Багато нових відкриттів, фізичних, біологічних чи хімічних, були зловживані для виготовлення та підготовки зброї, бомб або вибухових речовин. Знання атомної енергетики не було винятком.
Атомні бомби використовують енергію, яка виділяється з атомних ядер. Таких типів два: атомна бомба і воднева. Обидва вони настільки потужні, що їх ефект вимірюється в кілотоннах і мегатонах тринітротолуолу (тротилу), що дорівнює силі вибуху тисяч і мільйонів тонн тротилу відповідно. Ядерна бомба із зарядом в 1 кг урану-238 відповідає заряду в 20 000 тонн тротилу.
Атомна бомба також включає водневу бомбу, яка також використовує енергію, пов'язану в атомі. Однак частіше термін "атомна бомба" позначає старіші типи бомб, які працюють за принципом ділення атомної ядерної зброї. Воднева бомба працює за принципом ядерного синтезу, тобто синтезу двох легких ізотопів водню в один важчий. В обох цих реакціях, розщепленні та синтезі, виділяється величезна кількість енергії і відбувається вибух.
Вчені зрозуміли, що природний уран не можна використовувати в бомбі, оскільки він містить лише 0,7% ізотопу урану-235, і лише в цьому випадку відбувається процес поділу, тому його можна розщепити. Більшість нейтронів, що виділяються в результаті реакції поділу, будуть захоплені без будь-якої користі атомами нерозщеплюваного ізотопу урану 238, так що ланцюгова реакція зупиниться ще до її початку. Однак бомба може стати реальною, якщо два ізотопи розділяться.
Найчастіше зустрічаються елементи мають дуже стабільні атоми, які неможливо легко розщепити, якщо не використовується техніка бомбардування прискорювачем частинок. Одним з елементів, атоми яких можна порівняно легко розщепити, є металевий елемент уран. Це тому, що уран є надзвичайно важким металом і має найбільші атоми з усіх елементів. Уран зустрічається у формі двох різних ізотопів (ізотоп - це форма елемента, що відрізняється кількістю нейтронів у своїх атомах).
Під час Другої світової війни науково-військовий промисловий комплекс, відомий як Манхеттен, випустив 3 атомні бомби: одна плутонієва бомба спрацювала в Аламогордо, штат Нью-Мексико, 16 липня 1945 р., Інша плутонієва бомба спрацювала в Нагасакі, Японія, 9 серпня 1945 р. і одна уранова бомба вибухнула в Хіросімі, Японія, 6 серпня 1945 р. Усі ці бомби мали ефективність приблизно 20 кілотонн, даючи вибухонебезпечну силу, рівну 20 000 тонн тротилу. Ці пристрої були досить неефективними - лише невелика частка загального матеріалу поділу фактично зазнала процесу поділу, решта була лише розкидана навколо, вивезена до того, як вона мала шанс потрапити в розподіл.
Атомна бомба, звичайно, містить не тільки ядерне паливо. Він повинен мати вбудований відносно складний механізм, який ініціює ланцюгову реакцію, а також захисний пристрій, який абсолютно виключає можливість випадкового спрацьовування.
Шматок урану, який перевищує критичну масу, не можна просто вкласти в бомбу. Це призведе до негайної ланцюгової реакції. Австрійський фізик Отто Фріш (1904 - 1979) розрахував т. Зв критична маса урану 235 - найменша кількість, при якій самі частинки стають нестійкими і при яких ядерна ланцюгова реакція відбувається спонтанно. Він показав, що ця кількість становить лише кілька кілограмів), що також підходить для використання в авіабомбі.
Отже, два або більше заряди чистого розщеплюваного матеріалу (235 U або 239 Pu) вставляються в підкритичній кількості, які знаходяться на безпечній відстані один від одного. Щоб розпочати ланцюгову реакцію, їм просто потрібно з’єднати їх.
Найпростіша можлива атомна бомба - та, яку вони скинули на Хіросіму. Він також відомий як "бомба гарматного типу" і насправді містить гармату. На одному кінці стовбура знаходиться мішень у вигляді шматка ізотопу 235 U з масою трохи нижче критичної маси. Його форма нагадує сферу з порожнистим конічним клином, який спрямований всередину та звернений до іншого кінця, головним чином.
На іншому кінці стовбура знаходиться другий, менший шматок конусоподібного ізотопу 235 U, спрямований до зазору в мішені. Він має точну форму відсутньої частини у більшому шматочку ізотопу. Вага обох деталей трохи перевищує критичну межу ваги.
За меншим шматочком ізотопу лежить класичний вибухонебезпечний заряд, який при ініціюванні занурює конус у порожню порожнину більшої частини ізотопу, тоді як ці два шматки з’єднуються в одне ціле, і відразу слідує вибух.
Окрім основного механізму, що активує ланцюгову реакцію, атомна бомба також повинна мати механізм детонації класичної вибухівки. Вибір цього механізму залежить від точного типу та використання бомби. Бомби, що використовувались над Хіросімою та Нагасакі, мали вбудовані висотоміри, які автоматично вибухали, коли бомба досягала певної висоти над містом.
Сьогодні більшість країн світу вважає атомні бомби застарілою зброєю. Однак вони все ще використовуються як "тригери" водневих бомб.
Бомба скинута на Хіросіму:
Вибух ядерної бомби можна охарактеризувати як неконтрольовану ланцюгову реакцію із поділом лавини.
Ланцюгова реакція викликає атомну детонацію при 50 мільйонах кельвінів та надлишковий тиск 1 10 11 паскалів протягом 5-10 -6 секунд. У разі 20-кілотонної бомби вогненна куля досягає максимального діаметра 500 м через 1 секунду, а потім залишається незмінною протягом 10 секунд, поки остаточно не скорочується внаслідок охолодження.
Після вибуху спочатку з’являється сліпучий спалах світла, навколо якого утворюється детонуюча хмара. Тоді утворюється вогненна куля, яка піднімається, утворюючи своєрідний «стовбур», і забирає з собою пил, землю або воду, а на місці на місці вибуху є земна хмара. Отримане утворення називається атомним грибом.
Ядерна вибухова зброя має широкий спектр руйнівних ефектів:
1. Тепловий ефект (35% руйнівний ефект): Температура на місці вибуху становить кілька мільйонів градусів Цельсія. Наприклад, у випадку з 1-мегатонною бомбою папір самозаймається в радіусі 14 км від епіцентру. Звичайно, люди і тварини також страждають від опіків шкіри тощо.
2. Ударна хвиля (50% руйнівний ефект): Це ефективно в межах декількох кілометрів від епіцентру. Це супроводжується громовим вибухом. У точці детонації надлишковий тиск становить приблизно 10 11 паскалів, який потім зменшується обернено з відстанню. За хвилею надлишкового тиску слідує хвиля надлишкового тиску, яка проявляється як сильний потяг до місця вибуху.
3. Світловий ефект: Ефективний до декількох кілометрів, і людина може від цього осліпнути.
4. Випромінювання (15% руйнівний ефект): Це спричинено потоком нейтронів (близько 3%) та гамма-, альфа- та бета-випромінюванням протягом приблизно 1 хвилини (початкове випромінювання). Це смертельно небезпечно для людей в радіусі близько 2 км від епіцентру. Частина випромінювання, яка залишається через 1 хвилину, називається залишковим випромінюванням. Він складається з радіоактивного градієнта та індукованого нейтронами випромінювання (альфа, бета, гамма-випромінювання). Приблизно через тиждень після вибуху радіація впаде до безпечного рівня.
Радіоактивні випадіння поділяються на місцеві (падають через 10-20 годин після вибуху на відстань до 400 км), континентальні (падають протягом тижня після вибуху на відстань до 4000 км) і глобальні (падають лише через місяці або роки). Частка випромінювання (і особливо нейтронів) може бути збільшена за рахунок інших руйнівних ефектів, тоді ми говоримо про т.зв. нейтронна бомба (правильна назва - "зброя з підвищеним випромінюванням").
Критична маса для 235 Урана становить 50 кг, а для 239 Плутонію - 10 кг.
Плутоній не в своїй природній формі, за винятком незначних слідових кількостей, і тому його потрібно виробляти штучним шляхом шляхом перетворення урану в ядерний реактор. Перетворення відбувається за допомогою нейтронів, які стріляють по урану.
Перетворення відбувається наступним чином:
Вихідний уран реагує з нейтроном, утворюючи 239 92U, електрон - і антинейтрин. Електрон і антинейтрино - результат розпаду .
239 92U далі стає 239 93Np, число протонів якого збільшилось за рахунок електрона від розкладання нейтрона. Зрештою Нептуній змінюється на 239 94Pu, який вже має протонне число 94.
Склад частинок ядер
Атомні ядра складаються з нуклонів (нейтрони + протони). Є число протона (Z ≥ 1), нейтронне числоN ≥ 0) і останнє, про яке ми згадаємо, - це число нуклонів (маса). У нього є бренд A і дає суму протонів і нейтронів. A = Z + N.
Кімнатна вага м (X) частинки X, чи розраховується атом, іон тощо відповідно до співвідношення m (X) = Ar (X). mu, де це константа атомної маси
(mu = 1,66. 10 -27 кг), а Ar - відносна атомна маса. Значення ваги дуже малі, тому краще працювати з відносною вагою, яка є чіткішою. Але як можна виміряти цю вагу? І як дізнатися, який з двох атомів складніший, коли ти не можеш використовувати вагу? Ці ваги можна дуже точно виміряти за допомогою мас-спектрометра. Уявіть, як два атоми поруч один з одним на шосе рухаються з однаковою швидкістю. Раптом на них починає діяти електрична або магнітна сила збоку. Атом з меншою масою набагато швидше відхилятиметься від початкової траєкторії і буде йти в напрямку, куди його веде сила. Цей атом впаде в одного з вас, а важчий буде менше відхилятися від своєї орбіти і потрапляти в інший контейнер. Таким чином можна визначити їх вагу, і мас-спектрометр працює за цим принципом.
Ядерну енергію можна виділити шляхом поділу дуже важких ядер у штучно створених умовах. Розуміння ролі нейтронів (походження, рух та ефекти) є ключовим для розуміння реакцій поділу. Ми знаємо, що під час поділу більшості ядер нейтрони утворюються знову. Коли ядра розщеплюються, відбувається також зменшення маси покриття ядер, виділяючи величезну кількість енергії. Звідки береться ця енергія? Формула для розрахунку енергії така E = mc 2 Е це енергія, м - маса і c - це швидкість світла. Альберт Ейнштейн зробив значний внесок у створення цього рівняння. Ми допоможемо з поясненням за рівнянням.
U + n --> Кр * + Ба * + 3 (n) або U + n --> Sr * + Xe * + 5 (n).
Період напіввиведення: час, за який розпадається рівно половина атомів радіоактивного елемента. Значення випромінювання буде зменшено вдвічі. Час розпаду варіюється в більш широкому діапазоні, наприклад: 238 U має період напіввиведення 4,5 мільярда років, тоді як 221 Ra - лише 30 секунд.
Як ми дізналися, бомби для поділу повинні містити або уран, або плутоній. Бомба, скинута на Хіросіму 6 серпня 1945 р., Використовувала уран як розщеплюється матеріал, тоді як Нагасакі був знищений 9 серпня 1945 р. Плутонієвою бомбою.
Застосування E = mc 2
Це рівняння представляє взаємозв'язок між енергією та масою. Ейнштейн зробив великий внесок у створення цього рівняння. Прем'єра була жахливою. Це відбулося в японських містах Хіросіма та Нагасакі. Ви, мабуть, уже знаєте, про що я. Експериментальне підтвердження стосунків E = mc 2 довелося дочекатися ядерної фізики. І знадобився деякий час, поки було виявлено, що може існувати щось на зразок атомного ядра. Ернест Резерфорд висунув цю ідею в 1911 році. Ідея про те, що ядро може містити протони та нейтрони, не атакувала Резерфорд до 1920 року. І що нейтрон справді існує, Джеймс Чадвік експериментально підтвердив лише в 1932 році. Ядерна фізика розвивалася повільно. Однак, коли він нарешті розвинувся, це забезпечило стосунки з Ейнштейном E = mc 2 велика кількість експериментальних підтверджень. Існує багато ядерних реакцій, при яких легші ядра поєднуються у важчі або, навпаки, більш важкі ядра розпадаються на більш легкі. Вага ядер (точніше, їх так звана вага спокою) не зберігається під час цих перетворень. Кожна втрата (відпочинку) ваги супроводжується збільшенням енергії, завжди відповідно до відносин Ейнштейна.