Litt mer enn to måneder har gått siden slutten på den verste krigen i menneskehetens historie. Og så, den 16. juli 1945, ble den første atombomben testet av det amerikanske militæret, og en måned senere dør tusenvis av innbyggere i japanske byer i atomhelvete. Siden den gang har atomvåpen, så vel som midler for å levere dem til mål, blitt kontinuerlig forbedret i mer enn et halvt århundre.
Militæret ønsket å ha til disposisjon både superkraftig ammunisjon, som feide hele byer og land av kartet med ett slag, og ultrasmå som fikk plass i en koffert. En slik enhet ville bringe sabotasjekrigen til et enestående nivå. Både med den første og med den andre var det uoverstigelige vanskeligheter. Årsaken til dette er den såk alte kritiske massen. Men først ting først.
En slik eksplosiv kjerne
For å forstå hvordan kjernefysiske enheter fungerer og forstå hva som kalles kritisk masse, la oss gå tilbake til skrivebordet en stund. Fra skolens fysikkkurs husker vi en enkel regel: ladninger med samme navn frastøter hverandre. Samme sted, på videregående skole, blir elevene fort alt om strukturen til atomkjernen, bestående av nøytroner, nøytrale partikler ogpositivt ladede protoner. Men hvordan er dette mulig? Positivt ladede partikler er så nær hverandre at frastøtende krefter må være kolossale.
Vitenskapen er ikke helt klar over naturen til intranukleære krefter som holder protoner sammen, selv om egenskapene til disse kreftene har blitt studert ganske godt. Styrker virker kun på svært nært hold. Men det er verdt i det minste litt å skille protonene i rommet, ettersom frastøtende krefter begynner å råde, og kjernen knuses i stykker. Og kraften til en slik utvidelse er virkelig kolossal. Det er kjent at styrken til en voksen hann ikke vil være nok til å holde protonene til bare én enkelt kjerne av blyatomet.
Hva var Rutherford redd for
Kjernene til de fleste grunnstoffene i det periodiske systemet er stabile. Men når atomnummeret øker, avtar denne stabiliteten. Det handler om størrelsen på kjernene. Se for deg kjernen til et uranatom, bestående av 238 nuklider, hvorav 92 er protoner. Ja, protoner er i nær kontakt med hverandre, og intranukleære krefter sementerer hele strukturen sikkert. Men den frastøtende kraften til protoner som befinner seg i motsatte ender av kjernen blir merkbar.
Hva gjorde Rutherford? Han bombarderte atomer med nøytroner (et elektron vil ikke passere gjennom elektronskallet til et atom, og et positivt ladet proton vil ikke være i stand til å nærme seg kjernen på grunn av frastøtende krefter). Et nøytron som kommer inn i kjernen til et atom forårsaker dets fisjon. To separate halvdeler og to eller tre frie nøytroner fløy fra hverandre.
Dette forfallet, på grunn av den enorme hastigheten til de flygende partiklene, ble ledsaget av frigjøring av enorm energi. Det gikk et rykte om at Rutherford til og med ønsket å skjule oppdagelsen sin, redd for dens mulige konsekvenser for menneskeheten, men dette er mest sannsynlig ikke annet enn et eventyr.
Så hva har massen med det å gjøre, og hvorfor er det kritisk
Hva så? Hvordan kan man bestråle nok radioaktivt metall med en strøm av protoner til å produsere en kraftig eksplosjon? Og hva er kritisk masse? Alt handler om de få frie elektronene som flyr ut av den "bombede" atomkjernen, de på sin side, som kolliderer med andre kjerner, vil forårsake fisjon. En såk alt kjernefysisk kjedereaksjon vil starte. Det vil imidlertid være ekstremt vanskelig å lansere den.
Sjekk skalaen. Hvis vi tar et eple på bordet vårt som kjernen til et atom, så for å forestille oss kjernen til et naboatom, må det samme eplet bæres og legges på bordet ikke engang i neste rom, men.. i neste hus. Nøytronet vil være på størrelse med et kirsebærfrø.
For at de utsendte nøytronene ikke skal fly forgjeves utenfor uranblokken, og mer enn 50 % av dem skal finne et mål i form av atomkjerner, må denne barren ha passende størrelse. Dette er det som kalles den kritiske massen til uran - massen der mer enn halvparten av de utsendte nøytronene kolliderer med andre kjerner.
Faktisk skjer det på et øyeblikk. Antallet delte kjerner vokser som et snøskred, fragmentene deres suser i alle retninger med hastigheter som kan sammenlignes medlysets hastighet, friluft, vann, et hvilket som helst annet medium. Fra deres kollisjoner med miljømolekyler varmes eksplosjonens område øyeblikkelig opp til millioner av grader, og utstråler varme som forbrenner alt i et område på flere kilometer.
Plutselig utvider oppvarmet luft seg øyeblikkelig i størrelse, og skaper en kraftig sjokkbølge som blåser bygninger av fundamentene, velter og ødelegger alt i veien … dette er bildet av en atomeksplosjon.
Slik ser det ut i praksis
Enheten til atombomben er overraskende enkel. Det er to blokker av uran (eller annet radioaktivt metall), som hver er litt mindre enn den kritiske massen. En av blokkene er laget i form av en kjegle, den andre er en ball med et kjegleformet hull. Som du kanskje gjetter, når de to halvdelene kombineres, oppnås en ball, der den kritiske massen er nådd. Dette er en standard enkel atombombe. De to halvdelene kobles sammen med den vanlige TNT-ladningen (kjeglen skytes inn i ballen).
Men ikke tro at noen kan sette sammen en slik enhet "på kneet". Trikset er at uran, for at en bombe skal eksplodere, må være veldig rent, tilstedeværelsen av urenheter er praktisk t alt null.
Hvorfor finnes det ingen atombombe på størrelse med en sigarettpakke
Alle av samme grunn. Den kritiske massen til den vanligste isotopen av uran 235 er omtrent 45 kg. En eksplosjon av denne mengden kjernebrensel er allerede en katastrofe. Og å lage en eksplosiv enhet med mindremengde substans er umulig - det vil bare ikke fungere.
Av samme grunn var det ikke mulig å lage superkraftige atomladninger fra uran eller andre radioaktive metaller. For at bomben skulle være veldig kraftig, ble den laget av et titalls barrer, som, da detonerende ladninger ble detonert, skyndte seg til sentrum, og koblet sammen som appelsinskiver.
Men hva skjedde egentlig? Hvis to elementer av en eller annen grunn møttes en tusendels sekund tidligere enn de andre, ble den kritiske massen nådd raskere enn resten ville "komme i tide", skjedde ikke eksplosjonen med kraften som designerne forventet. Problemet med supermektige atomvåpen ble løst først med ankomsten av termonukleære våpen. Men det er en litt annen historie.
Hvordan fungerer et fredelig atom
Et atomkraftverk er i hovedsak den samme atombomben. Bare denne "bomben" har brenselelementer (fuel elements) laget av uran plassert i en viss avstand fra hverandre, noe som ikke hindrer dem i å utveksle nøytron "strike".
Brennstoffelementer er laget i form av stenger, mellom dem er det kontrollstenger laget av et materiale som absorberer nøytroner godt. Driftsprinsippet er enkelt:
- regulerende (absorberende) stenger settes inn i rommet mellom uranstavene - reaksjonen bremses ned eller stopper helt;
- kontrollstaver fjernes fra sonen - radioaktive elementer utveksler aktivt nøytroner, kjernereaksjonen fortsetter mer intensivt.
Det viser seg faktisk den samme atombomben,hvor den kritiske massen nås så jevnt og reguleres så tydelig at det ikke fører til en eksplosjon, men bare til oppvarming av kjølevæsken.
Selv om, dessverre, som praksis viser, ikke alltid det menneskelige geni er i stand til å dempe denne enorme og destruktive energien - energien fra forfallet av atomkjernen.
