Hieman yli kaksi kuukautta on kulunut ihmiskunnan historian pahimman sodan päättymisestä. Ja niin 16. heinäkuuta 1945 Yhdysv altain armeija testasi ensimmäistä ydinpommia, ja kuukautta myöhemmin tuhannet Japanin kaupunkien asukkaat kuolevat atomihelvetissä. Siitä lähtien ydinaseita ja keinoja niiden kuljettamiseksi kohteiksi on parannettu jatkuvasti yli puolen vuosisadan ajan.
Armeija halusi saada käyttöönsä sekä supervoimakkaita ampumatarvikkeita, jotka pyyhkäisivät kokonaisia kaupunkeja ja maita pois kart alta yhdellä iskulla, että erittäin pieniä, jotka mahtuvat salkkuun. Tällainen laite nostaisi sabotaasisodan ennennäkemättömälle tasolle. Sekä ensimmäisen että toisen kanssa oli ylitsepääsemättömiä vaikeuksia. Syynä tähän on niin sanottu kriittinen massa. Kuitenkin ensin asiat ensin.
Näin räjähtävä ydin
Ymmärtääksemme ydinlaitteiden toiminnan ja ymmärtääksemme, mitä kutsutaan kriittiseksi massaksi, palataan hetkeksi pöydän ääreen. Koulun fysiikan kurssilta muistamme yksinkertaisen säännön: samannimiset varaukset hylkivät toisiaan. Samassa paikassa lukiossa opiskelijoille kerrotaan atomiytimen rakenteesta, joka koostuu neutroneista, neutraaleista hiukkasista japositiivisesti varautuneita protoneja. Mutta miten tämä on mahdollista? Positiivisesti varautuneet hiukkaset ovat niin lähellä toisiaan, että hylkivien voimien on oltava v altavia.
Tiede ei ole täysin tietoinen protoneja yhdessä pitävien ydinvoimien luonteesta, vaikka näiden voimien ominaisuuksia onkin tutkittu melko hyvin. Voimat toimivat vain hyvin läheltä. Mutta kannattaa ainakin vähän erottaa protonit avaruudessa, kun hylkivät voimat alkavat vallita ja ydin hajoaa palasiksi. Ja tällaisen laajentumisen voima on todella v altava. Tiedetään, että aikuisen miehen vahvuus ei riittäisi pitämään vain yhden lyijyatomin ytimen protoneja.
Mitä Rutherford pelkäsi
Jaksollisen järjestelmän useimpien elementtien ytimet ovat vakaita. Kuitenkin, kun atomiluku kasvaa, tämä stabiilisuus heikkenee. Kyse on ytimien koosta. Kuvittele uraaniatomin ydin, joka koostuu 238 nuklidista, joista 92 on protoneja. Kyllä, protonit ovat läheisessä kosketuksessa toistensa kanssa, ja ytimen sisäiset voimat sementoivat turvallisesti koko rakenteen. Mutta ytimen vastakkaisissa päissä sijaitsevien protonien hylkivä voima tulee havaittavaksi.
Mitä Rutherford teki? Hän pommitti atomeja neutroneilla (elektroni ei kulje atomin elektronikuoren läpi, ja positiivisesti varautunut protoni ei pysty lähestymään ydintä hylkivien voimien vuoksi). Neutroni, joka tulee atomin ytimeen, aiheuttaa sen fission. Kaksi erillistä puolikasta ja kaksi tai kolme vapaata neutronia lensivät erilleen.
Tähän lentävien hiukkasten v altavasta nopeudesta johtuvaan hajoamiseen liittyi v altavan energian vapautuminen. Huhuttiin, että Rutherford halusi jopa piilottaa löytönsä peläten sen mahdollisia seurauksia ihmiskunnalle, mutta tämä on todennäköisesti vain satu.
Mitä tekemistä massalla on sen kanssa ja miksi se on kriittinen
Mitä sitten? Kuinka voidaan säteilyttää tarpeeksi radioaktiivista metallia protonivirralla voimakkaan räjähdyksen aikaansaamiseksi? Ja mikä on kriittinen massa? Kyse on niistä harvoista vapaista elektroneista, jotka lentävät ulos "pommitetusta" atomiytimestä, ja ne puolestaan törmäävät muihin ytimiin aiheuttaen niiden fission. Niin kutsuttu ydinketjureaktio alkaa. Sen käynnistäminen on kuitenkin erittäin vaikeaa.
Tarkista asteikko. Jos otamme pöydällämme olevan omenan atomin ytimeksi, niin naapuriatomin ytimen kuvittelemiseksi on sama omena kannettava ja asetettava pöydälle ei edes viereisessä huoneessa, vaan… viereisessä talossa. Neutroni on kirsikan siemenen kokoinen.
Jotta emittoidut neutronit eivät lennä turhaan uraaniharkon ulkopuolelle ja yli 50 % niistä löytäisi kohteen atomiytimien muodossa, tämän harkon on oltava sopivan kokoinen. Tätä kutsutaan uraanin kriittiseksi massaksi - massa, jossa yli puolet emittoivista neutroneista törmää muihin ytimiin.
Itse asiassa se tapahtuu hetkessä. Halkeilevien ytimien määrä kasvaa kuin lumivyöry, niiden palaset ryntäävät kaikkiin suuntiin verrattavissa olevilla nopeuksilla.valon nopeus, ulkoilman, veden, minkä tahansa muun väliaineen repiminen. Räjähdysalue lämpenee välittömästi miljooniin asteisiin niiden törmäyksistä ympäristön molekyyleihin ja säteilee lämpöä, joka polttaa kaiken useiden kilometrien alueella.
Yhtäkkiä kuumentunut ilma laajenee kooltaan välittömästi luoden voimakkaan shokkiaallon, joka puh altaa rakennuksia irti perustuksista, kaatuu ja tuhoaa kaiken tiellään… tämä on kuva atomiräjähdyksestä.
Miltä se näyttää käytännössä
Atomipommin laite on yllättävän yksinkertainen. Uraania (tai muuta radioaktiivista metallia) on kaksi harkkoa, joista jokainen on hieman kriittistä massaa pienempi. Yksi harkoista on tehty kartion muotoiseksi, toinen on pallo, jossa on kartion muotoinen reikä. Kuten arvata saattaa, kun kaksi puoliskoa yhdistetään, saadaan pallo, jossa saavutetaan kriittinen massa. Tämä on tavallinen yksinkertainen ydinpommi. Molemmat puolikkaat yhdistetään tavallisella TNT-panoksella (kartio ammutaan palloon).
Mutta älä usko, että kukaan voi koota tällaisen laitteen "polvilleen". Temppu on siinä, että uraanin on oltava erittäin puhdasta, jotta pommi räjähtäisi, epäpuhtauksia ei ole käytännössä lainkaan.
Miksi ei ole tupakka-askin kokoista atomipommia
Kaikki samasta syystä. Uraani 235:n yleisimmän isotoopin kriittinen massa on noin 45 kg. Tämän ydinpolttoainemäärän räjähdys on jo katastrofi. Ja tehdä räjähdysaine vähemmälläaineen määrä on mahdotonta – se ei vain toimi.
Samasta syystä ei ollut mahdollista luoda supervoimakkaita atomivarauksia uraanista tai muista radioaktiivisista metalleista. Jotta pommi olisi erittäin voimakas, se tehtiin tusinasta harkosta, jotka räjähtävien panosten räjäytyksen yhteydessä ryntäsivät keskelle ja liittyivät yhteen kuin appelsiiniviipaleet.
Mutta mitä oikeastaan tapahtui? Jos jostain syystä kaksi elementtiä kohtasi sekunnin tuhannesosan aikaisemmin kuin muut, kriittinen massa saavutettiin nopeammin kuin muut "saapuisivat ajoissa", räjähdys ei tapahtunut suunnittelijoiden odottamalla teholla. Supervoimakkaiden ydinaseiden ongelma ratkesi vasta lämpöydinaseiden syntymisen myötä. Mutta se on hieman eri tarina.
Miten rauhallinen atomi toimii
Ydinvoimalaitos on pohjimmiltaan sama ydinpommi. Vain tässä "pommissa" on uraanista valmistettuja polttoaine-elementtejä (polttoaine-elementtejä), jotka sijaitsevat jonkin matkan päässä toisistaan, mikä ei estä niitä vaihtamasta neutronien "iskua".
Polttoaine-elementit valmistetaan sauvojen muodossa, joiden välissä on säätösauvat materiaalista, joka imee hyvin neutroneja. Toimintaperiaate on yksinkertainen:
- säätösauvoja (absorboivia) työnnetään uraanisauvojen väliseen tilaan - reaktio hidastuu tai pysähtyy kokonaan;
- säätösauvat poistetaan vyöhykkeeltä - radioaktiiviset elementit vaihtavat aktiivisesti neutroneja, ydinreaktio etenee intensiivisemmin.
Todellakin, se on sama atomipommi,jossa kriittinen massa saavutetaan niin tasaisesti ja säädellään niin selkeästi, että se ei johda räjähdykseen, vaan ainoastaan jäähdytysnesteen kuumenemiseen.
Vaikka valitettavasti, kuten käytäntö osoittaa, ihmisen nero ei aina pysty hillitsemään tätä v altavaa ja tuhoisaa energiaa - atomiytimen hajoamisen energiaa.
