Kernphysik

4.

In all diesen Versuchen wurden als Geschosse, die in die Kerne eindringen sollten, die natürlichen, von den radioaktiven Produkten gelieferten α-Strahlen benutzt. Während der letzten Jahre setzten nun Bemühungen ein, positive Atomreste durch so hohe Potentiale künstlich zu beschleunigen, daß auch ihre Kerne nahe genug an die Kerne der Versuchsobjekte herankommen konnten, um in Reaktion zu treten. Ursprünglich war die Meinung, daß man zu diesem Zwecke Energien von 1 M.e.V. und darüber würde erreichen müssen. Es hat sich aber gezeigt, zuerst im Jahre 1932 bei den Versuchen von Cockroft und Walton, daß man manchmal schon mit einigen hunderttausend e.V., wenigstens bei den leichten Elementen mit kleiner Kernladungszahl, auskommt. Dieser günstige Umstand, der auf Grund der klassischen Mechanik unverständlich ist, findet seine einfache Erklärung nach den Gesetzen der Wellenmechanik. Um die prinzipielle Seite dieser Angelegenheit zu beleuchten, sei

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angenommen, daß uns Teilchen von 1 M.e.V. zur Verfügung stehen, und daß wir diese auf ein Gebiet auftreffen lassen, in das sie nur unter Überwindung einer potentiellen Energie von 2 M.e.V. eintreten können. Nach den klassischen Gesetzen wird das keinem der Teilchen gelingen, alle werden am Rande des Gebietes zurückreflektiert. Das ist anders in der Quantentheorie. Hier ergibt sich, daß auch dann noch, wenn die zu überwindende potentielle Energie höher ist als die zur Verfügung stehende kinetische Energie, eine endliche Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß ein Teilchen die Grenze überschreiten kann. Es werden also zwar viele reflektiert, aber ein kleiner Teil, um so kleiner, je höher das zu überwindende Potential und je breiter der Potentialberg ist, dringt ein. Stellt man sich nun nach Gamow den Kern als ein Gebilde vor, in dessen Nähe das Potential zwar zunächst mit abnehmender Entfernung, wie das einer Punktladung, ansteigt, dann aber einen Höchstwert erreicht und danach wieder abfällt, so wird man selbst mit Teilchen, die den Potentialberg nach der klassischen Mechanik längst nich überwinden können, dennoch Erfolg haben, falls sie nur in genügend großer Zahl verwendet werden können. Bei der künstlichen Erzeugung schneller Teilchen kann man nun relativ leicht wesentlich größere Teilchenzahlen erreichen, als von den verfügbaren radioaktiven Präparaten geliefert werden. So erklärt sich der Erfolg mit relativ niedrigen Spannungen.

Als charakteristisches Beispiel sei die Kernreaktion gewählt, die auftritt, wenn Lithium mit Wasserstoffkanalstrahlen hoher Geschwindigkeit bombardiert wird. Sie läßt sich darstellen durch die Gleichung

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Aus dem Lithiumisotop der Masse 7 und einem Wasserstoffkern der Masse 1 entstehen also 2 Heliumatome der Masse 4. Die Energieverhältnisse werden durch die wieder auf die dritte Dezimale abgerundeten Atomgewichte beleuchtet. Die reagierenden Massen sind zusammen 7,017 + 1,008 = 8,025; die kinetische Energie der mit einigen hunderttausend Volt beschleunigten Wasserstoffkanalstrahlen würde erst in der folgenden Dezimale der Masse erscheinen und ist deshalb vernachlässigt.

Figur 1
Lithium durch Wasserstoffkanalstrahlen zertrümmert, die entstandenen He-Teilchen fliegen nach entgegengesetzter Richtung fort.

Aus diesen Massen entstehen nun 2 Heliumatome, deren Gesamtmasse nur 8,007 beträgt, es bleibt also ein Massenüberschuß von 0,018 verfügbar, und dieser tritt als kinetische Energie der He-Teilchen auf. Da der Impuls der auftreffenden H-Teilchen klein ist gegen den in einem He-Teilchen erzeugten Impuls, wollen wir ihn hier vernachlässigen. In dieser Näherung muß dann auch der gesamte erzeugte Impuls Null sein, d.h. die beiden He-Teilchen müssen in entgegengesetzter Richtung mit gleicher Geschwindigkeit fortfliegen.

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Jedes derselben hat dabei die Hälfte der verfügbaren Energie aufgenommen, in Masseneinheiten also 0,009, und da, wie schon früher bemerkt, 0,001 Masseneinheit rund 1 M.e.V. entspricht, bedeutet das die große Energie von rund 9 M.e.V. für jedes He-Teilchen. Der Prozeß ist u.a. von Kirchner mit der Wilson-Kammer photographiert worden, seine Aufnahmen lassen sehr schön die Bahnen der gleichzeitig mit gleicher Energie nach entgegengesetzten Richtungen fortfliegenden He-Kerne erkennen.

Der Prozeß ist prinzipiell sehr interessant, denn es ist hier auf Kosten der Masse verfügbare kinetische Energie in großem Ausmaße entstanden. Die 9 M.e.V. für jedes entstandene He-Teilchen bedeuten nämlich, daß man rund 500 000 Kilowattstunden gewinnen würde bei der Umsetzung von 7 g Li mit 1 g H zu He. Das ist eine Energiequelle von weitaus größerer Ergiebigkeit als die jetzt in der Technik gebräuchlichen. Von einer praktischen Anwendung ist man indessen noch sehr weit entfernt. Infolge des Umstandes nämlich, daß nur sehr wenige der beschleunigten Protonen den Kernprozeß ausführen, und die übergroße Mehrzahl ihre Energie sonstwie verliert, ist der Gesamtwirkungsgrad so klein, daß man alles in allem viel mehr Energie für die Beschleunigung aufwenden muß, als nachher in den seltenen Kernprozessen frei wird.

In den Tabellen sieht man, daß das gewöhnliche Lithium aus 2 Isotopen von den runden Atomgewichten 6 und 7 besteht. Der Prozeß, von dem oben die Rede ist, findet am Kern des Atoms ⁷₃Li statt; es steht zu erwarten, daß am begleitenden Atom ⁶₃Li gleichzeitig noch ein anderer Prozeß stattfindet. In der Tat sind die von natürlichen Li gelieferten α-Strahlen nicht

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einheitlich, es ist Rutherford und seinen Mitarbeitern gelungen, die Isotopen 6 und 7 rein darzustellen und sicherzustellen, daß der am Isotop 6 verlaufende Prozeß durch die Gleichung



beschrieben wird. Es entsteht also hier neben dem gewöhnlichen ⁴₂He das bis dahin unbekannte ³₂He mit dem Atomgewicht 3. Noch sehr viele andere interessante Kernreaktionen, z.B. mit Hilfe des schweren Wasserstoffisotops, hat man herbeiführen können. Wir gehen darauf nicht ein, sondern wenden uns jetzt der Entdeckung zweier neuer Elementarteilchen zu.