Der er gået lidt mere end to måneder siden afslutningen på den værste krig i menneskehedens historie. Og så den 16. juli 1945 blev den første atombombe testet af det amerikanske militær, og en måned senere dør tusindvis af indbyggere i japanske byer i atomhelvede. Siden da er atomvåben, såvel som midlerne til at levere dem til mål, løbende blevet forbedret i mere end et halvt århundrede.
Militæret ønskede at have både superstærk ammunition til rådighed, der fejede hele byer og lande af kortet med et slag, og ultrasmå, der passede i en mappe. En sådan enhed ville bringe sabotagekrigen til et hidtil uset niveau. Både med den første og med den anden var der uoverstigelige vanskeligheder. Årsagen til dette er den såkaldte kritiske masse. Men først ting først.
Sådan en eksplosiv kerne
For at forstå, hvordan nukleare enheder fungerer og forstå, hvad der kaldes kritisk masse, lad os gå tilbage til skrivebordet et stykke tid. Fra skolens fysikkursus husker vi en simpel regel: ladninger af samme navn frastøder hinanden. Samme sted i gymnasiet bliver eleverne fort alt om atomkernens opbygning, der består af neutroner, neutrale partikler ogpositivt ladede protoner. Men hvordan er dette muligt? Positivt ladede partikler er så tæt på hinanden, at de frastødende kræfter må være kolossale.
Videnskaben er ikke helt klar over naturen af intranukleare kræfter, der holder protoner sammen, selvom egenskaberne af disse kræfter er blevet studeret ganske godt. Kræfter virker kun på meget tæt hold. Men det er i det mindste lidt værd at adskille protonerne i rummet, da de frastødende kræfter begynder at sejre, og kernen splintres i stykker. Og kraften i en sådan udvidelse er virkelig kolossal. Det er kendt, at styrken af en voksen mand ikke ville være nok til at holde protonerne fra kun en enkelt kerne af blyatomet.
Hvad var Rutherford bange for
Kernerne i de fleste grundstoffer i det periodiske system er stabile. Men efterhånden som atomnummeret stiger, falder denne stabilitet. Det handler om størrelsen af kernerne. Forestil dig kernen af et uranatom, bestående af 238 nuklider, hvoraf 92 er protoner. Ja, protoner er i tæt kontakt med hinanden, og intranukleare kræfter cementerer hele strukturen sikkert. Men den frastødende kraft af protoner placeret i modsatte ender af kernen bliver mærkbar.
Hvad lavede Rutherford? Han bombarderede atomer med neutroner (en elektron vil ikke passere gennem et atoms elektronskal, og en positivt ladet proton vil ikke være i stand til at nærme sig kernen på grund af frastødende kræfter). En neutron, der kommer ind i kernen af et atom, forårsager dets fission. To separate halvdele og to eller tre frie neutroner fløj fra hinanden.
Dette henfald, på grund af de flyvende partiklers enorme hastighed, blev ledsaget af frigivelsen af enorm energi. Der var et rygte om, at Rutherford endda ønskede at skjule sin opdagelse, bange for dens mulige konsekvenser for menneskeheden, men dette er højst sandsynligt ikke andet end et eventyr.
Så hvad har massen med det at gøre, og hvorfor er det kritisk
Hvad så? Hvordan kan man bestråle nok radioaktivt metal med en strøm af protoner til at frembringe en kraftig eksplosion? Og hvad er kritisk masse? Det hele handler om de få frie elektroner, der flyver ud af den "bombede" atomkerne, de til gengæld, der kolliderer med andre kerner, vil forårsage deres fission. En såkaldt nuklear kædereaktion vil begynde. Det vil dog være ekstremt vanskeligt at lancere det.
Tjek skalaen. Hvis vi tager et æble på vores bord som kernen i et atom, så for at forestille os kernen af et naboatom, skal det samme æble bæres og lægges på bordet ikke engang i det næste rum, men.. i det næste hus. Neutronen vil være på størrelse med et kirsebærfrø.
For at de udsendte neutroner ikke skal flyve forgæves væk uden for uranbarren, og mere end 50 % af dem ville finde et mål i form af atomkerner, skal denne barre have den passende størrelse. Dette er det, der kaldes den kritiske masse af uran - den masse, hvor mere end halvdelen af de udsendte neutroner kolliderer med andre kerner.
Faktisk sker det på et øjeblik. Antallet af splittede kerner vokser som en lavine, deres fragmenter skynder sig i alle retninger med hastigheder svarende tillysets hastighed, rivende luft, vand, ethvert andet medium. Fra deres kollisioner med miljømolekyler opvarmes eksplosionsområdet øjeblikkeligt til millioner af grader og udstråler varme, der forbrænder alt i et område på adskillige kilometer.
Pludselig udvider opvarmet luft sig øjeblikkeligt i størrelse, hvilket skaber en kraftig chokbølge, der blæser bygninger af fundamentet, vælter og ødelægger alt på dens vej … dette er billedet af en atomeksplosion.
Sådan ser det ud i praksis
Atombombens enhed er overraskende enkel. Der er to barrer af uran (eller andet radioaktivt metal), som hver er lidt mindre end den kritiske masse. En af barrerne er lavet i form af en kegle, den anden er en kugle med et kegleformet hul. Som du måske kan gætte, når de to halvdele kombineres, opnås en bold, hvor den kritiske masse nås. Dette er en almindelig simpel atombombe. De to halvdele er forbundet med den sædvanlige TNT-ladning (keglen skydes ind i bolden).
Men tro ikke, at nogen kan samle sådan en enhed "på knæet". Tricket er, at uran, for at en bombe kan eksplodere, skal være meget rent, tilstedeværelsen af urenheder er praktisk t alt nul.
Hvorfor er der ingen atombombe på størrelse med en pakke cigaretter
Alle af samme grund. Den kritiske masse af den mest almindelige isotop af uran 235 er omkring 45 kg. En eksplosion af denne mængde nukleart brændsel er allerede en katastrofe. Og at lave en eksplosiv enhed med mindremængden af stof er umulig - det vil bare ikke fungere.
Af samme grund var det ikke muligt at skabe superstærke atomladninger fra uran eller andre radioaktive metaller. For at bomben skulle være meget kraftig, var den lavet af et dusin barrer, som, da detonerende ladninger blev detoneret, skyndte sig ind til midten og forbandt sig som appelsinskiver.
Men hvad skete der egentlig? Hvis to elementer af en eller anden grund mødtes en tusindedel af et sekund tidligere end de andre, blev den kritiske masse nået hurtigere, end resten ville "ankomme i tide", skete eksplosionen ikke med den kraft, som designerne forventede. Problemet med supermægtige atomvåben blev kun løst med fremkomsten af termonukleare våben. Men det er en lidt anden historie.
Hvordan fungerer et fredeligt atom
Et atomkraftværk er stort set den samme atombombe. Kun denne "bombe" har brændstofelementer (brændstofelementer) lavet af uran placeret i nogen afstand fra hinanden, hvilket ikke forhindrer dem i at udveksle neutron-"angreb".
Brændstofelementer er lavet i form af stænger, mellem hvilke der er styrestænger lavet af et materiale, der absorberer neutroner godt. Funktionsprincippet er enkelt:
- regulerende (absorberende) stænger indsættes i mellemrummet mellem uranstængerne - reaktionen bremses eller stopper helt;
- kontrolstænger fjernes fra zonen - radioaktive elementer udveksler aktivt neutroner, kernereaktionen forløber mere intensivt.
Det viser sig faktisk den samme atombombe,hvor den kritiske masse nås så jævnt og reguleres så tydeligt, at det ikke fører til en eksplosion, men kun til opvarmning af kølevæsken.
Selv om det desværre, som praksis viser, ikke altid er det menneskelige geni i stand til at bremse denne enorme og destruktive energi - energien fra atomkernens henfald.
