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Atombombe – Entwicklung, Aufbau und Funktion

Die Atombombe nutzt die Kernspaltung für massive Zerstörung. Erfahre im Video, wie sie funktioniert, wer sie entwickelt hat und welche Auswirkungen sie hatte. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Atombombe – Entwicklung, Aufbau und Funktion
lernst du in der Sekundarstufe 3. Klasse - 4. Klasse

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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.