Glückauf, Jg. 69, No. 3

GLÜCKAUF

Berg- und Hüttenmännische Zeitschrift

Nr. 3 21. Januar 1933 69. Jahrg.

Die Z e rtrü m m e ru n g d er A tom e1.

Von Professor Dr. F. Pa n e t h , Königsberg i. Pr.

G r o ß e w is s e n s c h a ftlic h e F o r tsc h r itte b leib en in der Ö ffe n tlic h k e it o f t Jah re u n d J a h rzeh n te u n ­ b em erkt. G e le g e n tlic h aber k om m t e s v o r, d aß e in e E n td eck u n g a u s ir g e n d w e lc h e n G r ü n d en rasch die A u fm erk sa m k eit w e ite r K reise fin d e t und dann

— m e ist in F orm e in e s m eh r o d e r w e n ig e r v e r ­ sta n d en en S c h la g w o r te s — in d a s p o p u lä r w is s e n ­ sc h a ftlic h e S ch rifttu m u n d in d ie T a g e s b lä tte r ü b er­

g e h t; d an n ist e s o f t nur n och ein S ch ritt b is zu a lle n m ö g lic h e n E n ts te llu n g e n und Ü b ertreib u n g en , ja o ft bis zu a b sich tlich em S c h w in d e l und B etru g . A lle s d ie s kan n m an bei den E r ö rteru n g en über »A tom ­ zertrü m m eru n g« erk en n en .

T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n d e r A t o m z e r t r ü m m e r u n g .

W a s v e r ste h t d ie W is s e n s c h a f t u n te r A to m - z e r trü m m eru n g ? H ie r is t z u n ä c h st f e s t z u s te lle n , daß zw ar die F o r m , in d e r d ie s e s P ro b lem je t z t au f- tritt, u n d d e m e n tsp r e c h e n d auch d a s W o r t » A tom ­ zertrü m m eru n g« n eu ist, d ie S a ch e s e lb s t aber b ereits u ralt. H in te r d ie se m P r o b le m s t e h t — u n d d ie s e r ­ k lärt w o h l auch d ie b e str ic k e n d e W ir k u n g , d ie e s a u f L a ien k reise a u sü b t — n ich ts a n d e r e s a ls d ie e h r ­ w ü r d ig e A l c h e m i e , je n e K u n st, o d e r v ie lle ic h t b e sse r g e s a g t , je n e r G la u b e an d ie V erw a n d elb a rk eit der c h e m isc h e n E le m e n te , der sich , e tw a v o m 3. Jahr­

h u n d ert u n se r e r Z eitre ch n u n g a n g e fa n g e n , b is tie f in d a s 18. J a h rh u n d ert h in ein v e r fo lg e n lä ß t. Im 19. J a h rh u n d ert sch ien d er T rau m d er A lc h e m iste n e n d g ü lt ig a u sg e tr ä u m t, a b er g e g e n d ie Ja h rh u n d ert­

w e n d e w u r d e e r p lö tz lic h und zu a llg e m e in e m E r­

sta u n en W a h r h e it durch die E n td e c k u n g der r a d i o ­ a k t i v e n E r s c h e i n u n g e n . A n d er R ic h tig k e it der B eo b a c h tu n g , d aß im G e b ie t der ra d io a k tiv en S to ffe E le m e n te n eu e n ts te h e n , k o n n te n ich t g e z w e if e lt w e r d e n ; e s lä ß t sich o h n e S c h w ie r ig k e it in jed em L ab oratoriu m z e ig e n , d aß z. B. d a s E le m e n t H eliu m in fr isc h e n S a lz e n d e s R a d iu m s n ich t e n th a lte n ist, daß e s aber nach w e n ig e n T a g e n o d e r W o c h e n e in w a n d fr e i an se in e m S p ek tru m darin erk en n b ar ist.

H ier h a t sic h a ls o d a s E le m e n t H e liu m a u s dem R adium g e b ild e t! D ie s w a r d er e r s te F a ll ein er w is s e n ­ sc h a ftlic h b e stä tig te n E le m e n tv e r w a n d lu n g .

T r o tz d e m k o n n te m an d ie s e B eo b a c h tu n g kaum a ls e in e F ö r d e r u n g d e s a lc h e m istisc h e n P r o b le m s an- se h e n ; d en n d a s H e liu m en tsta n d n ich t nur o h n e m e n s c h lic h e s Z utun, so n d e r n a lle E x p e r im e n tie r k u n st d er P h y sik e r und C h em ik er e r w ie s sich a ls a u ß er­

sta n d e, d ie M e n g e d e s sich e n tw ic k e ln d e n H e liu m s in ir g e n d e in e r W e is e zu v e r ä n d e r n ; m an k o n n te se in e E n tste h u n g w e d e r b e s c h le u n ig e n n o ch v e r z ö g e r n . D ie R a d iu m fo r sc h u n g h ätte d ah er kaum w e s e n tlic h zur

1 Vortrag, gehalten auf der 5. Technischen Tagung des Vereins für die bergbaulichen Interessen in Essen am 21. Oktober 1932.

L ö su n g d er a lc h e m istisc h e n F r a g e b e ig e tr a g e n , w en n nicht a u f ih rem B o d en auch d ie th e o r e tis c h e E rk en n t­

n is er w a c h se n w ä r e , w a r u m d ie V e r w a n d lu n g der c h em isch en E le m e n te a u ß erh a lb d e s W ir k u n g s b e r e ic h s m en sc h lic h e r E x p e r im e n tie r k u n st la g . D ie E rk läru n g h ie r fü r g a b d ie a u f G rund r a d io a k tiv er B eo b a ch tu n g en a u f g e s te llte L ehre v o m B au d er A to m e, d ie sich an d ie N a m en R u t h e r f o r d und B o h r k n ü p ft. E in e d er w ic h ­ tig s te n G r u n d la g e n d er R u t h e r f o r d - B o h r s c h e n A t o m t h e o r i e is t d ie U n te r sc h e id u n g z w isc h e n » E lek ­ tro n e n v o r g ä n g e n « und »K ern v o rg ä n g en « . N ach d ieser T h e o r ie b e ste h t n äm lich d a s A tom j e d e s c h em isch en E le m e n ts a u s ein em p o s itiv g e la d e n e n K ern, d e r nur ein en v e r sc h w in d e n d k lein en T e il d e s G e sa m tr a u m e s d e s A to m s ein n im m t, u n d den n e g a tiv e n E le k tr o n e n , d ie d ie se n Kern in v e r w ic k e lte n B ah n en u m k r e ise n . A ls B e is p ie le sin d in den Abb. 1 u n d 2 d ie A to m e d er E le m e n te W a s s e r s to ff , H e liu m , L ithium , K o h le n s to ff,

jo -Jcm t f f f l

U(3)

H e (2)

Abb. 1. Schematische Darstellung des Atombaus leichter Elemente.

N e o n , N a triu m und R adium w ie d e r g e g e b e n . N ic h t nur d ie B a h n fo rm d e r E le k tr o n e n , so n d e r n auch ihre A n zah l kann d u rch p h y s ik a lis c h e u n d c h e m isc h e V or­

g ä n g e g e ä n d e r t w e r d e n . W e n n z. B. ein N a triu m a to m in d a s N a tr iu m -Io n ü b e r g e h t, s o d e u te t d ie s d ie R u th e r fo r d -B o h r sc h e T h e o r ie in d er W e is e , d a ß d a s ä u ß e r ste E le k tr o n d e s N a tr iu m s den A to m v erb a n d v e r lä ß t und d e r R e st d ad u rch n ic h t m ehr n eu tra l, so n d e r n m it ein e r p o s itiv e n L ad u n g v e r se h e n zu rü ck ­ b leib t. In ä h n lic h e r W e is e lä ß t sich , w e n ig s t e n s g r u n d ­ sä tzlich , je d e d u rch ch e m isc h e o d e r p h y s ik a lis c h e

K räfte h e r v o r g e b r a c h te Ä n d eru n g erk lä re n . B ei a llen d ie s e n V o r g ä n g e n b leib en aber d ie K erne der A to m e u n v e r ä n d e r t; d a j e d e s c h e m isc h e E le m e n t durch ein en K ern v o n g a n z b e stim m te r e le k tr isc h e r L a d u n g g e ­ k en n z e ic h n e t ist, g ib t d ie s e r S a tz v o n d er E r h a l t u n g d e r A t o m k e r n e d ie th e o r e tis c h e E r k lä r u n g fü r d ie U n m ö g lic h k e it, c h e m isc h e E le m e n te ' in ein a n d er zu v e r w a n d e ln . A lle g r ö ß e ti E r fo lg e d er C h e m ie d e s 1 9 . J a h r h u n d e r ts - d ie auch a u f w ir ts c h a ftlic h e m G e b ie t s o b ed e u te n d w a ren , d a ß sie d a s B estreb en , d u rch G o ld m a c h e r k u n st reich zu w e r d e n , g a n z v e r ­ g e s s e n lie ß e n — b eru h ten d e m n a ch nur a u f E in g r iffe n in d ie E le k tr o n e n a n o r d n u n g d er A to m e ; n ie m a ls hab en d ie v o n der C h e m ie h e r v o rg eb ra ch ten s t o f f ­ lich en V erä n d eru n g en ir g e n d e in e n A tom k ern b e­

e in flu ß t.

Abb. 3. Bahnen von a-Teilchen in Stickstoff.

Abb. 2. Schematische Darstellung des Radiumatoms.

A u s d er in ihren G ru n d z ü g e n g e s c h ild e r te n T h e o r ie ließ sic h a b er au ch k la r e r k e n n e n , d aß e in e E le m e n tv e r w a n d lu n g s o f o r t h e r b e ig e fü h r t w erd en k ö n n te , so fe r n e s g e lä n g e , d en Kern ir g e n d e in e s A to m s zu v erä n d ern , n äm lich ihm e in e g r ö ß e r e o d e r g e r in g e r e p o s itiv e e le k tr isc h e L a d u n g zu e r te ile n . Z u n ä ch st m a g e s ü b erra sch en d e r sc h e in e n , d aß e s tr o tz d er U n g eh eu ern E n e r g ie m e n g e n , d ie der n e u z e it­

lich en T ech n ik zur V e r fü g u n g ste h e n , n ich t m ö g lic h g e w e s e n ist, e in e , w e n n auch nur b e sc h e id e n e M e n g e e in e s c h e m isc h e n E le m e n ts in d ie s e r W e is e zu v e r ­ w a n d e ln . U m d ie h ier v o r lie g e n d e S c h w ie r ig k e it zu v e r ste h e n , m uß m an sich v e r g e g e n w ä r tig e n , d aß g r o ß e E n e r g ie n fü r d a s v o r lie g e n d e P r o b le m k ein en N u tz e n b r in g e n , w e n n s ie n ich t in ih rer W ir k u n g z u s a m m e n g e fa ß t a u f d ie K erne d er e in z e ln e n A to m e g e r ic h te t w e r d e n k ö n n en . D er P h y sik e r d rü ck t d ie s s o a u s, d a ß in e in e m e in z e ln e n > E le m e n ta r p r o z e ß ­ e in e g e n ü g e n d e E n e r g ie zu r V e r fü g u n g ste h e n m uß.

W a s d ie s h e iß t, w ird v ie lle ic h t am d e u tlic h ste n ein B e is p ie l erk lä re n . N im m t m an an, d aß e in e M a u e r 5 m h o c h ist, d an n w ir d auch d er b e ste T u r n ie r r e ite r m it se in e m P ferd n ich t h in ü b e r se tz e n k ö n n e n , u n d zw a r d e s w e g e n , w e il se in P fe r d nich t g e n ü g e n d E n e r g ie zu e in e m s o lc h e n S p r u n g b esitzt. H ie r w ird w o h l n iem a n d a u f d en G ed a n k e n k o m m en , d ad u rch die M a u er zu b e z w in g e n , d aß m an an S te lle e in e s R eiters 2 o d e r 1 0 0 o d e r 1 0 0 0 0 0 R eiter g e g e n d ie M a u er au- r e ite n lä ß t; e s is t in d ie s e m F a ll v o lls t ä n d ig klar, d a ß k ein e in z ig e s P fe r d h in ü b erk o m m en kann, s e lb s t w e n n d ie E n e r g ie v o n 1 0 0 0 0 0 P fe r d e n e in g e s e tz t

w ird , w e il eb en im e in z e ln e n » E lem en ta rp ro zeß « die n ö tig e E n e r g ie k o n z e n tr a tio n nich t v o rh a n d e n ist. In g a n z ä h n lic h e r W e is e m uß m an sich v o r s t e lle n , daß d ie stä rk sten a u f ein c h e m isc h e s E le m e n t lo s ­ g e la s s e n e n m ech a n isch en o d er e le k tr isc h e n E n erg ien v o lls tä n d ig w ir k u n g s lo s sin d , w e n n n ich t am Kern der e in z e ln e n A to m e e in e g e w is s e — a u s d e r T h eo rie ab z u sc h ä tz e n d e — E n e r g ie k o n z e n tr a tio n err e ic h t w ird.

D ie s p ä te m A u sfü h r u n g e n w erd en a lle r d in g s zeig e n , d aß d a s G le ic h n is n ich t g e n a u stim m t, so n d e r n nach d er n eu sten F orm d er A to m th e o r ie , d ie durch d ie s o ­ g e n a n n te Q u a n ten m ech a n ik g e g e b e n ist, m erk­

w ü r d ig e r w e is e d o ch g e le g e n t lic h d er e in e o d e r andere

»R eiter« in n ich t n ä h er a u fz u k lä r e n d e r W e is e über die M au er h in ü b er g e la n g e n kann.

V e r f a h r e n d e r A t o m z e r t r ü m m e r u n g . W ied eru m w a r e s d ie r a d io a k tiv e F o rsch u n g , d ie ein M itte l in d ie H a n d g a b , in einem E le m e n ta r p r o z e ß g e n ü g e n d E n e r g ie an d ie Kerne d er e in z e ln e n A to m e h e r a n z u b r in g e n . U n te r den S tra h len d er ra d io a k tiv en S to f fe sin d am w irk ­ sa m ste n d ie a - S t r a h l e n ; d ie s e b e ste h e n aus den K ernen von H e liu m a to m e n , d ie m it einer a u ß e r o r d e n tlic h h o h en G e s c h w in d ig k e it v o n den ra d io a k tiv en S to ffe n a u s g e s e n d e t w e r d e n . Die s c h n e lls te n a -T e ilc h e n erreich en d en fü r m a te r ie lle P a rtik el U n geh eu ern W e r t v o n >,10 d er L icht­

g e s c h w in d ig k e it u n d sin d darum m it g a h z u n ­ g e w ö h n lic h h o h er E n e r g ie b eg a b t. W ie erw ä h n t, ist der g r ö ß te T e il d er A to m e le e r b zw . nur

•s t e lle n w e is e v o n d en k r e ise n d e n E le k tr o n e n be­

strich en , und d ie g a n z e M a te r ie d e r A tom e ist in ihrem Kern k o n z e n tr ie r t. D ie s erk lärt, w aru m d ie a -T e ilc h e n , d ie ja s e lb s t n u r d ie A b­

m e s s u n g e n v o n A to m k ern en b e sitz e n , a u f ihrer B ahn, d ie sic h z. B. in L uft a u f m eh rere Z en tim eter erstreck t, im a llg e m e in e n nich t m it d en K ernen anderer A to m e z u sa m m e n sto ß e n . M an m uß aber erw a rten , und der V ersu ch b e stä tig t e s , d aß e s rein z u f ä llig von Z eit zu Zeit v o rk o m m t, daß ein a -T e ilc h e n a u f den Kern e in e s in s e in e r Bahn b e fin d lic h e n än d ern A to m s a u ftr ifft. M an ist auch d a rü b er u n te r r ic h te t, w a s im F a lle e in e s s o lc h e n Z u sa m m e n sto ß e s g e s c h ie h t, denn e s g ib t ein V erfa h ren , d ie Bahn d er a -T e ilc h e n im R a (<fS)

7 0 ~ * c m

21. J a n u a r 1933

59

L ichtbilde fe s tz u h a lte n . A bb. 3 z e ig t e in e g r o ß e Zahl so lch er B a h n en von a -T e ilc h e n in S tic k s to ffg a s und läßt e r k e n n e n , daß Sie im w e s e n tlic h e n g e r a d lin ig v er­

la u fe n ; d ie s b e w e is t, daß im a llg e m e in e n kein Z u­

sa m m e n sto ß e r fo lg t. A n ein er S te lle je d o c h s ie h t m an d eu tlich , d aß d a s a -T e ilc h e n den Kern e in e s Stick- s t o ffa to m s g e tr o f fe n und d ie s e n d ab ei in B e w e g u n g g e s e tz t h a t —■ v e r m ö g e s e in e r g r o ß e m M a sse le g t e s nur ein en se h r kurzen W e g zurück —, w ä h ren d d a s a -T e ilc h e n s e lb s t in ein e r a b g e le n k te n R ich tu n g w e ite r ­ g e f lo g e n ist. G e le g e n tlic h aber hat ein s o lc h e r Zu­

sa m m e n sto ß e in e s a -T e ilc h e n s m it ein em A tom k ern auch w e ite r g e h e n d e F o lg e n . In Abb. 4 s ie h t, m an bei ein em e n tsp r e c h e n d e n Z u sa m m en sto ß n eb en ein er kurzen Bahn au ch e in e se h r fe in e , v iel lä n g e r e neue Bahn. U n te r su c h u n g e n v o n R u t h e r f o r d in C a m ­ bridge h a b en im Jahre 1 9 1 9 d en B e w e is erbracht, daß a u s d e m S t i c k s t o f f a t o m e i n W a s s e r s t o f f t e i l ­ c h e n h e r a u s g e s c h l e u d e r t w ir d ; d en n nur d as leich te W a s s e r s to ff a to m k ann e in e E rk lä ru n g fü r die seh r fe in e , d a fü r aber la n g e B ahn b ieten . D ie V er­

suche sin d v o n R u t h e r f o r d und s e in e n M itarb eitern so w ie von än d ern F o rsch ern f o r t g e s e tz t w o r d e n und haben g e z e ig t , daß n ich t nur S tic k s to ff, so n d ern ein e g r o ß e Z ahl v o n leich ten E le m e n te n zur A u sse n d u n g von W a s s e r s to ff s tr a h le n v e r a n la ß t w e r d e n kan n , w en n ein a -T e ilc h e n den Kern d ie s e r leich ten A to m e tr ifft.

Abb. 4. Zertrümmerung eines Stickstoffatoms durch ein a-Teilchen.

B ei sc h w e r e n A to m en hat m an m it a -T e ilc h e n k ein e Z ertrü m m eru n g b eo b a ch ten k ö n n e n ; d er G ru n d d afü r lie g t d arin, daß z w isc h e n d er p o sitiv e n L ad u n g d es a -T e ilc h e n s u n d d er se h r h o h e n p o sitiv e n L ad u n g der sc h w e r e n A to m e stark e A b sto ß u n g sk r ä fte w irk en und d a s a -T e ilc h e n d a h er tro tz se in e r g e w a ltig e n E n erg ie n ich t a u f den Kern a u fz u tr e ffe n v erm a g . B ei d ie s e r G e le g e n h e it s e i aber e r w ä h n t, daß nach den n e u ste n V e r su c h se r g e b n isse n im R u th erfo rd sch en L ab oratoriu m s o w ie in W ie n u n d in B erlin m anche A to m e, d ie durch a -S tr a h le n u n a n g reifb a r sin d , zer­

trü m m ert w e r d e n k ö n n en , w e n n m an e tw a s a n d ere G e s c h o s s e v e r w e n d e t. M an hat g e fu n d e n , d a ß d ie

a -T e ilc h e n a u s le ic h te n A to m en , w ie z. B. B e r y lliu m , s o g e n a n n te N e u t r o n e n fre im a c h e n ; d a s sind m a te r ie lle T e ilc h e n von d er M a ss e 1, die zum U n te r ­ sch ied v o n den K ernen d e r W a s s e r s to ff a to m e k ein e p o sitiv e L ad u n g b e sitz e n , so n d ern e le k tr isc h n eutral sin d . E s ist b ereits b e w ie se n w o r d e n , d aß S a u e r s to ff, ein g e g e n a -S tr a h le n b e s tä n d ig e s E le m e n t, durch N e u tr o n e n g e s p a lte n w ird , und e s ist rech t w a h r ­ sc h e in lic h , daß sich d ad u rch auch bei d en sch w eren E le m e n te n E r fo lg e e r z ie le n la s se n .

D ie A u sb e u te n , in d en en W a s s e r s t o f f au s ändern E lem en ten in F r e ih e it g e s e t z t w erd en kann, sin d a lle r d in g s bei a llen d ie se n V ersu ch en ä u ß erst g e r in g . S e lb s t u n ter den g ü n s t ig s t e n B e d in g u n g e n , w e n n e tw a d a s leich t zertrü m m erb are E le m e n t A lu m in iu m m it ein em seh r stark en R ad iu m p räp arat b e sc h o s se n w ird , m ü ß te m an e tw a 1 M ill. Jahre w a r te n , e h e d ie in F r e ih e it g e s e t z te M e n g e W a s s e r s t o f f au ch nur 1 cm 3 a u sm a ch t. A b g e se h e n d a v o n , d aß d ie m e n g e n ­ m ä ß ig en E r fo lg e bei d en b ish er b e sp r o c h e n e n V er­

fa h ren d er E le m e n tv e r w a n d lu n g s o a u ß e r o r d e n tlic h u n g ü n s tig sin d , v e rd ien en sie auch n ich t in v o lle m S inn d en N a m en ein er k ü n stlic h e n V e r w a n d lu n g d er E le m e n te , da m an zu ihrer A n w e n d u n g ja d u rch au s an d ie n atü rlich v o r sic h g e h e n d e n V o r g ä n g e der r a d io a k tiv en U m w a n d lu n g g e b u n d e n is t; d ie a - T e ilc h e n sin d ja d ie u n m ittelb a ren Z e r fa llsp r o d u k te der r a d io ­ a k tiven S to f fe , u n d d ie N e u tr o n e n str a h le n la s se n sich nur m it H ilfe v o n a-S trah len e r z e u g e n . D a s P rob lem w a r d ah er, ein en W e g zu fin d en , d er o h n e r a d i o ­ a k t i v e E n e r g i e z u f u h r E le m e n te zu zertrü m m ern g e s ta tte t.

Ä ltere V ersu ch e, e tw a durch stark e e le k tr isc h e S trö m e E le m e n te zu v e r w a n d e ln , sin d e r f o l g lo s v e r ­ la u fen . E s w ar a b erm a ls d ie T h e o r ie , d ie den W e g zu ein er V e r b e sse r u n g d er V e r su ch sa n o rd n u n g w ie s ; d ie G e s c h w in d ig k e it, m it der d ie a -T e ilc h e n flie g e n , m uß sich bei d en A to m en a n d erer E le m e n te w illk ü r ­ lich e r z e u g e n la s s e n , w e n n m an s ie durch ein P o te n tia l von e in ig e n M illio n e n V o lt b e sc h le u n ig t. M an g la u b te e in ig e Z eit, daß m an u n b e d in g t s o h o h e P o te n tia le erreich en m ü s se , e h e e in e k ü n stlic h e A to m z e r tr ü m m e ­ ru n g b e w e r k s te llig t w erd en k ö n n te ; aber sc h o n v o r e in ig e n Jahren h at d ie durch d ie Q u a n ten m ech a n ik e r m ö g lic h te g e n a u e r e E n tw ic k lu n g d e r T h e o r ie g e ­ z e ig t, daß auch s c h o n e in ig e 1 0 0 0 0 0 V fü r g e le g e n t ­ lich e A to m zertrü m m eru n g en g e n ü g e n d ü rften . H ier ist der P u n k t, w o d a s a n g e fü h r te B e isp ie l von den R eitern , d ie ü b er e in e M a u er se tz e n s o lle n , nicht m ehr stim m t; d ie Q u a n ten m ech a n ik g e s t a tte t n ä m lich , v o r a u s z u s a g e n , d aß bei ein e r se h r stark en V erm eh ru n g d er A n z a h l d er T e ilc h e n g e le g e n t lic h d o c h d a s ein e o d er a n d ere d ie F ä h ig k e it e r h ä lt, in ein em E le m e n ta r ­ p ro zeß d ie K erne a n d erer A to m e zu zertrü m m ern . A u f d ie s e r E rk en n tn is fu ß e n d , sin d d ie jü n g s te n E r­

f o l g e der E x p e r im e n ta lp h y sik e r w a c h se n , die zu ein er e r fo lg r e ic h e n Z ertrü m m eru n g d er A to m e g e fü h r t h ab en .

Bei d ie se n V ersu ch en b e ste h t d a s P r o b le m au s d rei g e tr e n n te n A u fg a b e n : 1. m uß ein P o te n tia l v o n der im m erh in n o ch b eträ ch tlich en H ö h e v o n e in ig e n 1 0 0 0 0 0 V erreich t w erd en , 2. g il t e s , e in e V e r su c h s­

a n o r d n u n g zu tr e ffe n , d ie e s g e s t a t t e t , m it d ie se m h o h e n P o te n tia l T e ilc h e n zu b e s c h le u n ig e n u n d a u f fr e m d e E le m e n te zu rich ten , und 3. m uß e in e A n ­ o r d n u n g v o rh a n d en s e in , d ie e m p fin d lic h g e n u g ist,

um e in e g e le g e n t lic h a u ftr e te n d e A to m z e r tr ü m m e r u n g auch n a c h z u w e ise n .

D a m an sich a n fa n g s d a v o r sc h e u te , m it P o te n tia le n von 1 M ill. o d e r g a r m eh reren M ill. V olt zu a r b e ite n , w u r d e n zu n ä c h st v e r sc h ie d e n e V ersu ch e g e m a c h t, d en A u fb a u d ie s e r h o h e n P o te n tia le zu u m ­ g e h e n . M an ersa n n v e r sc h ie d e n e s e h r g e is tr e ic h e S c h a ltu n g e n , d ie e s e r m ö g lic h e n , m it ein em b e­

stim m te n P o te n tia l e in e B e s c h le u n ig u n g g e la d e n e r T e ilc h e n zu e r z ie le n , d ie ein em V ie lfa c h e n d ie s e s P o te n tia ls e n ts p r ic h t. D ie V erfa h ren k o m m en im w e s e n tlic h e n d a r a u f h in a u s, d aß d a s g e la d e n e T e il­

ch en g e z w u n g e n w ird , m e h r m a ls d a s s e lb e P o te n tia l zu d u r c h la u fe n . D ie s k a n n e n tw e d e r d ad u rch g e s c h e h e n , d aß sic h d ie P o te n tia le a u f d er B ah n d e s T e ilc h e n s sy n c h r o n m it s e in e r B e w e g u n g e in - u n d a u s s c h a lte n , s o d a ß e s a u f ein em s p ä t e m T e il d er S treck e w ie d e r ein in d e r se lb e n R ich tu n g lie g e n d e s P o te n tia l d u rch ­ la u fe n m u ß , o h n e in d em d a z w is c h e n lie g e n d e n Stück g e g e n d a s P o te n tia l a n g e h e n zu m ü s se n , o d e r d a ­ du rch , d a ß d em T e ilc h e n d u rch Z u sa m m e n stö ß e in e in e m Z w isc h e n g e b ie t se in e L ad u n g g e n o m m e n w ird u n d e s e r st b ei dem z w e ite n E in tritt in d a s s e lb e P o te n tia l w ie d e r se in e L ad u n g e r h ä lt. A u f d ie s e V er­

s u c h e , d ie nur e le k tr o te c h n isc h e B e d e u tu n g h ab en , s e i h ier n ich t w e ite r e in g e g a n g e n , d a e s in d en le tz te n Jah ren g e lu n g e n ist, au ch u n m itte lb a r P o te n tia le von d er g e w ü n s c h te n G r ö ß e h e r z u s t e lle n ; nur d ie s e S c h a l­

tu n g e n e r m ö g lic h e n e s , d ie g r o ß e n E n e r g ie n a n ­ z u w e n d e n , d ie fü r e in e b e s s e r e A u sb e u te d er A tom - z e r tr iim m e r u n g sv e r su c h e n o tw e n d ig sin d .

Abb. 5. Schaltschema des 2,4-Mill.-V-Stoßgenerators mit Rohr- und Funkenstrecke.

D ie h ö c h ste n b ish er e r r e ic h te n P o te n tia le sind n ich t im L a b o ra to riu m g e w o n n e n w o r d e n , so n d ern in d en A lp e n durch A u sn u tz u n g d e r G e w i t t e r ­ e l e k t r i z i t ä t . Z w e i M ita r b e ite r d e s N e r n s t s c h e n In s titu ts in B e r lin , L a n g e u n d B r a s c h , h a b en a u f d em M o n te G e n e r o s o a tm o sp h ä r is c h e S p a n n u n g en w ä h r e n d d er G e w itte r a u fg e f a n g e n und f e s t g e s t e l lt , d a ß d ie a u f d ie s e m W e g e erreich b a ren P o te n tia le 1 2 - 1 4 M ill. V b e tr a g e n . A b er w e n n d a m it au ch d er e r s te T e il d er o b e n g e n a n n te n A u fg a b e n — E r z ie lu n g h o h e r S p a n n u n g e n — s e h r b e fr ie d ig e n d g e l ö s t w ar, e r w ie s e s sich p r a k tisc h a ls u n m ö g lic h , u n te r d ie s e n B e d in g u n g e n p h y s ik a lis c h e V ersu ch e a u sz u fü h r e n . L a n g e u n d B r a s c h g in g e n d a n n d a zu ü b er, im L a b o ra to riu m h o h e P o te n tia le zu e r z e u g e n . Sie w e n d e te n d a b ei d a s P rin zip d e s v o n E . M a r x e n t­

w ic k e lte n s o g e n a n n te n S t o ß g e n e r a t o r s an ( v g l. d a s S c h a ltsc h e m a in A bb. 5 ) . B ei d ie s e r A n o r d n u n g w ird e in P o te n tia l von 2 0 0 0 0 0 V an e in e R eih e von K o n d e n s a to r e n g e le g t , d ie s o g e s c h a lt e t sin d , d aß

e in p lö tz lic h ü b e r sp r in g e n d e r F u n k e d ie zu n ä ch st p a r a lle l g e s c h a lte te n K o n d e n sa to r e n fü r e in e n A u g e n ­ blick h in te r e in a n d e r s c h a lte t, w o d u r c h d an n e in e so v ie l M al g r ö ß e r e S p a n n u n g e n ts te h t, a ls d ie Zahl der K o n d e n sa to r e n b e tr ä g t. M it 1 2 K o n d e n s a to r e n , an d en en a n fa n g s d ie s e lb e S p a n n u n g v o n 2 0 0 0 0 0 V la g , w ird s o fü r d en B ru ch teil ein e r S ek u n d e e in e S p a n n u n g von 2 4 0 0 0 0 0 V e r z e u g t (A b b . 6 ) .

Abb. 6. Schaltanlage der AEG

zur Erzeugung einer Spannung von mehr als 2 Mill. V.

Z u n ä ch st kam e s nun d a r a u f an , d ie s o ku rze Z eit w ir k e n d e S p a n n u n g fü r d ie B e s c h le u n ig u n g v o n T e ilc h e n a u sz u n u tz e n . D ie g e n a n n te n b eid en F d r sc h e r h aben zu d ie s e m Z w eck ein R o h r e n tw ic k e lt, in dem d er A u s g le ic h d er L a d u n g en lä n g s d er R o h r w a n d u n g durch e in g e s c h a lte t e L a m ellen v e r h in d e r t w ird , und d e s s e n In n eres sich d a h e r zur B e s c h le u n ig u n g von T e ilc h e n h e r v o r r a g e n d g u t e ig n e t. D ie V e r su c h sa n o r d ­ n u n g is t a u s A bb. 7 e r sic h tlic h . Im A u g e n b lic k , in d em d er S to ß g e n e r a to r s e in e h o h e S p a n n u n g e r h ä lt, w erd en in d em R oh r z u n ä c h st E le k tr o n e n a u s g e lö s t , d ie ih r e r s e its b eim A u f tr e ffe n a u f d ie A n o d e W a s s e r ­ s t o ffte ilc h e n fr e i m a c h e n ; d ie s e e r h a lte n d a n n u n ter d er W ir k u n g d e s P o te n tia ls d ie g e w ü n s c h te B e­

sc h le u n ig u n g . D ie m it d ie s e m R o h r e r z ie lte n W ir k u n ­ g e n en tsp r a c h e n d en E r w a r t u n g e n ; z. B. b r in g e n die E le k tr o n e n , d ie m an durch ein d ü n n e s M e ta llf e n s te r a u s dem E n d e d e s R o h res a u streten lä ß t, d ie L u ft zum L euchten u n d r u fen in K rista llen e in e s t u n d e n la n g

Abb. 7. Versuchsanordnung von Lange und Brasch im Transformatorenwerk Oberschöneweide der AEG,

21. Januar 1933 G l ü c k a u f 61

anhaltende Phosphoreszenz hervor. Auch manche bemerkenswerte medizinische Anwendungen darf man wohl von diesen ungewöhnlich harten Strahlen er­

hoffen. Gerade für das hier behandelte Problem der Atomzertrümmerung bieten aber die nur stoßweise auftreienden Entladungen eine gewisse Schwierigkeit, weil hierdurch die einfachste Beobachtungsart mit Hilfe von Szintillationen erheblich erschwert wird.

Von den genannten drei Aufgaben sind daher in diesem Fall die erste und zweite in vorzüglicher Weise gelöst, die dritte jedoch, der Nachweis der Atom­

zertrümmerung, ist nicht so bequem möglich wie bei der Versuchsanordnung, die als letzte besprochen werden soll. Immerhin ist es aber L a n g e und B r a s c h gelungen, die nachstehend beschriebenen Cambridger Versuche auch mit ihrer Anordnung zu bestätigen und in mancher Hinsicht zu erweitern.

Abb. 8. Versuchsanordnung von Cockcroft und Walton im Cavendish-Laboratorium in Cambridge.

Den ersten einwandfreien Nachweis, daß sich durch nicht radioaktive Energien Atome zertrümmern lassen, verdankt man den Versuchen, die zwei junge Mitarbeiter von R u t h e r f o r d , C o c k c r o f t und W al to n , im Cavendish-Laboratorium in Cambridge ausgeführt haben. Sie begnügten sich mit einer Ver­

suchsanordnung, die im Höchstfälle' 800000 V her­

zustellen gestattete, und arbeiteten praktisch meist nur mit 1500 0 0 -3 0 0 0 0 0 V (Abb. S). Ihr Prinzip besteht ebenfalls darin, daß eine Reihe von Konden­

satoren erst parallel und dann hintereinander ge­

schaltet wird. Zum Unterschied von der Methode von M a r x sowie von L a n g e und B r a s c h kommt hier aber ein konstantes Potential zur Anwendung. Die Erzeugung der hohen Spannung dauert mehrere Stunden; man kann nur allmählich mit dem Potential hinaufgehen, weil das Rohr viel sorgfältiger aus­

gepumpt werden muß als das stets sofort versuchs­

bereite Lamellenrohr. Ist aber die hohe Spannung einmal gewonnen, dann lassen sich durch dieses konstante Potential die Teilchen während beliebig langer Versuchsdauern beschleunigen und genaue Szintillations-Beobachtungen anstellen, d. h. es läßt sich genau zählen, wieviel »Funken« durch die in Form von Strahlen ausgeschleuderten Atomtrümmer auf einem Leuchtschirm hervorgerufen werden. Die von C o c k c r o f t und W a l t o n erzielten Ergebnisse sind außerordentlich bemerkenswert. Läßt man z. B.

in der beschriebenen Weise beschleunigte Wasser­

stoffkerne (»Protonen«) auf das Metall Lithium auf­

treffen, so gehen von dem Lithium Strahlen aus, die erheblich mehr Energie enthalten als die auslösenden Protonen. Die nähere Untersuchung hat gezeigt, daß die getroffenen Lithiumkerne in der Weise zer­

springen, daß aus jedem Lithiumkern zwei Helium­

kerne herausfliegen. Jedoch gelingt es, nicht nur Lithium, sondern auch Beryllium, Bor, Fluor, ja sogar eine Anzahl schwerer Elemente, wie Blei und Uran, in ganz derselben Weise unter Heliumaussendung zu zertrümmern. Eine Übersicht über die relative Anzahl der aus den verschiedenen Elementen erhaltenen Strahlen gibt Abb. 9.

Das wichtigste Ergebnis dieser Versuche ist, daß man auch ohne die Verwendung radioaktiver Stoffe Atomkerne aufzuspalten vermag. Man kennt demnach heute bereits drei Verfahren zur Atomzertrümmerung, nämlich durch a-Strahlen, Neutronen und künstlich beschleunigte Protonen. Da diese drei Verfahren zu verschiedenen Erzeugnissen führen, sind den ex­

perimentellen Forschungen sehr aussichtsreiche Wege geöffnet, auf denen man in den nächsten Jahren zweifellos sehr viel Neues über den Bau der Atome erfahren wird.

3 0 JO 4 0 SO e o 7 0

O r d r u n g s z o /r / d e r ¿ / e r ? e r /e

Abb. 9. Vergleich der zertrümmernden Wirkung von Protonen auf verschiedene Elemente.

M ö g l i c h k e i t e n e i n e r p r a k t i s c h e n V e r w e r t u n g . Schon seit längerer Zeit ist sich die Wissenschaft klar darüber, daß die zu erzeugenden Stoffarten gar nicht so wertvoll sein können, um den zur Atom­

zertrümmerung nötigen Aufwand an Energie zu rechtfertigen. Aber eine andere Hoffnung schien auf­

zutauchen, nämlich daß neben der Stoffumwandlung Energiemengen frei würden, die nun ihrerseits das Verfahren wirtschaftlich zu gestalten vermöchten. Bei dem zuletzt erwähnten Beispiel des Lithiums hat das hineingeschossene Wasserstoffteilchen (Proton) nur eine Reichweite (Flugweite in Luft) von 1 cm, während die zwei Heliumkerne, die aus dem Lithium­

atom herausfliegen, je 8 cm Reichweite besitzen. Da

sie außerdem eine viermal so schwere Masse wie das

Wasserstoffteilchen haben, ergibt die Berechnung, daß

das öOfache der aufgewendeten Energie gewonnen

worden ist! Aus diesem Ergebnis ist in letzter Zeit

öfter in volkstümlichen Darstellungen, namentlich in

Tagesblättern, der Schluß gezogen worden, daß die

Cambridger Versuche eine praktische Energiegewin-

liung ermöglichen. Ist diese Auffassung berechtigt?

Wenn irgend jemand erklärt, daß ihm diese Energie­

gewinnung bereits in wirtschaftlich wertvoller Weise gelungen ist, soll man ihm dann Glauben schenken?

Zu der letzten Frage ist zu sagen, daß die Be­

hauptungen einzelner in den letzten Jahren auf­

getretener »Erfinder« für den Sachverständigen meist ohne weiteres als Irreführung zu erkennen waren, und zwar darum, weil sie Energieüberschüsse in Fällen zu gewinnen behaupteten, in denen dies wissenschaft­

lich ausgeschlossen ist. Als Beispiel sei erwähnt, daß vor ein paar Jahren im Ruhrbezirk ein Mann mit einem selbstverliehenen wohlklingenden Adelsprädikat auf­

getreten ist, der den Sauerstoff des Wassers in Wasserstoff verwandeln und auf diese Weise »Wasser als Brennstoff« verwenden wollte — übrigens ein ver­

hältnismäßig bescheidenes Ziel, wenn man imstande ist, Elemente in wägbaren Mengen ineinander zu ver­

wandeln. ln diesem Fall war es außerordentlich ein­

fach festzustellen, daß die Behauptung Schwindel sein mußte, da eine wichtige neuere Erkenntnis völlig übersehen war, nämlich die entscheidende Rolle, die geringe Massenunterschiede bei dem hier behandelten Problem der Atomverwandlung spielen. Ich will auf diesen Punkt, obwohl er einen Abstecher in das Gebiet der theoretischen Physik erfordert, zum Schluß noch eingehen, weil er für die Frage der Atom­

verwandlung von ausschlaggebender Bedeutung ist.

Zu den Lehrsätzen der Schulphysik und Schul- chemie gehören seit langem das Gesetz der Erhaltung der Masse und das Gesetz der Erhaltung der Energie.

Die neuere theoretische Physik hat aber gezeigt, daß diese Gesetze nicht unabhängig voneinander sind, sondern daß es eigentlich nur ein einziges G e s e t z d e r E r h a l t u n g d e r M a s s e u n d E n e r g i e gibt. Auch in einem geschlossenen System kann die Masse zu­

nehmen, wenn Energie aufgewendet wird, und die Energie zunehmen, wenn Masse verschwindet. Die Beziehung zwischen beiden wird durch die von E i n ­ s t e i n aus seiner Relativitätstheorie abgeleitete Formel

E - M ■ c2

ausgedrückt, worin E Energie, M Masse und c die Lichtgeschwindigkeit bedeutet. Da diese einen sehr hohen Wert hat, läßt die Formel, die das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit enthält, sofort erkennen, daß eine geringe Massenänderung mit einer ungeheuer großen Energieänderung verknüpft sein muß. Dies legt die Verpflichtung auf, auch verhältnismäßig kleine Massen­

änderungen, die bei der Verwandlung der Elemente ineinander auftreten, sehr genau in die Rechnung einzubeziehen. Aus der folgenden Zusammenstellung geht hervor, daß die Atomgewichte vieler Elemente fast genau ganze Zahlen sind, daß der Wasserstoff aber eine deutliche Ausnahme davon bildet; sein Atomgewicht ist 1,0078, also merklich größer als 1 . Wenn nun der erwähnte Erfinder recht hätte und Sauerstoff mit dem Atomgewicht 16,0000 sich in 16 Wasserstoffatome verwandeln ließe, dann würden diese nicht die Masse 16, sondern 16,125 haben. Diese Vermehrung der Masse würde einen Aufwand von 1 Bill. Kalorien erfordern, also 1 Mill. mal soviel, als man durch Verbrennung des so entstandenen Wasserstoffs gewinnen könnte. Darum konnte man ohne jeden Versuch sofort sagen, daß die behauptete Verwandlung von Sauerstoff in Wasserstoff voll­

ständig unmöglich und unsinnig ist.

Ordnungszahl Name des Elements Atomart Atomgewicht

I Wasserstoff . . . H 1,00778

2 H e l i u m ... He 4,00216 3 L ith iu m ... Li6 6,012

3 Li7 7,012

5 B o r ... Bio 10,0135

5 B11 11,0110

6 Kohlenstoff . . . C 12,0036

7 Stickstoff . . . . N 14,00S

8 Sauerstoff . . . . O ‘ 16,0000

9 F l u o r ... F 19,0000 10 N e o n ... N e20 20,0004

15 Phosphor . . . . P 30,9825

17 C h l o r ... CI” 34,983

17 CI37 36,980

18 Argon ... Ar36 35,976

18 Ar4“ 39,971

24 Chrom ... Cr52 51,948 30 Z in k ... Zn64 63,937 33 A r s e n ... As 74,934 35 B r o m ... Br7» 78,929

35 Br81 80,926

36 K ry p to n ... Kr78 77,926

36 Kr80 79,926

36 Kr82 81,927

36 Kr83 82,927

36 Krs4 83,928

36 Kr” 85,929

42 Molybdän . . . . Mo,s 97,916'

42 M o100 99,945

50 Z in n ... Sn112 111,918

50 Sn128 119,912

53 J o d ... J 126,932 54 Xenon ... X m 133,929 80 Quecksilber . . . H g200 200,016 82 B l e i ... Pb206 206,016

Für den in Cambridge gefundenen Vorgang der Verwandlung von Lithium in Helium unter dem Auf­

prall von Protonen ergibt sich, wenn man die genauen Atomgewichte der hauptsächlichsten Atomart des Lithiums (Li7) sowie des Wasserstoffs und Heliums einsetzt, folgende Gleichung

Li-t- H = 2 He + ? 7 ,0 1 2 + 1,0078 = 2 • 4,002 + 0,016

In Worten ausgedrückt heißt dies, daß Lithium und Wasserstoff zusammen um 0,016 Atomgewichts­

einheiten mehr Masse besitzen als die entstehenden zwei Heliumatome; soviel Masse verschwindet also bei dieser Elementverwandlung. Die genannte Ein- steinsche Gleichung gestattet zu berechnen, wieviel die der verschwindenden Masse entsprechende Energie beträgt. Soviel Energie wird frei werden, und daraus folgt im vorliegenden Fall, daß die herausfliegenden Heliumatome 6 0 mal mehr Energie besitzen müssen als das stoßende Wasserstoffteilchen; dieser 60fachen Energie entsprechen aufs beste die tatsächlich beob­

achteten Reichweiten von 8 cm. Dies war die erste unmittelbare versuchsmäßige Bestätigung der grund­

legenden Einsteinschen Formel, und das Ergebnis ist darum, wie wohl nicht weiter erläutert zu werden braucht, von allgemeinster wissenschaftlicher Be­

deutung. Es berechtigt, auch bei den übrigen auf­

geführten Atomen vorauszusagen, in welcher Rich­

tung Elementverwandlungen unmöglich und in welcher sie denkbar sind sowie welche Energien gewonnen werden können, falls es gelingt, die Verwandlung durchzuführen.

Ist es nun aber möglich, die Erfahrungen beim

Lithium und die ändern aus der Zusammenstellung zu

entnehmenden Schlußfolgerungen dazu zu verwenden,

um in w i r t s c h a f t l i c h e r W e i s e E n e r g i e zu g e ­

2 1 . J a n u a r 1933 G l ü c k a u f

w in n e n ? Leider nicht! Denn es ist wohl wahr, daß ein auf einen Lithiumkern günstig auftreffendes Wasser­

stoffteilchen das öOfache seiner Energie in Freiheit setzt, aber bei dem geschilderten Versuch trifft von den a-Teilchen nur etwa eins unter 1000 Mill. Daher muß bei dem Versuch eine unendlich viel größere Menge von Energie aufgewendet werden, als man zu ge­

winnen imstande ist. Nun wird man vielleicht geneigt sein, zunächst zu vermuten, daß hier nur eine Unvoll­

kommenheit der noch neuartigen Experimente vor­

liegt, und daß die Physiker es noch lernen werden, mit den a-Teilchen gewissermaßen zu zielen, damit nicht mehr so viele ihr Ziel verfehlen, sondern die Zahl der Treffer sich so weit vermehrt, um einen Energie­

gewinn zu gewährleisten. Daß ein Zielen aber völlig ausgeschlossen ist, zeigt eine einfache Überlegung der hier in Betracht kommenden Dimensionen. Man weiß, daß die Atomkerne nur die Größe von IO-13 bis 10~12 cm besitzen, während die Entfernung eines Atoms vom nächsten durch den Durchmesser der Atome, d. h.

rd. IO-8 cm, gegeben ist. Die Strahlungsquelle, von der aus man die Protonen auf das zu zertrümmernde Element losschicßt, wird auch im günstigsten Fall kaum weniger als % mm entfernt sein können. Um sich diese Größen etwas besser in ihrer gegenseitigen Beziehung vorzustellen, kann man sich die Kerne der Atome so weit vergrößert denken, daß sie 1 cm Dmr.

besitzen. Der Monddurchmesser beläuft sich dann auf einige 100 m, die Entfernung von y» mm aber steigt auf 500000 km, also mehr, als die Entfernung des Mondes von der Erde beträgt. Das Problem des Zielens würde also in diesem vergrößerten Maßstabe bedeuten, daß man auf Schießscheiben von 100 m Dmr., die sich auf dem Monde befinden, die Zentren von nur 1 cm Dmr. treffen und dabei ein Danebenschießen auf den übrigen Teil der Scheiben vermeiden muß.

Dieses Beispiel veranschaulicht schon eine der Schwierigkeiten, die einer Verbesserung der Ausbeuten entgegenstehen; jedoch sei nicht ganz verschwiegen, daß es noch ein grundsätzlicheres Hindernis als das erwähnte gibt. Die heutige theoretische Physik ist zu der Erkenntnis gekommen, daß man bei den Elementarvorgängen überhaupt darauf verzichten muß, die einzelnen Akte kausal zu lenken, und sich immer damit begnügen muß, mit Mittelwerten zu rechnen. Auch aus dieser Betrachtung, die ich hier nicht näher ausführen will, ergibt sich, daß die Lenkung der einzelnen Protonen genau auf die Kerne der Lithiumatome ganz außerhalb der menschlichen Fähigkeiten liegt. Vielleicht ist es aber ganz gut, daß die Gewinnung der großen interatomistischen Energie nicht so ohne weiteres möglich ist. Wenn wirklich jede Kugel ihr Ziel treffen, d. h. jedes von einem Erfinder losgeschleudcrte Proton das Atom eines ändern

Elements zum Explodieren bringen könnte, dann wären unter Umständen die Wirkungen ganz ver­

heerend. Es könnte geschehen, daß durch un­

vorsichtige Handhabung unsere Erde, oder das W elt­

all, sich in seine Bestandteile auflöst. Ein amerikani­

scher Physiker hat darum wohl nicht mit Unrecht gesagt, daß bei der Erschaffung der Welt dafür Sorge getragen worden sei, daß sie ebenso wie jede von einem sorgfältigen Ingenieur gebaute Vorrichtung

»foolproof« (narrenfest) ist.

Was daher die Aussichten einer praktischen Ver­

wendung der Atomzertrümmerung betrifft, so kann man wohl sagen, daß schwerlich ganz große Über­

raschungen zu erhoffen sind und ganz bestimmt nicht von Außenseitern. Denn ich glaube gezeigt zu haben, daß auch auf diesem für Fernerstehende so geheim­

nisvoll scheinenden Gebiet ein steter Fortschritt der zünftigen Wissenschaft zu verzeichnen ist. Ganz neu und unvorhergesehen war allerdings im Jahre 1897 die Entdeckung der Radioaktivität. Seit damals aber beobachtet man in den führenden Instituten aller Kulturländer ein zähes Vorwärtsdringen durch gründ­

lichste wissenschaftliche Arbeit, und die künstliche Zertrümmerung der Atome, die in letzter Zeit plötz­

lich soviel Staub aufgewirbelt hat, ist nichts als ein Glied in einer sehr langen Kette von zielbewußten experimentellen und theoretischen Arbeiten. Wenn ich auch nicht in Aussicht stellen konnte, daß jemals eine praktische Energiegewinnung durch Atom­

zertrümmerung möglich sein wird, so ist es doch vielleicht nicht unlohnend gewesen, sich einmal kurz mit einem Gebiet zu beschäftigen, das zu den wich­

tigsten und beziehungsreichsten der heutigen Physik und Chemie gehört.

Z u s a m m e n f a s s u n g .

Man kennt heute drei Verfahren, um die Kerne der Atome zu zertrümmern und dadurch Element­

verwandlungen zu bewirken: Beschießung mit a-Teil­

chen, mit Neutronen und mit Protonen. Wirksame a- und Neutronenstrahlen stellen uns bisher nur die radioaktiven Stoffe zur Verfügung; dagegen ist es gelungen, Protonenstrahlen von genügender Ge­

schwindigkeit künstlich zu erzeugen. Diese Versuche sind theoretisch besonders deshalb bemerkenswert, weil bei der Zertrümmerung der Atomkerne Strahlen von höherer Energie entstehen, als aufgewendet worden ist. Trotzdem ist wegen des Mißverhältnisses zwischen der geringen Zahl der getroffenen Kerne und der ungeheuer großen Zahl der hineingeschossenen Teilchen nicht zu erwarten, daß nach diesem Ver­

fahren jemals praktisch Energie gewonnen werden kann.

Einfluß des T em peraturgefälles im Stoß auf die Gesteinfestigkeit.

Von Diplom-Bergingenieur H. L ovvens, Duisburg.

(Schluß.)

Nachdem die erforderlichen, in der nachstehenden Übersicht zusammengestellten Stoffkonstanten vor­

liegen, ist man in der Lage, die auftretenden Temperaturspannungen nach den Formeln 1 - 3 zu

berechnen. In diesen kann man als Einheit der

Temperaturskala denTemperaturunterschied zwischen

Stoßwandung und Gebirgsinnerm wählen, d .h . T 0 1

setzen. Bei der Anwendung der Rechnungen auf den

praktischen Fall muß man die Spannungen dann mit

dem in Celsiusgraden angegebenen Temperaturunter­

schied zwischen Stoßwandung und Gebirgsinnerm ver­

vielfachen.

T e m p e r a t u r g e f ä l l e v o n d e r S t o ß w a n d z u m G e b i r g s i n n e r n .

Zunächst ist es zur Auswertung der Integrale notwendig, sich ein Bild vom Temperaturgefälle in der Wand zu machen. Da in der Formel 6 u und C einander verhältnisgleich sind, genügt es wiederum,

die Rechnung für C = 1 durchzuführen (oder die Faktoren von C zu berechnen). Das Rechnungs­

ergebnis veranschaulichen die Abb. 7-10. ln Abb. 7 ist als Ordinate u in o/o von C, als Abszisse die Zeit in h aufgetragen; man ersieht also daraus die Ände­

rung der Stoßwandtemperatur mit der Zeit. Für die Wärmeübergangszahl ist der von J ü r g e s 1 an­

gegebene Wert h = 5,3 + 3 , 6 v bei gerauhter Wand benutzt worden. Darin bedeutet v die Geschwindigkeit, die 5 m/s nicht übersteigen darf.

SiO,- Oehält

%

Mittlere Korn­

größe 'l,ooo mm

Dichte s

Poren- vo- luinen

%

Elasti­

zitäts­

modul E kg'cm3

Poisson­

Konstantesche ti

Gleit­

modul G kg/cm3

Zerreiß­

festigkeit kg/cm3

Aus­

dehnungs­

koeffizient a

Spezi­

fische Wärme c kcal/kg °C

Wärme­

leitfähig­

keit k kcal/m It °C

Temperatur- ieit- fäliigkeit a

m3/h Sandsteine

W l P'

76 70 2,50 6,30 451 000 0,302 173 000 4 5 - 5 5 1,12-10-5

0,223 1,38 0,00247

S 1,24

WII P

70 45 2,52 4,50 401 000 0,289 155 000 4 0 -5 5 1,06

0,224 1,26 0,00213

S 1,14

p 79 35 2,63 3,45 461 000

0,32 177 000 2 0 -3 0 1,23

0,225 1,17 0,00196

W 111 ^

432 000 166 000 5 5 -6 7 1,40 1,10 0,00189

Sandschiefer

p 53 50 2,51 5,00 329 000

0,3 126 500 3 0 -4 0 1.12

0,225 1,12 0,00199

S 275 000 106 000 3 2 -3 5 1.21 1,02 0.00181

Tonschiefer B II -p

61 7 2,61 3,72 0,3 0,243 0.96 0,00152

s 0,78 0.00123

BIII p

58 20 2,60 3,10 637 000

0,3 245 000 1 0 -1 5 1,02

0,238 1.07 0.00172

s 547 000 210 000 2 0 - 3 0 1,28 0,88 0,00141

1 P = parallel, S = senkrecht zur Schichtung. — 7 Angenommener Wert, mit dem O berechnet wurde.

Abb. 7. Temperatur der Stoßwandung in Abhängigkeit von der Zeit der Auskühlung für die W ettergeschwindigkeiten v = 0,5 m/s, 2 m/s und 5 m/s.

Die ausgezogenen Kurven beziehen sich auf den Sandstein W 1, den besten Wärmeleiter von den unter­

suchten Gesteinen, die gestrichelten auf BIII senkrecht zur Schichtung, nahezu den schlechtesten Wärmeleiter.

Die Kurven gelten für eine Wettergeschwindigkeit v = 0,5 m/s, wie sie in Abbaubetrieben herrscht, weiter­

hin für v = 2 m/s, entsprechend den Förderstrecken, und für die Wettergeschwindigkeit v = 5 m/s, die etwa im Schacht auftritt.

Zum bessern Verständnis sei die Darstellung an einem Beispiel erläutert. Die Temperatur des Gebirges

betrage 40°, die Wetter seien während der Dauer von 4 h mit einer Temperatur von 15° und einer Ge­

schwindigkeit von 2 m/s vorbeigeströmt, und der Stoß bestehe aus dem Sandstein W I. ln der entsprechenden Kurve liest man den Wert 45,4 o/o ab. Das bedeutet, daß u = (4 0 -1 5 ) ■ 0,454 = 11,35° ist. Die Temperatur der Stoßwandung beträgt mithin 15 + 11,35 = 26,35°.

Für den Tonschiefer B III senkrecht zur Schichtung ergibt sich bei den gleichen Bedingungen 1 5 + (4 0 -1 5 )

• 0,409 = 25,25°. In den Abb. 8 -1 0 ist der Temperatur­

verlauf im Stoß bis zu einer Tiefe von 0,20 ni bei 0,5,

Abb. 8. Temperaturverlauf im Stoß für verschiedene Zeiten der Auskühlung und die W ettergeschwindigkeit 0,5 m/s.

1 Gesundh. Ing. 1924, Beiheft J 9 , S. 1.

21. Januar 1933 G l ü c k a u f 65

! ’ !

1 ^ 70

W

j I

!

> JO

X

^ 20 S. 10

I

Abstencf vom 6/q/i

Strecke von 40 cm jedoch 5°, so würden entsprechend die Spannungen den fünffachen Betrag erreichen.

Weiterhin läßt die Darstellung erkennen, daß die Hauptbeanspruchung des Gesteins in tangentialer und axialer Richtung stattfindet, während die radiale Beanspruchung von untergeordneter Bedeutung ist.

2 und 5 m/s wiedergegeben. Für größere Tiefen ver­

liert die Formel, die für ebene Grenzflächen abgeleitet ist, allmählich ihre Gültigkeit.

A biS/and rom ¡S/ofi

Abb. 9. Temperaturverlauf im Stoß für verschiedene Zeiten der Auskühlung und die Wettergeschwindigkeit 2 m/s.

T e r n p e r a t u r s p a n n u n g e n .

Da die Temperatur im Stoß, wie die Kurven in den Abb. 8 -1 0 zeigen, nach einer gewissen Zeit an­

nähernd linear ansteigt, wird in der folgenden Be­

rechnung der auftretenden Spannungen zunächst der Einfachheit halber ein lineares Temperaturgefälle an­

genommen.

Abb. 10. Temperaturverlauf im Stoß für verschiedene Zeiten der Auskühlung und die Wettergeschwindigkeit 5 m/s.

Die Art der Abhängigkeit der Spannungen vom Stoßabstand geht aus Abb. 1 1 deutlich hervor, wenn ihr bestimmte (aber wahrscheinliche) Annahmen über Streckenradius und Eindringungstiefe zugrunde gelegt sind. Abb. 11 zeigt die Spannungen selbst (Ordinate) in Abhängigkeit vom Stoßabstand (Ab­

szisse). Das konstante Temperaturgefälle erstrecke sich dabei bis R 40 cm vom Stoß, betrage also 1 °/40 cm. Betrüge das Temperaturgefälle für dieselbe

Abb. 11. Im Stoß auftretende Temperaturspannungen bei einem Temperaturunterschied zwischen Gebirge und Stoß Wandung von 1°C und linearer Erstreckung

dieses Temperaturgefälles bis zu 40 cm Abstand vom Stoß (Streckenradlus 300 cm).

Da selbst an Stellen, an denen die Radial­

spannungen ihren Höchstwert aufweisen, ihr Wert nur die Hälfte der hier herrschenden Axialspannung beträgt (Gleichung 5), und da sie fernerhin bei den im Bergbau vorkommenden Verhältnissen nicht die Zerreißgrenze der Gesteine erreichen, kann man sie bei den folgenden Schlußbetrachtungen außer acht lassen. Vor allem sei noch darauf hingewiesen, daß die Radialspannungen mit wachsendem Streckenradius abnehmen und bei ebenen Streckenwandungen ver­

schwinden.

E r ö r t e r u n g d e r B e r e c h n u n g e n .

Zu untersuchen bleibt noch, wann die Tangential- und Axialspannungen in der Lage sind, Risse im Gebirge hervorzurufen. Da die Radialspannungen, wie ausgeführt, vernachlässigt werden können, ist man jetzt imstande, die Größe der Tangential- und der Axialspannungen bei homogenem Material einander gleichzusetzen.

Folgende Möglichkeiten sind einer nähern Be­

trachtung zu unterziehen. Einmal kann die Strecken­

richtung senkrecht zu den Schichtflächen verlaufen, wie z. B. die meisten Schächte. Sodann kann die Strecke unter irgendeinem Winkel zum Einfallen der Schichten aufgefahren sein, z. B. Querschläge, und endlich kann eine Schichtfläche die Strecke begrenzen, wie z. B. im Abbau.

Im ersten Falle unterscheiden sich die auftreten­

den Tangential- und Axialspannungen bei Vernach­

lässigung der Radialspannung, insofern, als man für

die Tangentialspannung den Gleitmodul und den

linearen Ausdehnungskoeffizienten parallel zur Schichtung einzusetzen hat. Bei den Axialspannungen dagegen sind für diesen Fall die Werte senkrecht zur Schichtung in die Rechnung einzuführen.

Um den kritischen Temperaturunterschied, bei dem die Gefahr der Rißbildung besteht, zu ermitteln, muß man für die Tangentialspannungen die Zerreiß­

festigkeit senkrecht zur Schichtung, bei der Axial­

spannung die Zerreißfestigkeit parallel zur Schichtung annehmen. Dann ergibt sich im ersten Falle:

Tangentialspannung Spannung bei! Kritischer l°CTernpe- l Temperatnr-

raturgefälle j unterschied kg/cm3 | °C

Axialspannung Spannung bei 1 Kritischer

lOCTempc- Temperatur- raturgcfäile j unterschied

kg/cma ( °C

W I . .

.

W ll . .

.

Wi l l . . . 8,08 1 7 - 8 - 8,65 1 3 - 4

B I . . . . 5,24 6 - 7 4,79 6 - 8

B III . . . 9,28 3 9,96 2

Die Aufstellung läßt erkennen, daß bei den dem ersten Fall zugrunde liegenden Bedingungen die durch ein Temperaturgefälle im Stoß hervorgerufenen Axial­

spannungen im allgemeinen eher imstande sind, Risse im Gebirge zu verursachen als die Tangential­

spannungen. Wenn dies in der Praxis nicht zutrifft, so ist der Grund dafür darin zu suchen, daß das Gebirge nicht unter allseitig gleichem Druck steht, wie bei der Berechnung angenommen worden ist, sondern daß die überlagernden Gebirgsschichten die achs­

rechten Temperaturspannungen mehr oder weniger aufheben.

Da der zweite Fall (Querschlag) eine Mittel­

stellung zwischen dem ersten und dem dritten ein­

nimmt, ist es angebracht, zunächst den letzten Fall (Abbau) zu besprechen, ln diesen Grubenräumen werden das Hangende und das Liegende durch Schichtflächen gebildet, während an den Seitenstößen die Schichten anstehen. Für das Liegende und Hangende sind die Tangential- und Axial-Temperatur- spannungen einander zahlenmäßig gleich. Die hier auftretenden Spannungen und kritischen Temperatur­

unterschiede liefern zahlenmäßig dieselben Werte, wie sie in der vorstehenden Übersicht für die Tangential­

spannungen angeführt sind. Das Temperaturgefälle ist für Hangendes und Liegendes mit der Wärmeleit­

fähigkeit und Temperaturleitfähigkeit senkrecht zur Schichtung zu berechnen. F ür die Seitenstöße erhält man den Temperaturverlauf im Stoß mit den Werten für die Wärmeleitfähigkeit parallel zur Schichtung.

Bei den Seitenstößen liegen die Verhältnisse um­

gekehrt wie im ersten Fall, so daß hier dasselbe für die Tangentialspannungen gilt, was dort über Axial­

spannungen gesagt worden ist, und umgekehrt. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß für den dritten Fall in den Seitenstößen die Tangential­

spannungen durch den Druck der überlagernden Gebirgsschichten mehr oder weniger aufgehoben werden.

Der zweite Fall (Querschlag) nähert sich je nach dem Winkel, unter dem die Strecke die Schichtflächen schneidet, dem ersten oder dritten. Fallen die durch­

örterten Schichten steil ein, so entsprechen die Ver­

hältnisse annähernd denen bei Fall 1. Bei flachem Einfallen dagegen liegen ähnliche Verhältnisse vor

wie bei Fall 3, jedoch werden für den 2. Fall stets die Tangentialspannungen in den Seitenstößen der Strecke durch den Gebirgsdruck in ihrer Auswirkung gehemmt.

Im Bergbau ist es nun einfacher, die Wetter­

temperatur als.die Temperatur der Stoßwandungen zu bestimmen. Kennt man die Wetter- und die Gebirgs- temperatur, so läßt sich wiederum die Temperatur­

verteilung im Stoß in Abhängigkeit von der Zeit er­

rechnen. Die in den Abb. 7 - 1 0 aufgezeichneten Kurven erlauben nicht nur die Feststellung, nach welcher Zeit die Gefahr der Rißbildung auftritt, sondern lassen auch erkennen, wie tief die Risse in das Gebirge eindringen können. Wie schon aus der Gleichung 3 hervorgeht, hängen die auftretenden Axialspannungen lediglich von dem Temperatur­

unterschied zwischen einem Punkt und dem Gebirgs- innern ab, ohne daß der Abstand dieses Punktes vom Streckenmittelpunkt eine Rolle spielt. Vernach­

lässigt man die Radialspannungen, so gilt das­

selbe auch für die Tangentialspannungen, wie ein Beispiel erläutern möge. Haben die Wetter eine Temperatur von 20°, das Gebirgsinnere von 40°, so beginnt die Rißbildung, wenn der Temperaturunter­

schied zwischen der Stoßwandung und dem Gebirgs- innern gleich dem kritischen Temperaturunterschied wird, d. h. für den Sandstein W I S°, wenn die Temperatur der Stoßwandung 32° beträgt. Dies ist

3 2 -2 0 der Fall bei dem Temperaturunterschied

-60

40 -2 0 Aus Abb. 7 ersieht man, daß bei einer W etter­

geschwindigkeit von 2 m s der Schnittpunkt der in Frage kommenden Abkühlungskurve mit der Linie 60% Temperaturunterschied zwischen Gestein und Wettern bei etwa 1 h 20 min liegt. Abb. 9 läßt erkennen, wie für den angenommenen Fall der Temperaturunterschied von 8 ° zwischen Gebirgs- innerm und Stoßwandung mit der Zeit in das Gebirgs­

innere vordringt. Wie bei Abb. 7 sind auch hier die Schnittpunkte der Kurven mit der 60-%-Linie auf­

zusuchen. Es ergibt sich, daß die Risse nach 2 h 10 mm, nach 4 h 38 mm und nach 6 h 60 mm in das Gebirge vorgedrungen sind. Ist dagegen der Temperaturunter­

schied zwischen den Wettern und dem Gebirge ge­

ringer, so wird entsprechend auch die kritische Temperaturgrenze später oder, wenn der Temperatur­

unterschied darunter bleibt, überhaupt nicht erreicht.

Da der kritische Temperaturunterschied für den Tonschiefer B III nur 3° beträgt, sind die auftretenden Spannungen bei gleichem Temperaturunterschied eher in der Lage, Risse im Gebirge hervbrzuruferi, als dies bei dem Sandstein W I der Fall ist. Infolge der geringem Temperaturleitfähigkeit kühlen überdies die Stoßwandungen schneller aus, so daß bei 20°

Temperaturunterschied zwischen Wettern und Ge- birgsinnerm die kritische Temperaturgrenze von 3°

bei 2 m Wettergeschwindigkeit je s schon nach etwa 8 min erreicht wird (85-%-Linie in Abb. 7). Da der Wärmefluß senkrecht zur Schichtung erfolgt, hat man die Kurven

senkrecht zur Schichtung zu be­

nutzen. Nach Abb. 9 läßt sich weiterhin erkennen, daß das Gebirge nach 1/2 h 10 mm, 1 h 23 mm, 2 h 46 mm, 4 h 72 mm und 6 h 112 mm aufgerissen ist.

Während durch ein Temperaturgefälle im Stoß die

tangentialen und achsrechten Spannungen derartig