Изминаха малко повече от два месеца от края на най-тежката война в историята на човечеството. И така, на 16 юли 1945 г. първата ядрена бомба е изпитана от американската армия, а месец по-късно хиляди жители на японски градове загиват в атомния ад. Оттогава ядрените оръжия, както и средствата за доставянето им до цели, непрекъснато се подобряват в продължение на повече от половин век.
Войните искаха да имат на свое разположение както супермощни боеприпаси, които с един удар изтриват цели градове и държави от картата, така и свръхмалки, които се побират в куфарче. Такова устройство би довело саботажната война до безпрецедентно ниво. И с първото, и с второто имаше непреодолими трудности. Причината за това е така наречената критична маса. Обаче първо първо.
Такова експлозивно ядро
За да разберем как работят ядрените устройства и да разберем какво се нарича критична маса, нека се върнем за малко на бюрото. От училищния курс по физика си спомняме едно просто правило: едноименните заряди се отблъскват. На същото място в гимназията на учениците се разказва за структурата на атомното ядро, състоящо се от неутрони, неутрални частици иположително заредени протони. Но как е възможно това? Положително заредените частици са толкова близо една до друга, че силите на отблъскване трябва да са колосални.
Науката не е напълно наясно с природата на вътрешноядрените сили, които държат протоните заедно, въпреки че свойствата на тези сили са проучени доста добре. Силите действат само на много близко разстояние. Но си струва поне малко да се разделят протоните в пространството, тъй като отблъскващите сили започват да преобладават и ядрото се разпада на парчета. И силата на такова разширяване е наистина колосална. Известно е, че силата на възрастен мъж не би била достатъчна, за да задържи протоните само на едно-единствено ядро на оловния атом.
От какво се страхуваше Ръдърфорд
Ядрата на повечето елементи от периодичната таблица са стабилни. Въпреки това, с увеличаването на атомния номер тази стабилност намалява. Става дума за размера на ядрата. Представете си ядрото на уранов атом, състоящо се от 238 нуклида, от които 92 са протони. Да, протоните са в близък контакт един с друг и вътрешноядрените сили сигурно циментират цялата структура. Но силата на отблъскване на протоните, разположени в противоположните краища на ядрото, става забележима.
Какво правеше Ръдърфорд? Той бомбардира атомите с неутрони (електронът няма да премине през електронната обвивка на атома, а положително зареден протон няма да може да се приближи до ядрото поради отблъскващи сили). Неутрон, влизащ в ядрото на атом, причинява неговото делене. Две отделни половини и два или три свободни неутрона се разлетяха.
Този разпад, поради огромната скорост на летящите частици, беше придружен от освобождаване на огромна енергия. Имаше слух, че Ръдърфорд дори е искал да скрие своето откритие, страхувайки се от възможните последици от него за човечеството, но това най-вероятно не е нищо повече от приказка.
И така, какво общо има масата с нея и защо е критично
И какво от това? Как може човек да облъчи достатъчно радиоактивен метал с поток от протони, за да произведе мощна експлозия? И какво е критична маса? Всичко е за онези няколко свободни електрона, които излитат от "бомбардираното" атомно ядро, те от своя страна, сблъсквайки се с други ядра, ще предизвикат тяхното делене. Ще започне така наречената ядрена верижна реакция. Въпреки това, стартирането му ще бъде изключително трудно.
Проверете скалата. Ако вземем ябълка на масата си като ядро на атом, тогава, за да си представим ядрото на съседен атом, същата ябълка ще трябва да бъде пренесена и поставена на масата дори не в съседната стая, а.. в съседната къща. Неутронът ще бъде с размерите на черешово семе.
За да не отлетят напразно излъчените неутрони извън урановия слитък, а повече от 50% от тях биха намерили цел под формата на атомни ядра, този слитък трябва да има подходящия размер. Това се нарича критична маса на урана - масата, при която повече от половината от излъчените неутрони се сблъскват с други ядра.
Всъщност това се случва за миг. Броят на разцепените ядра нараства като лавина, техните фрагменти се втурват във всички посоки със скорости, сравними сскоростта на светлината, разкъсване на въздух, вода, всяка друга среда. От сблъсъците им с молекулите на околната среда, зоната на експлозията моментално се нагрява до милиони градуси, излъчвайки топлина, която изгаря всичко в район от няколко километра.
Внезапно нагрят въздух мигновено се разширява по размер, създавайки мощна ударна вълна, която взривява сгради от основите, преобръща и унищожава всичко по пътя си… това е картината на атомна експлозия..
Как изглежда на практика
Устройството на атомната бомба е изненадващо просто. Има две слитка уран (или друг радиоактивен метал), всеки от които е малко по-малък от критичната маса. Единият от слитъците е направен под формата на конус, другият е топка с конусовидна дупка. Както се досещате, когато двете половини се комбинират, се получава топка, в която се достига критичната маса. Това е стандартна проста ядрена бомба. Двете половини са свързани с помощта на обичайния TNT заряд (конусът се изстрелва в топката).
Но не мислете, че някой може да сглоби такова устройство "на коляно". Номерът е, че уранът, за да избухне бомба, трябва да е много чист, наличието на примеси е практически нулево.
Защо няма атомна бомба с размерите на кутия цигари
Всички по една и съща причина. Критичната маса на най-разпространения изотоп на уран 235 е около 45 кг. Експлозия на това количество ядрено гориво вече е катастрофа. И да направим взривно устройство с по-малкоколичеството вещество е невъзможно - просто няма да работи.
По същата причина не беше възможно да се създадат свръхмощни атомни заряди от уран или други радиоактивни метали. За да бъде бомбата много мощна, тя е направена от десетина блокчета, които при взривяването на детониращите заряди се втурват към центъра, свързвайки се като резени портокал.
Но какво всъщност се случи? Ако по някаква причина два елемента се срещнат с една хилядна от секундата по-рано от останалите, критичната маса се достигне по-бързо, отколкото останалите биха „пристигнали навреме“, експлозията не се случи при мощността, която са очаквали дизайнерите. Проблемът със свръхмощните ядрени оръжия беше решен едва с появата на термоядрени оръжия. Но това е малко по-различна история.
Как работи мирният атом
Атомната електроцентрала е по същество същата ядрена бомба. Само тази "бомба" има горивни елементи (горивни елементи) от уран, разположени на известно разстояние един от друг, което не им пречи да обменят неутронен "удар".
Горивните елементи са направени под формата на пръти, между които има контролни пръти, изработени от материал, който абсорбира добре неутроните. Принципът на действие е прост:
- регулиращи (абсорбиращи) пръчки се вкарват в пространството между урановите пръчки - реакцията се забавя или спира напълно;
- контролните пръти се отстраняват от зоната - радиоактивните елементи активно обменят неутрони, ядрената реакция протича по-интензивно.
Наистина, оказва се същата атомна бомба,при който критичната маса се достига толкова плавно и се регулира толкова ясно, че не води до експлозия, а само до нагряване на охлаждащата течност.
Въпреки че, за съжаление, както показва практиката, не винаги човешкият гений е в състояние да овладее тази огромна и разрушителна енергия - енергията на разпадането на атомното ядро.
