Physik Realschule Bayern › Materie › Jahrgangsstufe 10
Massendefekt, Kernspaltung und Kernfusion
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 10 · Bayern · Teilbereich Materie
Im Lernbereich Atom- und Kernphysik der 10. Jahrgangsstufe erklären Lernende die Äquivalenz von Masse und Energie, den Massendefekt und die Energiefreisetzung bei Kernspaltung und Kernfusion. Diese Prozesse liefern die Energie von Kernkraftwerken und der Sonne und verbinden die Kernphysik mit der Energieversorgung.
Masse wird zu Energie
Bei Kernreaktionen kann eine riesige Energiemenge frei werden. Woher kommt sie? Nach Albert Einsteins berühmter Gleichung sind Masse und Energie gleichwertig:
\( E=m\cdot c^2 \)
Dabei ist \(c\) die Lichtgeschwindigkeit \(\left(c=300\,000\,\mathrm{\frac{km}{s}}\right)\). Weil \(c^2\) eine riesige Zahl ist, steckt schon in winziger Masse sehr viel Energie. Bei Kernreaktionen ist die Gesamtmasse nach der Reaktion etwas kleiner als vorher. Diese fehlende Masse heißt Massendefekt, sie wurde in Energie umgewandelt.
Merke: Massendefekt: Bei Kernspaltung und Kernfusion ist die Gesamtmasse der Produkte kleiner als die der Ausgangskerne. Die verschwundene Masse wird gemäß \(E=m\cdot c^2\) in Energie umgewandelt.
Kernspaltung
Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern (zum Beispiel Uran-235) von einem Neutron getroffen und zerfällt in zwei mittelschwere Kerne sowie mehrere freie Neutronen. Dabei wird Energie frei. Die freigesetzten Neutronen können weitere Kerne spalten: Es entsteht eine Kettenreaktion.
Beispiel 1: Die Kettenreaktion
Warum kann aus einer einzigen Kernspaltung eine ganze Lawine von Spaltungen werden?
Antwort: Bei jeder Spaltung werden mehrere Neutronen frei, die ihrerseits weitere Kerne spalten. So verdoppelt und vervielfacht sich die Zahl der Spaltungen lawinenartig. In einem Kernreaktor wird diese Kettenreaktion kontrolliert (Steuerstäbe fangen überschüssige Neutronen ab), in einer Atombombe läuft sie ungebremst ab. Die frei werdende Energie erhitzt Wasser zu Dampf, der eine Turbine mit Generator antreibt.
Kernfusion
Bei der Kernfusion (Kernverschmelzung) passiert das Umgekehrte: Zwei leichte Kerne verschmelzen bei sehr hohem Druck und sehr hoher Temperatur zu einem schwereren Kern. Auch dabei ist die Masse danach kleiner als vorher, und es wird nach \(E=m\cdot c^2\) Energie frei, sogar noch mehr als bei der Spaltung.
Beispiel 2: Energie der Sonne
Woher bezieht die Sonne ihre Energie?
Antwort: In der Sonne verschmelzen bei Millionen Grad ständig Wasserstoffkerne zu Helium (Kernfusion). Die dabei durch den Massendefekt frei werdende Energie strahlt die Sonne als Licht und Wärme ab. Auf der Erde versucht man, diese Energiequelle in Fusionsreaktoren nutzbar zu machen; das ist technisch sehr schwierig, weil man die hohen Temperaturen und den Druck beherrschen muss.
Beispiel 3: Spaltung und Fusion gegenüberstellen
Was haben Kernspaltung und Kernfusion gemeinsam, was unterscheidet sie?
| Kernspaltung | Kernfusion | |
| Ausgangskerne | ein schwerer Kern | zwei leichte Kerne |
| Vorgang | Kern zerfällt | Kerne verschmelzen |
| Bedingung | Neutron trifft Kern | hoher Druck, hohe Temperatur |
| Energiequelle | Massendefekt (\(E=mc^2\)) | Massendefekt (\(E=mc^2\)) |
| Anwendung | Kernkraftwerk | Sonne, Fusionsreaktor (Forschung) |
Antwort: Beide gewinnen Energie aus dem Massendefekt nach \(E=m\cdot c^2\). Der Unterschied: Bei der Spaltung wird ein schwerer Kern zerlegt, bei der Fusion werden leichte Kerne zusammengefügt. Fusion liefert pro Masse noch mehr Energie und erzeugt weniger langlebigen radioaktiven Abfall.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Masse bleibt erhalten: Bei Kernreaktionen wird ein winziger Teil der Masse in Energie umgewandelt (Massendefekt).
- Spaltung und Fusion verwechselt: Spaltung = schwerer Kern zerfällt; Fusion = leichte Kerne verschmelzen.
- Fusion braucht ein Neutron: Nein, die Fusion braucht hohen Druck und sehr hohe Temperatur; das Neutron startet die Spaltung.
- Kettenreaktion bei der Fusion: Die Kettenreaktion gehört zur Spaltung (durch freie Neutronen).
- \(c\) statt \(c^2\): In \(E=m\cdot c^2\) wird die Lichtgeschwindigkeit quadriert; deshalb steckt in kleiner Masse so viel Energie.
Üben: Aufgaben zu Kernspaltung und Kernfusion
Zum Vertiefen gibt es Verständnisfragen im Quiz, passend zum Thema.
Vorheriges Thema: Aktivität, Halbwertszeit und Zerfallsgesetz
Nächstes Thema: Strahlenwirkung, Dosis und Strahlenschutz
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