Au trecut puțin mai mult de două luni de la sfârșitul celui mai rău război din istoria omenirii. Și așa, pe 16 iulie 1945, prima bombă nucleară a fost testată de armata americană, iar o lună mai târziu, mii de locuitori ai orașelor japoneze mor în iadul atomic. De atunci, armele nucleare, precum și mijloacele de livrare a acestora către ținte, au fost îmbunătățite continuu timp de mai bine de jumătate de secol.
Armata dorea să aibă la dispoziție atât muniție super-puternică, care să măture orașe și țări întregi de pe hartă dintr-o singură lovitură, cât și pe cele ultra-mice care încap într-o servietă. Un astfel de dispozitiv ar aduce războiul de sabotaj la un nivel fără precedent. Atât cu primul, cât și cu al doilea au fost dificultăți de netrecut. Motivul pentru aceasta este așa-numita masă critică. Cu toate acestea, primul lucru este mai întâi.
Un astfel de miez exploziv
Pentru a înțelege cum funcționează dispozitivele nucleare și a înțelege ceea ce se numește masă critică, să ne întoarcem la birou pentru un timp. De la cursul de fizică a școlii, ne amintim o regulă simplă: încărcăturile cu același nume se resping reciproc. În același loc, în liceu, elevilor li se vorbește despre structura nucleului atomic, format din neutroni, particule neutre șiprotoni încărcați pozitiv. Dar cum este posibil acest lucru? Particulele încărcate pozitiv sunt atât de aproape una de ceal altă, încât forțele de respingere trebuie să fie colosale.
Știința nu este pe deplin conștientă de natura forțelor intranucleare care țin protonii împreună, deși proprietățile acestor forțe au fost studiate destul de bine. Forțele acționează doar la distanță foarte apropiată. Dar merită măcar puțin să separați protonii în spațiu, deoarece forțele de respingere încep să prevaleze, iar nucleul se sparge în bucăți. Iar puterea unei astfel de expansiuni este cu adevărat colosală. Se știe că puterea unui bărbat adult nu ar fi suficientă pentru a susține protonii unui singur nucleu al atomului de plumb.
De ce se temea Rutherford
Miezurile majorității elementelor din tabelul periodic sunt stabile. Cu toate acestea, pe măsură ce numărul atomic crește, această stabilitate scade. Este cam de dimensiunea miezurilor. Imaginează-ți nucleul unui atom de uraniu, format din 238 de nuclizi, dintre care 92 sunt protoni. Da, protonii sunt în contact strâns unii cu alții, iar forțele intranucleare cimentează în siguranță întreaga structură. Dar forța de respingere a protonilor localizați la capetele opuse ale nucleului devine vizibilă.
Ce făcea Rutherford? A bombardat atomii cu neutroni (un electron nu va trece prin învelișul de electroni a unui atom, iar un proton încărcat pozitiv nu se va putea apropia de nucleu din cauza forțelor de respingere). Un neutron care intră în nucleul unui atom provoacă fisiunea acestuia. Două jumătăți separate și doi sau trei neutroni liberi s-au separat.
Această dezintegrare, datorită vitezei enorme a particulelor zburătoare, a fost însoțită de eliberarea de energie enormă. A existat un zvon că Rutherford ar fi vrut chiar să-și ascundă descoperirea, temându-se de posibilele consecințe ale acesteia pentru umanitate, dar cel mai probabil acesta nu este altceva decât un basm.
Deci, ce legătură are masa cu ea și de ce este critic
Și ce? Cum se poate iradia suficient metal radioactiv cu un flux de protoni pentru a produce o explozie puternică? Și ce este masa critică? Este vorba despre acei câțiva electroni liberi care zboară din nucleul atomic „bombardat”, ei, la rândul lor, ciocnind cu alte nuclee, își vor provoca fisiunea. Va începe o așa-numită reacție nucleară în lanț. Cu toate acestea, lansarea acestuia va fi extrem de dificilă.
Verificați cântarul. Dacă luăm un măr pe masa noastră ca nucleu al unui atom, atunci pentru a ne imagina nucleul unui atom vecin, același măr va trebui să fie purtat și pus pe masă nici măcar în camera alăturată, dar… în casa alăturată. Neutronul va avea dimensiunea unei semințe de cireș.
Pentru ca neutronii emiși să nu zboare în zadar în afara lingoului de uraniu și mai mult de 50% dintre ei ar găsi o țintă sub formă de nuclee atomice, acest lingou trebuie să aibă dimensiunea corespunzătoare. Aceasta este ceea ce se numește masa critică a uraniului - masa la care mai mult de jumătate din neutronii emiși se ciocnesc cu alte nuclee.
De fapt, se întâmplă într-o clipă. Numărul de nuclee scindate crește ca o avalanșă, fragmentele lor se repezi în toate direcțiile cu viteze comparabile cuviteza luminii, ruperea aerului liber, a apei, orice alt mediu. Din ciocnirile lor cu moleculele din mediu, zona exploziei se încălzește instantaneu până la milioane de grade, radiind căldură care incinerează totul într-o zonă de câțiva kilometri.
Aerul încălzit brusc se extinde instantaneu în dimensiune, creând o undă de șoc puternică care aruncă clădirile de pe fundații, răstoarnă și distruge totul în cale… aceasta este imaginea unei explozii atomice.
Cum arată în practică
Dispozitivul bombei atomice este surprinzător de simplu. Există două lingouri de uraniu (sau alt metal radioactiv), fiecare dintre ele fiind puțin mai mic decât masa critică. Unul dintre lingouri este făcut sub formă de con, celăl alt este o minge cu o gaură în formă de con. După cum ați putea ghici, atunci când cele două jumătăți sunt combinate, se obține o minge, în care se atinge masa critică. Aceasta este o bombă nucleară simplă standard. Cele două jumătăți sunt conectate folosind încărcarea obișnuită TNT (conul este împușcat în minge).
Dar să nu credeți că cineva poate asambla un astfel de dispozitiv „pe genunchi”. Trucul este că uraniul, pentru ca o bombă să explodeze, trebuie să fie foarte pur, prezența impurităților este practic nulă.
De ce nu există o bombă atomică de mărimea unui pachet de țigări
Toate din același motiv. Masa critică a celui mai comun izotop al uraniului 235 este de aproximativ 45 kg. O explozie a acestei cantități de combustibil nuclear este deja un dezastru. Și să faci un dispozitiv exploziv cu mai puțincantitatea de substanță este imposibilă - pur și simplu nu va funcționa.
Din același motiv, nu a fost posibil să se creeze încărcături atomice super-puternice din uraniu sau din alte metale radioactive. Pentru ca bomba să fie foarte puternică, a fost făcută dintr-o duzină de lingouri, care, atunci când încărcăturile detonante au fost detonate, s-au repezit în centru, conectându-se ca felii de portocale.
Dar ce s-a întâmplat de fapt? Dacă, dintr-un motiv oarecare, două elemente s-au întâlnit cu o miime de secundă mai devreme decât celel alte, masa critică a fost atinsă mai repede decât ar „veni în timp” restul, explozia nu a avut loc la puterea la care se așteptau proiectanții. Problema armelor nucleare super-puternice a fost rezolvată doar odată cu apariția armelor termonucleare. Dar asta este o poveste puțin diferită.
Cum funcționează un atom pașnic
O centrală nucleară este în esență aceeași bombă nucleară. Doar această „bombă” are elemente de combustibil (elemente de combustibil) din uraniu situate la o oarecare distanță unele de altele, ceea ce nu le împiedică să facă schimb de „lovitură” cu neutroni.
Elementele de combustibil sunt realizate sub formă de tije, între care se află tije de control dintr-un material care absoarbe bine neutronii. Principiul de funcționare este simplu:
- tije reglatoare (absorbante) sunt introduse în spațiul dintre tijele de uraniu - reacția încetinește sau se oprește cu totul;
- tijele de control sunt îndepărtate din zonă - elementele radioactive schimbă activ neutroni, reacția nucleară decurge mai intens.
Într-adevăr, se dovedește aceeași bombă atomică,în care masa critică este atinsă atât de ușor și este reglată atât de clar încât nu duce la o explozie, ci doar la încălzirea lichidului de răcire.
Deși, din păcate, așa cum arată practica, nu întotdeauna geniul uman este capabil să frâneze această energie uriașă și distructivă - energia dezintegrarii nucleului atomic.
