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Einige Besonderheiten der bei der Kernspaltung des Urans und Thors entstehenden knstlichen Atomarten.

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Annalen der Physik. 5. FoZge. Band 36. 1939
EinBge BesonderheJten
der be6 d e r K e r n s p a l t u n g des U r a n s u n d Thorn
entstehenden TcciinstZJchert A t o m a r t e n
Tom O t t o Hahm
Die Spaltung des Urankernes in mittelschwere Elemente hat
sich schon heute als ein recht komplexer Vorgang heraus8estellt.
Bisher wurden aktive Atomarten von 1 4 oder 15 verschiedenen
chemischen Elementen festgestellt. Viele von diesen sind durch
mindestens drei verschiedene Isotope vertreten ; in einera Falle
(dem Tellur) scheinen nicht weniger als sechs kunstlich aktive
Atomarten’) beobachtet zu sein. Es sieht so aus, als ob mit genugend starken Strahlenquellen noch wesentlich mehr Spaltstiicke
des Urans aufgefunden werden konnen. Die Ausgiebigkeit der
einzelnen Spaltreaktionen ist offenbar nicht fur alle gleich. Heute
kann man schon Haupt- und Nebenreaktionen unterscheiden, wie
dies bei einem Vergleich der Jod- und der Bromisotopez) geschehen ist. Die letzteren entstehen in vie1 geringerer Intensitat
a19 die ersteren. So ist es durchaus moglich, da8 noch mancherlei
Begleitreaktionen mit neuen Erkenntnissen beobachtbar werden.
Die bei der Uranspaltung auftretenden Atomarten weisen nun
gegeniiber den auf die ubliche Weise entsteheriden kiinstlichen
radioaktiven Atomarten gewisse Unterschiede auf, die fiir kerntheoretische Fragen, aber auch fur Fragen ihrer praktischen Verwendbarkeit von einer gewissen Bedeutung sein konnen. Auf einige
dieser Punkte sei hier hingewiesen.
1. Da das Zerplatzen in die einzelnen Bruchstucke ein stark
exothermer Vorgang ist, besitzen die Bruchstiicke eine solche
kinetische Energie, da8 sie durch BiickstoB die bestrahlte Substanz
verlassen konnen; und zwar in erheblichem AusmaB, wenn das
Tragermaterial in verhaltnismaBig dunner Schicht vorliegt s). Man
kann dadurch noch wesentlich besser a15 dies fur natiirliche radio1) Ph. A b e l s o n , Phys. Rev. 66. s. 1. 1939,
2) 0. H a h n u. F. S t r a s s m a n n , Naturw. 27. S. 529. 1939.
3) L. M e i t n e r u. O . R . F r i s c h , Nature 143. S. 239, 471. 1939; F. J o l i o t ,
Compt. rend. 208. S. 341. 1939.
0. H u h . Kernspaltung des Urans und Thors usw.
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aktive Atomarten, die durch 01 - Strahlenumwandlung entstehen,
moglich ist'), die aktiven Atome in unendlich diinner Schicht frei
von irgendwelchen inaktiven Fremdstoffen gewinnen. Durch Zugabe
geeigneter Trager laBt sich dann die gewiinschte Substanz auf einfache Weise radioaktiv rein abscheiden. Bei den auf die bisherige
Weise gewinnbaren kunstlichen Atomarten muB man diese dagegen
von ihren in groBer Menge anwesenden Muttersubstanzen, die in
vielen Fallen die inaktiven Isotopen der kunstlichen Atomarten
sind, abtrennen, was nicht immer leicht durchzufuhren ist 2).
Physikalisch besonders interessant diirfte es auch sein, fur die
schweren Atomtriimmer sehr groBer Energie die Beziehung zwischen
Reichweite und Energie zu untersuchen, da das bisher hieriiber aus
gewohnlichen Kernumwandlungsversuchen vorliegende experimentelle
Material noch recht sparlich ist.
Da die einzelnen Stiicke der genannten Spaltungsreaktionen
durch ein auBerordentlich hohes Ionisierungsvermijgen ausgezeichnet
sind, lassen sie sich zweifellos auch photographisch nachweisen.
Vielleicht lassen sich lichtemp findliche Substanzen derart desensibilisieren, da8 sie weder durch 13- noch auch durch a-Teilchen, wohl
aber durch die Spaltungsstucke entwickelbar gemacht werden konnen.
Sollte dies einmal gelingen, dann konnte man die dabei gewonnenen
Erfahrungen auch auf den Nachweis derartiger Atomspaltungen
durch kosmische Strahlen verwertbar machen.
2. Die bei dem Zerplatzen des Urans entstehenden Bruchstiicke
haben, wenn nicht zugleich mit dem ZerplatzprozeB eine ganz erhebliche Anzahl von Neutronen a m einem oder beiden Bruchstucken
,,abdampfen", ein fur ihre Ordnungszahl zu hohes Atomgewicht, so
daB sie nicht stabil sein konnen3). Sie miissen daher, entgegen den
auf den bisherigen Wegen herstellbaren kiinstlichen Atomarten, erst
eine grogere oder kleinere Reihe von ,9-Strahlenumwandlungen erfahren, bevor sie in eine stabile Atomart iibergehen. Zwei Beispiele
sollen dies veranschaulichen: Aus dem urn ein Neutron vermehrten
angeregten Urankern vom Atomgewicht 239 entsteht beim Zerplatzen
primar ein Krypton- und ein Bariumisotop. Das Krypton wandelt
1) O . H a h n u. L. Meitner, Phys. Ztschr. 10. S. 697. 1909.
2) Uber die Abtrennung der aktiven Atomarten von ihren inaktiven
Tragerisotopen in unendlich kleiner Menge, vgl. z. B. 0. E r b a c h e r u.
K. P h i l i p p , Ztschr.Phys. Chem. (A) 176. S. 169. 1936; 0. E r b a c h e r , Ztschr.
Phys. Chem. (B) 42. S. 173. 1939.
3) M . D o d 6 , H . v . H a l b a n jun., F. J o l i o t u. L . K o w a r s k i , Compt.
rend. Acad. Sci. Paris 208. S. 995. 1939; G. v. D r o s t e u. H. Reddemann,
Naturw. 27. S. 371. 1939.
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Annabn der Physik. 5. Folge. Band 36. 1939
sich mit einer Halbwertszeit von etwa 3 Std.l) um in ein schon
fruher auf anderem Wege hergestelltes Rubidiumisotop von 17 Min.
Halbwertszeit, dem das Atomgewicht 88 zuzuschreiben ist a). Aus
ihm entsteht das stabile Strontium 58. Das Krypton hat also
ebenfalls das Atomgewicht 88. Dem anderen Reaktionsteilnehmer,
dem Barium, mu6 man also ein Atomgewicht von 239 - 88 = 151
zuordnen, falls keine Neutronen verdampft wiirden. Das bisher
bekannte schwerste stabile Bariumisotop hat das Atomgewicht 138 !
Selbst unter der Annahme, daB einige Neutronen abdampfen, ist
dies Atomgewicht immer noch viel zu hoch. Das Barium wandelt
sich daher unter (3-Strahlenemission weiter um. Es zerfdlt mit
einer Halbwertszeit von 14 Min. in ein Lanthan von 2,5 Stunden
und bildet damit ein Cerisotop. Vermutlich ist aber auch dieses
noch nicht stabil - das hochste stabile Cerisotop hat das Atomgewicht 142
und man kann erwarten, daB die Umwandlung noch
bis zum Neodym weitergeht. Sichergestellt ist bisher die Reaktion
aber nur bis zu dem aktiven Lanthan.
Ein anderes Beispiel ist das Zerplatzen des Urans in Xenonund Strontiumisotope. Eines von diesen Xenonisotopen mu6 das
Atomgewicht 139 haben. Denn es wandelt sich uber ein Caesium
in das schon langer bekannte Bariumisotop mit der Halbwertszeit
Ton 86 Min. urn3), das zweifellos das Atomgewicht 139 hat4). Zu
dem Xenonisotop vom Atomgewicht 139 gebiirt also primar ein
Strontium vom Atomgewicht 100, wahrend das hochste stabile
Strontium ein Atomgewicht von nur 88 hat. Nimmt man an, da6
bei diesem ProzeB ungefahr 3 Neutronen abdampfen, d a m wird
das Strontium vermutlich noch uber ein Yttrium mindestens in
Zirkon ubergehen. Yttrium wurde als Umwandlungsprodukt des
Strontiums schon festgestellt 5).
3. Unter den zahlreichen aktiven Umwandlungsprodukten der
Kernspaltung befinden sich also eine ganze Anzahl, die nach den
iiblichen Methoden entweder gar nicht oder nur mit viel geringerer
Ausbeute erhalten werden. Auch solche Produkte werden sich dann
als Indikatoren fur chemische oder biologische Versuche mit Vorteil
-,
1) 0.H a h n u. F. S t r a s s m a n n , Naturw. 27. S. 529. 1939; als Spaltprodukt des Thoriums schon vorher nachgewiesen durch A. L a n g s d o r f jun.,
Phys. Rev., 56. S. 205. 1939.
2) F. A. H e y n , A. H. W. A t e n , C. J. B a k k e r , Nature 143. S. 516, 639.
1939; 0. H a h n u. F. S t r a s s m a n n , Naturw. 27. S. 529. 1939.
3) 0. H a h n u. F. S t r a s s m a n n , Naturw. 27. S. 89. 1939.
4) M. L. P o o l , J.M. C o r k u.K.L. Thornton,Phys.Rev.b2. S.239.1937.
5) C1. L i e b e r , Naturw. 27. S. 421. 1939.
0. Hahn. KermpaZtung des Urans und Thors usw.
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heranziehen lassen. Sehr geeignet unter diesen Atomarten sind
z. B. die aktiven Jodisotope mit den bequemen Halbwertszeiten
von 18,5 Stn. und 8 Tagenl); die zahlreichen Tellur-, Rarium- oder
Strontiumisotope und dergleichen.
4. Ein im Institut des Verf. seit einer Reihe von Jahren
behandeltes Arbeitsgebiet ist die Untersuchung von Oberflachenausbildung und Oberilachenanderungen von amorphen oder kristallisierten radioaktiv indizierten Niederschlagen nach der ,,Emaniermethode". Der Betrag der aus solchen Niederschliigen en tweichenden
Emanation dient als Indikator2). Bei den bisher fur diese Untersuchungen verwendeten Emanationen Radon und Thoron setzt sich das
,,EmaniervermogenLLzusammen aus dem durch a-RuckstoB entweichenden Teil der Emanation und dem durch Diffusion entweichenden
Anteil. In einer der Theorie des Ema.niervermogens gewidmeten
Arbeit behandeln Fliigge und Z i m e n s die hierbei auftretenden
Fragen, die z. B. fur die Untersuchung katalytisch wirkender
Niederschlage von Bedeutung sind3). Nun befinden sich bei den
Spaltprodukten des Urans und des Thoriums, wie wir gesehen
haben, auch die aktiven Edelgase Krypton und Xenon. Das Krypton
z. B. hat eine Halbwertszeit von ungefahr 3 Std. Wird ein Uranoder Thorpraparat also mehrere Stunden lang bestrahlt, dann bildet
sich eine durch sein Umwandlungsprodukt Rubidium leicht nachweisbare Menge des aktiven Edelgases. Nach Unterbrechung der
Restrahlung ist dieses in der bestrahlten Substanz homogen verteilt.
E s kann dann je nach den Oberflachenbedingungen des Uran- oder
Thorpraparats oder auch je nach deren Weiterbehandlung in
groBerem oder geringerem AusmaB durch Diffusion entweichen.
Der sich auBerhalb des Praparats dann absetzende ,,aktive Niederschlag" Rubidium gibt ein MaB fur die reine Diffusion aus dem
Praparat, da eine RiickstoBwirkung nach der Bestrahlung nicht
mehr in Frage kommt. Beim Thorium konnte man also den Betrag
an Rubidium mit dem des natiirlichen aktiven Niederschlags ThB + C
vergleichen, und dabei auf eine neue Weise die reine Diffusion
abtrennen von der Summe aus Diffusion und RiickstoB, die fur den
Betrag an ThB + C auberhalb des Praparats verantwortlich ist.
AuBerdem bietet sich dann die Moglichkeit, Diffusionsvorgange
nicht nur an den schweren Emanationsatomen, sondern auch an
1) P h . A b e l s o n , Phys. Rev. 66. S. 670, 876. 1939; 0. H a h n u. F.
S t r a s s m a n n , Naturw. 27. S. 531. 1939.
2) Vgl. z. B. eine Reihe von Arbeiten aus dem genannten Forschungsgebiet in Ztschr. Phys. Chem. (B) 42. H. 314. 8.111. 1939.
3) S. Fliigge u. K. E. Z i m e n s , Ztschr. Phys. Chem. (B) 42. S. 179. 1939.
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Annulen der Physik. 5. Folge. Band 36. 1939
leichteren Edelgasen wie Krypton und Xenon zu studieren und
vielleicht GesetzmaBigkeiten im Gang der Diffusionskonstanten mit
dem Atomgewicht festzustellen.
Bei dem noch in voller Entwicklung befindlichen Studium der
Kernspaltungsprozesse sind durch die obigen Beispiele sicher noch
nicht alle Besonderheiten der Bruchstucke erfaBt. Die kurzen
Hinweise werden aber gezeigt haben, daB man auch durch diese
neuartigen Kernreaktionen weitere Kenntnisse von theoretischer und
praktischer Bedeutung gewinnen kann.
B e r l i n - D a h l e m , Kaiser-Wilhelm-Institut fur Chemie.
(Eingegangen 9. September 1939)
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