball ab und es bildet sich der bekannte Atompilz. Außerdem rieseln die Endprodukte der Spaltungsprozesse auf die Landschaft nieder, die auch noch radioaktiv sind und zur Verseuchung beitragen. Die Zerstörung, die eine Atombombe anrichtet, ist gewaltig. So gewaltig, dass im Krieg bisher erst 2 Atombomben gezündet wurden, von den Amerikanern über Hiroshima und Nagasaki. In Hiroshima, in der die kleinere der beiden Bomben gezündet wurde, starben zum Beispiel direkt an der Explosion zwischen 90000 und 166000 Menschen. Die genaue Zahl ist bis heute nicht bekannt. Im Laufe der Zeit wurden jedoch noch deutlich stärkere Bomben entwickelt. Die stärkste jemals getestete Bombe, die von den Russen entwickelt wurde, die sogenannte Zarbombe zum Beispiel, war fast 4000 mal stärker als die Hiroshima-Bombe. Bei ihrer Zündung wurde alles im Umkreis von 35km komplett zerstört, und die dabei entstehende Druckwelle war so stark, dass sie noch beim dritten Umrunden des Erdballs gemessen werden konnte.  Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Für die Amerikaner war die Entwicklung der Atombombe ein Wettrennen zur Entscheidung des 2. Weltkriegs, da sie befürchteten, die Deutschen könnten diese zuerst entwickeln. Als die erste Atombombe abgeworfen wurde, hatte Deutschland zwar schon kapituliert, sie beendete aber den Krieg zwischen Amerika und Japan. Eine nukleare Kettenreaktion entsteht, wenn die bei einer Kernspaltung erzeugten Neutronen weitere Kernspaltungen anregen können. Die kritische Masse eines Spaltmaterials nennt man die Menge, die man von diesem Material benötigt, um eine Kettenreaktion zu erzeugen. Wenn die Kettenreaktion anläuft, sagt man, die kritische Masse ist erreicht. In einer Atombombe wird Spaltmaterial durch Sprengladungen zu einer kritischen Masse zusammengedrückt, die dann unter der Abgabe enormer Energiemengen sofort komplett zerfällt.  So, das wars schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Bis zum nächsten Mal. Einen schönen Tag wünsche ich euch. Tschüss.

12 Kommentare
  1. Sie können wirklich super erklären!!!!!
    Vielen Dank :D

    Von Skunk4711, vor 12 Monaten
  2. hei! ich hab das viedeo gegukt und es hat mir sehr gefalen!!! Ich finde deine Stimme voll lit!! dasd Viedeo ist voll coll gemacht

    Von Samidjellab, vor 12 Monaten
  3. etwas zu schnell geredet ansonsten sehr gutes video

    Von Selma Kulow, vor fast 2 Jahren
  4. gutes video :D

    Von Bdeurope, vor etwa 5 Jahren
  5. Es ist zwar traurig, dass gerade mit Hilfe von Hochbegabten eine verheerende Waffe hergestellt wurde, jedoch haben wir Vieles zum Vorteil wie Computer, dieses Video sehr anschaulich erklärt, ich kann mich besser nachvollziehen.

    Von Dw 69, vor mehr als 5 Jahren
  1. gutes video

    Von Alex Kasper Mendonca, vor mehr als 5 Jahren
  2. trotzdem richtig gutes video :))

    Von Ana Banana, vor fast 6 Jahren
  3. ich glaube nicht das Albert Einstein,wirklich eine Atombombe bauen wollte... In einem seiner Zitate heißt es :"Der Mensch erfand die Atombombe, aber eine Maus würde es nie wagen eine Mäusefalle zu konstruieren." Wieso sollte er dann so ein Versprechen gesetzt haben? o.O

    Von Ana Banana, vor fast 6 Jahren
  4. Gute erklärung!

    Von Sheldor, vor etwa 7 Jahren
  5. schön erklärt!!!!!!!!!!

    Von Darian P., vor mehr als 7 Jahren
  6. Find ich sehr Gut. ! :)

    Von C.Buck Rumphorst, vor mehr als 7 Jahren
  7. richtig Klasse

    Von Massi, vor mehr als 8 Jahren
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Atombombe – Entwicklung, Aufbau und Funktion Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Atombombe – Entwicklung, Aufbau und Funktion kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an, wie es zur Entwicklung der Atombombe durch das von Robert Oppenheimer geleitete Manhattan-Projekt kam.

    Tipps

    Die Idee und der Name der Atombombe stammen aus einem Science-Fiction Buch.

    Im Zuge des Manhattan-Projektes sollte eine waffenfähige Atombombe entwickelt werden.

    Lösung

    1914 beschreibt der Science-Fiction-Autor H.G. Wells in einem Roman eine Bombe, die auf den Kernkräften basiert, welche er Atombombe nennt.

    1933 schlägt der Physiker Leó Szilárd vor, dass Neutronen bei der Kernspaltung weitere Kernspaltung anregen könnten, und somit eine Kettenreaktion entstehen würde.

    Den Beweis für diese Hypothese lieferten Otto Hahn und Fritz Straßman, indem sie 1938 in Berlin einen Urankern durch Neutronen-Beschuss spalteten.

    Da die deutschen Forscher keine weiteren Erkenntnisse über die Atombombe veröffentlichten, man sich aber sicher war, dass diese weiterhin an der Entwicklung einer Atombombe arbeiteten, um einen Vorteil im Zweiten Weltkrieg zu erlangen, richtete sich eine Gruppe renommierter Wissenschaftler an den amerikanischen Präsidenten Franklin D. Roosevelt.

    In einem Brief beschworen sie den Präsidenten, Geld für die Entwicklung einer Atombombe bereitzustellen, um den Deutschen zuvorzukommen.

    Daraufhin wurden große Mengen Geld für die Forschung an Atomwaffen bereitgestellt und 1942 das Manhattan-Projekt unter der Leitung von Robert Oppenheimer ins Leben gerufen.

    Am 16. Juli 1945 wurde in New Mexico die erste Atombombe über New Mexico getestet, ehe die erste Atombombe am 6. August über Hiroshima gezündet wurde.

  • Gib die möglichen Bauweisen einer Atombombe an.

    Tipps

    Damit eine Atombombe explodiert, muss die kritische Masse erreicht sein.

    Vereinigt man mehrere kleinere, nicht kritische Massen zu einer großen, kann so die kritische Masse erreicht werden.

    Lösung

    Damit die nukleare Kettenreaktion des radioaktiven Materials einer Atombombe nicht schon im Labor oder im Flugzeug erfolgt, muss diese über einen Zündmechanismus verfügen, der die Kettenreaktion in Gang setzt.

    Man unterscheidet grundsätzlich zwei verschiedene:

    Das Gun-Prinzip

    Hier ist das spaltbare Material in Form zweier Halbkugeln, deren einzelne Massen die kritische Masse nicht erreichen, an den gegenüberliegenden Enden eines Rohres angebracht. Durch die Zündung einer Treibladung wird eine Halbkugel auf die andere geschossen. Da die so entstandene Kugel die kritische Masse übersteigt, wird die nukleare Kettenreaktion und damit sehr viel Energie freigesetzt und die Bombe explodiert.

    Das Hohllkugel-Prinzip Im Ausgangszustand liegt das spaltbare Material hier in Form einer Hohlkugel vor, die in dieser Konfiguration nicht die kritische Masse erreicht. Durch ringsum angebrachte Sprengladungen wird diese Hohlkugel bei Zündung zu einer massiven Kugel verdichtet, die kritische Masse so überschritten und es kommt zu Explosion.

  • Nenne die physikalischen Prinzipien, die bei einer Atombombe genutzt werden.

    Tipps

    Die Effektivität der Atombombe basiert auf dem Schneeballeffekt.

    Kernspaltung setzt die Kernenergie frei.

    Lösung

    Die beiden wesentlichen Mechanismen der Kernphysik, anhand derer man das Wirkungsprinzip der Atombombe erklären kann, sind:

    Erstens: die Kettenraktion der Kernspaltung, also die Tatsache, dass die Spaltung eines Atomkerns freie Neutronen erzeugt, die wiederum weitere Kerne zur Spaltung anregt, wenn ausreichend spaltbares Material an einem Ort vereinigt ist.

    Zweitens: Kernspaltung unter Neutronenbeschuss.

    Ein instabiler Atomkern spaltet sich unter dem Beschuss mit Neutronen. Dadurch wird mehr Energie frei, als durch das beschleunigte Neutron zugefügt wird, Also etwa so, als hätten wir eine große Steinkugel auf einem Berg durch einen kleinen Stoß ins Rollen gebracht.

    Durch diese beiden Mechanismen ist zu erklären, dass mit geringer Energiezufuhr (theoretisch reicht ein beschleunigtes Neutron aus) weitere Energie durch Kernspaltung und damit weitere Neutronen freigesetzt werden können, die wiederum noch mehr Kerne aufspalten und deren Kernenergie freisetzen.

    Gewissermaßen handelt es sich hier um einen Schneeballeffekt. Das heißt, ein Stein stößt zwei weitere an. Diese stoßen vier weitere an und so weiter.

  • Erkläre, warum in der Natur keine spontanen Kettenreaktionen auftreten.

    Tipps

    Waffenfähiges Uran ist sehr selten.

    Die Herstellung einer Atombombe ist sehr aufwendig und kostenintensiv.

    Lösung

    Die grundlegende Voraussetzung dafür, dass eine nukleare Kettenreaktion ablaufen kann, ist das Erreichen der kritischen Masse.

    Es muss eine große Menge reinen, spaltbaren Materials wie etwa Uran an einem Ort vereinigt sein, damit die Voraussetzung der kritischen Masse erfüllt ist. In der Natur kommt Uran aber nur in geringen Konzentrationen etwa in radioaktiven Mineralien vor, die niemals die kritische Masse erreichen.

    Das spaltbare natürliche Uran kommt etwa nur in einer Konzentration von $0,7%$ in einigen seltenen Mineralien vor.

    Da diese Konzentration sehr gering ist, kann eine natürliche Atombombe nicht auftreten, da die kritische Masse nur künstlich von Menschen erzeugt werden kann.

    Indem die geringen Mengen des spaltbaren Urans aus den Mineralien gewonnen werden, können größere Mengen des waffenfähigen Materials gesammelt und zu einer Atombombe zusammengesetzt werden. Glücklicherweise sind diese Mineralien sehr selten, sodass der Aufwand der Uran-Gewinnung sehr groß und teuer ist. So kann sich nicht jeder ohne weiteres eine Atombombe bauen.

  • Gib die Teilschritte der atomaren Kettenreaktion an.

    Tipps

    Bei einer Kettenreaktion löst eine Reaktion viele weitere aus.

    Eine Kettenreaktion ist es auch, wenn ein Domino-Stein weitere antößt.

    Lösung

    Die atomare Kettenreaktion ist darauf zurückzuführen, dass ein beschleunigtes Neutron, wenn dieses auf einen instabilen Atomkern trifft, bewirkt, dass dieser sich spaltet und dadurch Energie und weitere Neutronen abgibt.

    Da bei der Kernspaltung mehr als nur ein weiteres Neutron freigesetzt wird, sind nun mehrere (im Bild drei) freie und beschleunigte Neutronen vorhanden.

    Diese stoßen jeweils einen weiteren Kern an, sofern sich ausreichend spaltbares Material in der Nähe befindet. Dadurch wird also mehr als nur ein Kern gespaltet und es werden im Beispiel $3\cdot 3 = 9$ also $9$ Neutronen frei, die wiederum $9$ weitere Kerne spalten können.

    Dieser Effekt wird als Kettenreaktion bezeichnet.

    Da dieser sehr schnell abläuft wird in weniger $\mu \text{s}$ sehr viel Material gespalten und dadurch sehr viel Energie frei.

    Aus diesem Grund ist eine Atombombe derart zerstörerisch.

  • Erkläre, was die kritische Masse der nuklearen Kettenreaktion ist.

    Tipps

    Die kritische Masse bezeichnet eine Grenze.

    Treffen die Neutronen keine weiteren Atomkerne, so findet keine Kettenreaktion statt.

    Lösung

    Damit eine nukleare Kettenreaktion ablaufen kann muss eine kritische Masse eines spaltbaren Materials an einem Ort vorhanden sein.

    Ist die kritische Masse erreicht, liegen die instabilen Kerne so nah beieinander, dass diese bei ihrem Zerfall die umliegenden Kerne ebenfalls zum Zerfall anregen.

    Stell dir das so vor wie eine Menschenmenge in der Bahnhofshalle Ist die Halle nur zu einem geringen Teil gefüllt und eine Person stößt eine andere an, gibt es keine Kettenreaktion. Die angestoßene Person wird ein wenig geschubst, man entschuldigt sich und nichts weiter passiert.

    Ist die Halle jedoch sehr voll, und eine Person wird angestoßen, so wird deren Bewegung nach dem Stoß weitere Personen in ihrer Bewegung beeinträchtigen und deren Ausweichen wiederum die Bewegung weiterer Personen. Es läuft eine Kettenreaktion ab.

    Der Parameter, der sich bei den Beispielen geändert hat, ist dabei nur die Menschenmasse, die in der Bahnhofshalle war. Der Effekt, der bei kleinen Massen auftritt, ist jedoch ganz anders als der Effekt in der vollen Halle.

    Ist die Halle zu einem kritischen Anteil gefüllt, wird ein Stoß weitere Stöße bewirken. Ist die Halle leer, hat ein einzelner Stoß keine weiteren Konsequenzen.

    Diese Beobachtung können wir auf die nukleare Kettenreaktion beziehen. Also erst, wenn eine bestimmte Masse spaltfähigen Materials sich eng an einem Ort drängt, bewirkt ein einzelner Anstoß eine Kettenreaktion. Diese Massengrenze nennt man kritische Masse.