Simulation zeigt, wie sich ein Atomkern in zwei Teile spaltet

Das Wort „Atom“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet „unteilbar“. Doch die Bezeichnung ist irreführend.

Eine Simulation US-amerikanischer theoretischer Physiker liefert erstmals eine vollständig mikroskopische Beschreibung jenes Augenblicks, in dem ein Atomkern in zwei Teile zerbricht. Sie eröffnet neue Einblicke in ein energiereiches Ereignis, das eine neue Epoche von Wissenschaft und Technologie prägte.

1938 zeigte sich, wie unzutreffend dieses kleine Wort ist: Die Physiker Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Strassmann wiesen nach, dass sich Urankerne in zwei Teile aufspalten, wenn sie mit Neutronen beschossen werden.

Trotz ihrer Nutzung in Krieg, Energieerzeugung, Medizin und Forschung gibt die Kernspaltung ihre Geheimnisse auch Jahrzehnte später nur langsam preis.

Jenseits vereinfachter Vorstellungen, nach denen Protonen und Neutronen wie Kugeln in einem Spender zusammenliegen, ist der Kern eines schweren Atoms ein turbulenter Schauplatz quantenmechanischer Aktivität.

Schon bei ruhenden, isolierten Atomen ist es schwierig zu verstehen, wie sich einzelne Nukleonen verhalten und miteinander wechselwirken. Bei Kernen, die tiefgreifende Umwandlungen durchlaufen, wird diese Aufgabe noch erheblich komplexer.

Die vier Phasen der Kernspaltung

Um den Vorgang übersichtlicher zu machen, teilen theoretische Physiker des Los Alamos National Laboratory und der University of Washington (UW) die Kernspaltung in vier Schritte ein.

Während der ersten 10^-14 Sekunden, ungefähr jedenfalls, zwingt ein langsam einfallendes Neutron den Atomkern dazu, sich auszubeulen und neu zu ordnen. An diesem sogenannten Sattelpunkt ähnelt das Atom ein wenig einer winzigen Erdnussschale.

Darauf folgt die deutlich schnellere Phase vom Sattelpunkt bis zur Trennung, in der die Spaltfragmente festgelegt werden. Sie dauert etwa 5×10^-21 Sekunden.

Die dritte Etappe verläuft noch rasanter und nimmt nur einen vergleichsweise kurzen Moment von 10^-22 Sekunden in Anspruch. Bei der sogenannten Trennung, dem Halsabriss, zerfällt der Kern endgültig.

Im letzten Schritt, der sich über vergleichsweise gemächliche 10^-18 Sekunden erstreckt, nehmen die Spaltfragmente ihre Form an und beschleunigen voneinander weg. Dabei werden Neutronen und Gammastrahlen freigesetzt; nach einer kurzen Verzögerung können möglicherweise weitere Zerfallsprozesse einsetzen.

Simulation des Halsabrisses im Atomkern

Mehrere Theorien beschreiben, wie subatomare Teilchen beim Übergang von der Erdnussform zum Auseinanderbrechen wandern. Häufig stehen jedoch Versuchsergebnisse entweder im Widerspruch zu grundlegenden physikalischen Annahmen oder lassen sich nicht mit „mikroskopischen“ Modellen der Wechselwirkungen einzelner Protonen und Neutronen vereinbaren.

Die Quanten-Vielteilchen-Simulation basiert auf einem Ansatz des Hauptautors und UW-Physikers Aurel Bulgac. Sie soll bislang am präzisesten zeigen, was genau beim Halsabriss geschieht: in dem Moment, in dem sich die Verbindung zwischen den beiden Hälften eines großen Atomkerns verengt und trennt.

Für die Berechnungen zu Uran-238, Plutonium‑240 und Californium-252 unter unterschiedlichen Ausgangsbedingungen wurde der Supercomputer des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums intensiv eingesetzt.

„Dies ist wahrscheinlich die präziseste und sorgfältigste theoretische Beschreibung des Halsabrisses, ohne Annahmen und Vereinfachungen“, sagt Bulgac.

„Wir haben eine sehr konkrete Vorhersage, die es bislang nicht gab. Frühere Theorien beruhten stets auf der Annahme: ‚Nehmen wir an, dass dies geschieht, und falls es geschieht, dann wird dies wahrscheinlich beobachtet werden.‘ Das haben wir nicht getan. Wir haben lediglich die seit vielen Jahrzehnten in der Kernphysik mit hoher Präzision bekannten Bewegungsgleichungen sowie die Quantenmechanik eingesetzt, sonst nichts.“

Energiereiche Neutronen bei der Spaltung

Die Simulation brachte einige unerwartete Erkenntnisse zum Spaltvorgang ans Licht. Während bestimmte Modelle beim Halsabriss eine ausgeprägte quantenmechanische Zufälligkeit vorhergesagt hatten, erkannte das Modell des Teams eine deutliche „Falte“ in der Dichte subatomarer Teilchen, die dem Entstehen des Trennungspunkts vorausging.

Zudem schien sich der Zeitpunkt der Aufspaltung für die beiden Nukleonenarten zu unterscheiden: Der Protonenhals brach zuerst, erst danach der Neutronenhals.

Entscheidend ist, dass die Simulation umstrittene Vorschläge bestätigte, wonach während der Trennungsphase hochenergetische Neutronen freigesetzt werden. Das Modell sagte sogar ihre Energien, ihre Winkelverteilung und ihre Fluchtrichtungen voraus.

„Die meisten Experimente suchen nach ihnen in Bewegungsrichtung der Spaltfragmente, und dort konnten sie die Trennungsneutronen nicht unterscheiden, weil die meisten von ihnen thermische Neutronen waren, die von den heißen Fragmenten ausgesandt wurden“, erklärt Bulgac.

Mit diesen Vorhersagen besteht der nächste Schritt darin zu prüfen, ob Experimente die neuen Erkenntnisse darüber bestätigen, wie sich das „unteilbare“ Atom in zwei Teile spaltet.

Diese Forschung wurde in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.