Lite mer än två månader har gått sedan slutet på det värsta kriget i mänsklighetens historia. Och så, den 16 juli 1945, testades den första kärnvapenbomben av den amerikanska militären, och en månad senare dör tusentals invånare i japanska städer i atomhelvetet. Sedan dess har kärnvapen, såväl som sätten att leverera dem till mål, kontinuerligt förbättrats i mer än ett halvt sekel.
Militären ville ha till sitt förfogande både superkraftig ammunition, som svepte bort hela städer och länder från kartan med ett slag, och ultrasmå sådana som fick plats i en portfölj. En sådan anordning skulle föra sabotagekriget till en aldrig tidigare skådad nivå. Både med den första och med den andra var det oöverstigliga svårigheter. Anledningen till detta är den så kallade kritiska massan. Men först till kvarn.
En sådan explosiv kärna
För att förstå hur kärntekniska anordningar fungerar och förstå vad som kallas kritisk massa, låt oss gå tillbaka till skrivbordet en stund. Från skolfysikkursen minns vi en enkel regel: laddningar med samma namn stöter bort varandra. På samma ställe, på gymnasiet, får eleverna veta om atomkärnans struktur, bestående av neutroner, neutrala partiklar ochpositivt laddade protoner. Men hur är detta möjligt? Positivt laddade partiklar är så nära varandra att de frånstötande krafterna måste vara kolossala.
Vetenskapen är inte helt medveten om naturen hos intranukleära krafter som håller ihop protoner, även om egenskaperna hos dessa krafter har studerats ganska väl. Krafter verkar bara på mycket nära håll. Men det är värt åtminstone lite att separera protonerna i rymden, eftersom de frånstötande krafterna börjar råda, och kärnan splittras i bitar. Och kraften i en sådan expansion är verkligen kolossal. Det är känt att styrkan hos en vuxen hane inte skulle vara tillräcklig för att hålla protonerna i en enda kärna av blyatomen.
Vad var Rutherford rädd för
Kärnorna i de flesta grundämnen i det periodiska systemet är stabila. Men när atomnumret ökar, minskar denna stabilitet. Det handlar om storleken på kärnorna. Föreställ dig kärnan i en uranatom, bestående av 238 nuklider, varav 92 är protoner. Ja, protoner är i nära kontakt med varandra, och intranukleära krafter cementerar säkert hela strukturen. Men den frånstötande kraften hos protoner som finns i motsatta ändar av kärnan blir märkbar.
Vad gjorde Rutherford? Han bombarderade atomer med neutroner (en elektron kommer inte att passera genom en atoms elektronskal, och en positivt laddad proton kommer inte att kunna närma sig kärnan på grund av repulsiva krafter). En neutron som kommer in i en atoms kärna orsakar dess klyvning. Två separata halvor och två eller tre fria neutroner flög isär.
Detta sönderfall, på grund av de flygande partiklarnas enorma hastighet, åtföljdes av frigörandet av enorm energi. Det gick ett rykte om att Rutherford till och med ville dölja sin upptäckt, rädd för dess möjliga konsekvenser för mänskligheten, men detta är med största sannolikhet inget annat än en saga.
Så vad har massan med det att göra och varför är det kritiskt
Så vad? Hur kan man bestråla tillräckligt med radioaktiv metall med en ström av protoner för att producera en kraftig explosion? Och vad är kritisk massa? Allt handlar om de få fria elektronerna som flyger ut ur den "bombade" atomkärnan, de kommer i sin tur att kollidera med andra kärnor orsaka deras klyvning. En så kallad kärnkedjereaktion kommer att påbörjas. Det kommer dock att bli extremt svårt att lansera det.
Kontrollera vågen. Om vi tar ett äpple på vårt bord som kärnan i en atom, så för att föreställa oss kärnan i en angränsande atom, måste samma äpple bäras och läggas på bordet inte ens i nästa rum, men.. i nästa hus. Neutronen kommer att vara lika stor som ett körsbärsfrö.
För att de emitterade neutronerna inte ska flyga iväg förgäves utanför urangötet, och mer än 50 % av dem skulle hitta ett mål i form av atomkärnor, måste detta göt ha lämplig storlek. Detta är vad som kallas den kritiska massan av uran - den massa vid vilken mer än hälften av de emitterade neutronerna kolliderar med andra kärnor.
Det händer faktiskt på ett ögonblick. Antalet delade kärnor växer som en lavin, deras fragment rusar i alla riktningar med hastigheter jämförbara medljusets hastighet, friluft, vatten, vilket annat medium som helst. Från deras kollisioner med miljömolekyler värms explosionsområdet omedelbart upp till miljontals grader och utstrålar värme som förbränner allt i ett område på flera kilometer.
Plötsligt expanderar uppvärmd luft omedelbart i storlek och skapar en kraftfull stötvåg som blåser bort byggnader från grunden, välter och förstör allt i dess väg … det här är bilden av en atomexplosion.
Hur det ser ut i praktiken
Atombombens enhet är förvånansvärt enkel. Det finns två göt av uran (eller annan radioaktiv metall), som var och en är något mindre än den kritiska massan. En av tackorna är gjord i form av en kon, den andra är en boll med ett konformat hål. Som du kan gissa, när de två halvorna kombineras, erhålls en boll, där den kritiska massan uppnås. Detta är en vanlig enkel kärnvapenbomb. De två halvorna ansluts med den vanliga TNT-laddningen (konen skjuts in i bollen).
Men tro inte att någon kan montera en sådan anordning "på knäet". Tricket är att uran, för att en bomb ska explodera, måste vara väldigt rent, förekomsten av föroreningar är praktiskt taget noll.
Varför finns det ingen atombomb lika stor som ett paket cigaretter
Alla av samma anledning. Den kritiska massan för den vanligaste isotopen av uran 235 är cirka 45 kg. En explosion av denna mängd kärnbränsle är redan en katastrof. Och att göra en sprängladdning med mindremängden substans är omöjlig - det fungerar bara inte.
Av samma anledning var det inte möjligt att skapa superkraftiga atomladdningar från uran eller andra radioaktiva metaller. För att bomben skulle vara mycket kraftfull tillverkades den av ett dussin göt, som, när detonerande laddningar detonerades, rusade till mitten och kopplade ihop som apelsinskivor.
Men vad hände egentligen? Om två element av någon anledning möttes en tusendels sekund tidigare än de andra, nåddes den kritiska massan snabbare än resten skulle "anlända i tid", inträffade inte explosionen med den kraft som designerna förväntade sig. Problemet med superkraftiga kärnvapen löstes först med tillkomsten av termonukleära vapen. Men det är en lite annan historia.
Hur fungerar en fridfull atom
Ett kärnkraftverk är i princip samma kärnvapenbomb. Endast denna "bomb" har bränsleelement (bränsleelement) gjorda av uran belägna på något avstånd från varandra, vilket inte hindrar dem från att utbyta neutron-"strike".
Bränsleelement är gjorda i form av stavar, mellan vilka det finns styrstavar av ett material som absorberar neutroner bra. Funktionsprincipen är enkel:
- reglerande (absorberande) stavar sätts in i utrymmet mellan uranstavarna - reaktionen saktar ner eller stannar helt;
- kontrollstavar tas bort från zonen - radioaktiva grundämnen utbyter aktivt neutroner, kärnreaktionen fortskrider mer intensivt.
Det visar sig faktiskt samma atombomb,där den kritiska massan nås så smidigt och regleras så tydligt att det inte leder till en explosion, utan bara till att kylvätskan värms upp.
Även om, tyvärr, som praxis visar, inte alltid det mänskliga geniet kan stävja denna enorma och destruktiva energi - energin från atomkärnans förfall.
