Meilenstein der Physikgeschichte: Die Entdeckung der Kernenergie

Vor genau 80 Jahren, am 11. Februar 1939, gaben die Atomphysikerin Lise Meitner und ihr Neffe Otto Frisch in einem Artikel für die Zeitschrift Nature die erste physikalisch-theoretische Erklärung der Kernspaltung. Nur wenige Wochen zuvor, im Januar desselben Jahres, hatte Otto Hahn, Nobelpreisträger für Chemie 1944, eine Abhandlung über seine wissenschaftlichen Versuche zur Kernspaltung veröffentlicht. Unsere Blogautorin Judith Reichel blickt auf die Ereignisse im Jahr 1939 zurück, die den Beginn des Atomzeitalters einläuteten.

80 Jahre sind eine lange Zeit. Sie entsprechen in etwa der heutigen Lebenserwartung eines Neugeborenen in Westeuropa. Zwischen einem der Meilensteine der Physik und seinem 80. Jahrestag 2019 hätte also ein ganzes Lebensalter Platz gehabt. Seinerzeit gab es noch keine Mobiltelefone, keine Algorithmen – ja man wusste noch nicht einmal, was DNA ist. Ein damals erstmals beobachtetes Phänomen allerdings wurde durch eine Reihe bahnbrechender wissenschaftlicher Artikel unsterblich: die Kernspaltung.

Die Kernspaltung beschreibt einen Prozess, bei dem sich der Kern eines Atoms in kleinere Teile aufspaltet. Sie wurde im Dezember 1938 im Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin entdeckt und im Januar 1939 in Stockholm nachgewiesen. Bei diesem Vorgang, der den physikalischen und chemischen Mechanismus darstellt, welcher der Explosionskraft von Kernwaffen sowie der kontrollierten Freisetzung von Energie in Kernreaktoren zugrunde liegt, werden riesige Energiemengen freigesetzt. Wie wir heute wissen, kann eine Kernspaltung extern durch eine Kernreaktion ausgelöst werden oder auf natürliche Weise im Rahmen eines radioaktiven Zerfallsprozesses stattfinden.

Lise Meitner und Otto Hahn in ihrem Labor im Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin, 1913.

Der deutsche Chemiker Otto Hahn, der diesen Prozess im Jahr 1938 entdeckte und seine Beobachtungen Anfang 1939 veröffentlichte, gilt vielen als ‚Pate‘ der Kernspaltung. Im Jahr 1944 erhielt er „für seine Entdeckung der Spaltung schwerer Kerne“ den Nobelpreis für Chemie.

Doch er arbeitete nicht allein. Einer seiner wichtigsten Mitstreiter war Lise Meitner, die bei der Verleihung des Nobelpreises bekanntermaßen leer ausging. Die beiden trafen sich in Berlin, wo die aus Wien stammende Meitner als erste Frau unter Max Planck studieren durfte. Sie und Hahn forschten mehr als 20 Jahre lang gemeinsam am Institut für Chemie der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft, dem Vorgänger der heutigen Max-Planck-Gesellschaft. Zu Beginn hatte Meitner in Hahns Arbeitsgruppe lediglich Gaststatus und bezog kein Gehalt. 1926 aber wurde sie die erste ordentliche Physikprofessorin in Deutschland. Sie selbst bezeichnete ihre Zeit in Berlin häufig als ihre wissenschaftlich produktivsten und vergnüglichsten Jahre. Aufgrund ihrer jüdischen Herkunft war sie jedoch gezwungen aus Hitler-Deutschland zu fliehen und übersiedelte 1938 nach Schweden.

Zusätzlich arbeiteten in Hahns in Deutschland ansässiger Arbeitsgruppe Otto Robert Frisch, der Neffe von Lise Meitner, sowie Fritz Strassmann, ein früherer Student und späterer Assistent von Hahn.

Ihre Forschung basierte auf den Ergebnissen des italienischen Physik-Wunderkinds Enrico Fermi, dem für seine Arbeit zur induzierten Radioaktivität 1938 – im Alter von nur 37 Jahren – der Nobelpreis für Physik verliehen wurde. Fermi nutzte die spätere Preisverleihung, um in die USA zu emigrieren, wo er später am Manhattan Project und schlussendlich an der Entwicklung der ersten Atombombe beteiligt war.

Doch zurück zur Forschung von Hahn, Meitner und Co. Es heißt – und ist anhand eines Briefwechsels zwischen Hahn in Berlin und Meitner in ihrem Stockholmer Exil Ende 1938 und Anfang 1939 dokumentiert –, dass Hahn und Strassmann Uran mit Neutronen beschossen hatten und über ihre Ergebnisse verwundert waren. Damals war Uran das schwerste bekannte Element, und die Wissenschaftler erwarteten und hofften, dass durch Neutronenbeschuss noch schwerere Elemente, die sogenannten Transurane, entstehen würden. Die generierten Teilchen waren jedoch leichter als Uran, was Strassmann und Hahn gleichermaßen verblüffte. Am 17. Dezember 1938 fanden die beiden schließlich heraus, dass es sich bei dem vermeintlichen Transuran-Element in Wirklichkeit um Barium handelte, das etwa halb so groß ist wie Uran. Hahn, der bezüglich der Bedeutung dieser unerwarteten Ergebnisse noch immer ratlos war, beschrieb sie Meitner in einem Brief und fragte nach, ob sie eine Erklärung dafür hätte.

Praktisch zeitgleich mit dem Schreiben an Meitner reichten Hahn und Strassmann zudem unter ihrem Namen ein Paper über ihre Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift „Die Naturwissenschaften“ ein, das im Januar 1939 – weniger als einen Monat nach ihren Versuchen – veröffentlicht wurde.

 

„Die Kernspaltung beschreibt einen Prozess, bei dem sich der Kern eines Atoms in kleinere Teile aufspaltet.“ © iStock, blueringmedia

 

Aufgrund der früheren und exklusiven Korrespondenz mit Hahn hatten Meitner und Frisch gegenüber ihren Berliner Kollegen einen Vorsprung, als es darum ging, eine Erklärung für die beobachteten Effekte zu finden. Sie erarbeiteten über Weihnachten 1938 eine Theorie, die sie anschließend im Labor testeten. Ihr Verfahren basierte auf dem neu entwickelten „Tröpfchenmodell“, laut dem der Kern eines Atoms aufgrund dessen, dass die Anziehungskraft zwischen Protonen und Neutronen größer ist als die Abstoßungskräfte zwischen den Protonen, stabil ist. Je schwerer jedoch die Elemente sind, umso schwächer werden die stabilisierenden Kräfte. Wird also ein schweres Element wie Uran mit Neutronen beschossen und eines dieser Neutronen dringt in den Atomkern ein, ist das fragile Gleichgewicht gestört und der Kern bricht auseinander, wobei riesige Energiemengen (sowie Neutronen) freigesetzt werden. Entsprechend dieser Hypothese sollte das Uran in zwei hochenergetische Atomkerne zerbrechen, die wiederum eine Ionisierung der sie umgebenden Luft bewirken. Genau diese Ionisierung wurde von Meitner und Frisch nachgewiesen. Sie veröffentlichten ihre physikalisch gestützte Theorie zur Kernspaltung von Uran am 11. Februar 1939 in einem Artikel in der Fachzeitschrift Nature. Im März des gleichen Jahres publizierten Meitner und Frisch einen weiteren Artikel in Nature, in dem die „(…) durch die Spaltung des Urankerns“ generierten Atomkerne der Elemente näher beschrieben wurden. Zwar war die Arbeit von Meitner und Frisch in Schweden für das Verständnis und die Deutung der von Hahn und Strassmann beobachteten Ergebnisse entscheidend und hatte bereits davor die Grundlagen der für die Spaltung des Urankerns geeigneten Versuchsbedingungen geliefert, dennoch erhielt nur Hahn den Nobelpreis.

Otto Hahn, Werner Heisenberg, Lise Meitner und Max Born während der 12. Lindauer Nobelpreisträgertagung 1962. © Lindau Nobel Laureate Meetings

Die Entdeckung der Kernspaltung war eine Meisterleistung, doch zog zugleich auch erhebliche Auswirkungen nach sich. Heute stehen wir der Kernkraft oftmals skeptisch und sogar ängstlich gegenüber. Die größte Gefahr stellt die unkontrollierte Kettenreaktion dar: wie oben beschrieben wird bei der Spaltung nicht nur Energie freigesetzt, sondern es entstehen auch Neutronen. Wird also nicht nur ein einzelnes Uranatom mit Neutronen beschossen, sondern ein Atom in einer Gruppe von Uranatomen, lösen die entstandenen Neutronen eine solche gewaltige Kettenreaktion aus. In einem Kernkraftwerk wird diese Reaktion stabil auf einem Mindestmaß gehalten, bei der Atombombe dagegen sorgt dieses gigantische Potential für die verheerende Explosionskraft.

Als Hahn, Meitner und Co. die zugrunde liegenden Mechanismen der Kernspaltung beleuchteten, hatten sie Hiroshima oder Tschernobyl jedoch nicht vor Augen, sie wollten die Prozesse nur verstehen. Otto Hahn selbst äußerte sich sehr offen missbilligend darüber, dass seine Entdeckung als Waffe eingesetzt wurde.

Was Lise Meitner betrifft, so hatte ihre Geschichte ein etwas versöhnlicheres Ende: Obwohl sie nie offiziell mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, wurde sie 1962 zu den jährlichen Nobelpreisträgertagungen in Lindau eingeladen, an denen sie neben Otto Hahn teilnahm.

Während eines Vortrags auf der Lindauer Tagung 1952 blickte Otto Hahn auf die Ereignisse von 1939 zurück und berichtete dem Publikum, wie die Entwicklung der Radiochemie zur Spaltung des Urankerns geführt hat. Hören Sie den historischen Vortrag in unserer Mediathek. Weitere Informationen finden Sie in unserem aktuellen Topic Cluster „Radioactivity und X-Rays“.

 

Judith M. Reichel

About Judith M. Reichel

Judith M. Reichel, PhD, is a science communicator in English and German. A neuroscientist by training, she fully transitioned to the communication side after a 2-year Postdoc in New York. Now based in Berlin she covers applied research in biotechnology and bio-based economy on a daily basis, while keeping up with science policy issues on her blog brainandbeyond.

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