Multe noi descoperiri, fie ele fizice, biologice sau chimice, au fost utilizate în mod greșit pentru a face și a prepara arme, bombe sau explozivi. Cunoașterea energiei nucleare nu a făcut excepție.
Bombele atomice folosesc energie care este eliberată din nucleele atomice. Există două astfel de tipuri: bomba atomică și bomba cu hidrogen. Ambele sunt atât de puternice încât efectul lor este măsurat în kilotoni și megatoni de trinitrotoluen (TNT), care este egal cu puterea unei explozii de mii și, respectiv, milioane de tone de TNT. O bombă nucleară cu o încărcare de 1 kg de uraniu-238 corespunde unei încărcări de 20.000 de tone de TNT.
Bomba atomică include și bomba cu hidrogen, care folosește și energia legată în atom. Totuși, mai des, termenul „bombă atomică” se referă la tipuri mai vechi de bombe care funcționează pe principiul fisiunii nucleare atomice. Bomba cu hidrogen funcționează pe principiul fuziunii nucleare, adică sinteza a doi izotopi ușori de hidrogen într-unul mai greu. În ambele reacții, clivaj și fuziune, se eliberează o energie extraordinară și apare o explozie.
Oamenii de știință au realizat că uraniul natural nu poate fi utilizat în bombă, deoarece conține doar 0,7% din izotopul uraniu-235 și numai în cazul său are loc un proces de fisiune, deci poate fi fisionat. Majoritatea neutronilor eliberați în reacția de fisiune ar fi prinși fără niciun beneficiu de către atomii izotopului de uraniu non-fissil 238, astfel încât reacția în lanț să se oprească chiar înainte de a începe. Cu toate acestea, bomba ar putea deveni reală dacă cei doi izotopi se vor separa.
Cele mai frecvente elemente care au atomi foarte stabili care nu pot fi ușor clivate decât dacă se folosește tehnica de bombardare a acceleratorului de particule. Unul dintre elementele ale căror atomi pot fi scindați relativ ușor este elementul metalic uraniu. Acest lucru se datorează faptului că uraniul este un metal extrem de greu și are cei mai mari atomi dintre toate elementele. Uraniul apare sub forma a doi izotopi diferiți (un izotop este o formă a unui element care diferă prin numărul de neutroni din atomii săi).
În timpul celui de-al doilea război mondial, un complex industrial științific-militar cunoscut sub numele de zona Manhattan a produs 3 bombe atomice: o bombă de plutoniu detonată în Alamogordo, New Mexico, 16 iulie 1945, o altă bombă de plutoniu detonată în Nagasaki, Japonia, 9 august 1945, și o bombă cu uraniu a detonat la Hiroshima, Japonia, 6 august 1945. Toate aceste bombe au fost eficiente la aproximativ 20 de kilotone, dând o forță explozivă egală cu 20.000 de tone de TNT. Aceste dispozitive au fost destul de ineficiente - doar o mică parte din totalul materialului de fisiune a suferit efectiv procesul de fisiune, restul a fost împrăștiat doar în jur, luat înainte de a avea șansa de a intra în fisiune.
Bomba atomică, desigur, nu conține doar combustibil nuclear. Trebuie să aibă un mecanism relativ complex încorporat care inițiază o reacție în lanț, precum și un dispozitiv de siguranță care să excludă absolut posibilitatea declanșării accidentale.
O bucată de uraniu mai mare decât masa critică nu poate fi introdusă pur și simplu într-o bombă. Acest lucru ar avea ca rezultat o reacție în lanț imediată. Fizicianul austriac Otto Frisch (1904 - 1979) a calculat așa-numitul masă critică de uraniu 235 - cea mai mică cantitate la care foarte particulele devin instabile și la care reacția în lanț nuclear are loc spontan. El a arătat că această cantitate este de doar câteva kilograme), ceea ce este potrivit și pentru utilizarea într-o bombă aeriană.
Prin urmare, două sau mai multe încărcături de material fisil pur (235 U sau 239 Pu) sunt inserate într-o cantitate subcritică, care se află la o distanță sigură una de cealaltă. Pentru a începe reacția în lanț, trebuie pur și simplu să-i împingă împreună.
Cea mai simplă bombă atomică posibilă este cea pe care au aruncat-o pe Hiroshima. Este, de asemenea, cunoscut sub numele de „bombă de tip tun” și conține într-adevăr un tun. La un capăt al butoiului său se află o țintă sub forma unei bucăți a izotopului 235 U, cu o masă chiar sub masa critică. Forma sa seamănă cu o sferă cu o pană goală, conică, care arată în interiorul ei și orientată spre celălalt capăt, în principal.
La celălalt capăt al butoiului se află o a doua bucată mai mică de izotop în formă de con 235 U, îndreptată spre decalajul din țintă. Are forma exactă a părții lipsă într-o bucată mai mare de izotop. Greutatea ambelor piese este chiar peste limita critică de greutate.
În spatele piesei mai mici de izotop se află o sarcină clasică, extrem de explozivă, care, atunci când este inițiată, aruncă conul în cavitatea goală a unei părți mai mari a izotopului, în timp ce cele două piese sunt unite într-o singură unitate și urmează imediat o explozie.
Pe lângă mecanismul de bază care activează reacția în lanț, bomba atomică trebuie să aibă și un mecanism pentru detonarea unui exploziv clasic. Alegerea acestui mecanism depinde de tipul exact și de utilizarea bombei. Bombele folosite peste Hiroshima și Nagasaki aveau altimetre încorporate care au explodat automat când bomba a atins o anumită înălțime deasupra orașului.
Majoritatea lumii consideră că bombele atomice sunt arme învechite. Cu toate acestea, acestea sunt încă utilizate ca „declanșatoare” ale bombelor cu hidrogen.
Bomba a căzut pe Hiroshima:
Explozia unei bombe nucleare poate fi caracterizată ca o reacție în lanț necontrolată cu fisiune avalanșă.
Reacția în lanț determină o detonare atomică la 50 de milioane de kelvini și o suprapresiune de 1 10 11 pascali în 5-10-6 secunde. În cazul unei bombe de 20 kilotoni, mingea de foc atinge diametrul maxim de 500 m după 1 secundă, apoi rămâne neschimbată timp de aproximativ 10 secunde, până când se micșorează în final din cauza răcirii.
După explozie, apare pentru prima dată un fulger orbitor, în jurul căruia se formează un nor detonant. Apoi se formează o minge de foc, care se ridică pentru a forma un fel de „trunchi” și ia cu el praf, pământ sau apă, iar pe sol la locul exploziei se află un nor de bază. Formația rezultată se numește ciupercă atomică.
O armă explozivă nucleară are o gamă largă de efecte distructive:
1. Efect termic (35% efect distructiv): Temperatura la locul exploziei este de câteva milioane de grade Celsius. De exemplu, în cazul unei bombe de 1 megaton, hârtia se aprinde pe o rază de 14 km de la epicentru. Desigur, oamenii și animalele vor suferi, de asemenea, arsuri ale pielii și altele asemenea.
2. Unda de șoc (50% efect distructiv): Aceasta este eficientă la câțiva kilometri de epicentru. Este însoțit de un bubuit tunător. La punctul de detonare, suprapresiunea este de aproximativ 10 11 pascali, care apoi scade invers cu distanța. Unda de suprapresiune este urmată de o undă de subpresiune, care se manifestă ca o atracție puternică spre locul exploziei.
3. Efect de lumină: este eficient până la câțiva kilometri și o persoană poate deveni orbă de el.
4. Radiații (15% efect distructiv): Aceasta este cauzată de fluxul de neutroni (aproximativ 3%) și de radiațiile gamma, alfa și beta timp de aproximativ 1 minut (radiația inițială). Este mortal pentru oameni pe o rază de aproximativ 2 km de la epicentru. Partea de radiație care rămâne după 1 minut se numește radiație reziduală. Se compune din gradient radioactiv și radiații induse de neutroni (radiații alfa, beta, gamma). Radiațiile vor scădea la niveluri sigure la aproximativ o săptămână după explozie.
Caderea radioactivă este împărțită în locală (cade la 10-20 de ore după explozie la o distanță de 400 km), continentală (cade în decurs de o săptămână după explozie la o distanță de 4000 km) și globală (cade doar după luni sau ani). Ponderea radiațiilor (și mai ales a neutronilor) poate fi crescută în detrimentul altor efecte distructive, atunci vorbim despre așa-numitele bombă cu neutroni (numele corect este „armă cu radiații crescute”).
Masa critică pentru 235 Uranus este de 50 kg, iar pentru 239 Plutonium este de 10 kg.
Plutoniul nu se află în forma sa naturală, cu excepția unor urme nesemnificative și, prin urmare, trebuie să fie produs artificial prin transformarea uraniului într-un reactor nuclear. Conversia are loc cu ajutorul neutronilor, care sunt aruncați către uraniu.
Conversia are loc după cum urmează:
Uraniul original reacționează cu neutronul pentru a forma 239 92U, electronul e - și antineutrina. Electronii și antineutrinii sunt rezultatul decăderii .
239 92U devine în continuare 239 93Np, al cărui număr de protoni a crescut datorită electronului din descompunerea neutronului. Neptunium se schimbă în cele din urmă la 239 94Pu, care are deja un număr de protoni de 94.
Compoziția particulelor de nuclee
Nucleii atomici constau din nucleoni (neutroni + protoni). Există un număr de protoni (Z ≥ 1), numărul neutronilorN ≥ 0) și ultima pe care o vom menționa este numărul nucleonului (masa). Are un brand A și dă suma de protoni și neutroni. A = Z + N.
Greutatea camerei m (X) particule X, dacă atomul, ionul etc. sunt calculate în funcție de relație m (X) = Ar (X). mu, unde este constanta masei atomice
(mu = 1,66. 10 -27 kg) și Ar este masa atomică relativă. Valorile greutății sunt foarte mici, deci este mai bine să lucrați cu greutăți relative, care sunt mai clare. Dar cum poate fi măsurată această greutate? Și cum să afli care dintre cei doi atomi este mai greu atunci când nu poți folosi greutatea? Aceste greutăți pot fi măsurate foarte precis cu ajutorul unui spectrometru de masă. Imaginați-vă cei doi atomi unul lângă celălalt pe autostradă în timp ce merg cu aceeași viteză. Dintr-o dată, o forță electrică sau magnetică începe să acționeze asupra lor din lateral. Un atom cu masă mai mică se va abate mult mai repede de la traiectoria sa inițială și va merge în direcția în care forța îl conduce. Acest atom va cădea într-unul dintre voi, iar cel mai greu se va abate mai puțin de pe orbita sa și va cădea în celălalt recipient. În acest fel, se pot distinge greutățile lor, iar spectrometrul de masă funcționează pe acest principiu.
Energia nucleară poate fi eliberată prin fisionarea nucleelor foarte grele în condiții create artificial. Înțelegerea rolului neutronilor (originea, mișcarea și efectele) este esențială pentru înțelegerea reacțiilor de fisiune. Știm că în timpul fisiunii majorității nucleelor, neutronii se formează din nou. Când nucleele se despart, există și o scădere a greutății de placare a nucleelor, eliberând cantități uriașe de energie. De unde vine această energie? Formula pentru calcularea energiei este E = mc 2 E este energie, m este masa și c este viteza luminii. Albert Einstein a adus o contribuție semnificativă la crearea acestei ecuații. Vom ajuta cu explicația prin ecuație.
U + n --> Kr * + Ba * + 3 (n) sau U + n --> Sr * + Xe * + 5 (n).
Timp de înjumătățire: timpul necesar pentru ca exact jumătate din atomii unui element radioactiv să se descompună. Valoarea emisiilor de radiații va fi redusă la jumătate. Timpul de dezintegrare variază pe o gamă mai largă, de exemplu: 238 U are un timp de înjumătățire de 4,5 miliarde de ani, în timp ce 221 Ra doar 30 de secunde.
După cum am aflat, bombele de fisiune trebuie să conțină fie uraniu, fie plutoniu. O bombă aruncată pe Hiroshima pe 6 august 1945 a folosit uraniu ca material fisibil, în timp ce Nagasaki a fost distrus pe 9 august 1945 cu o bombă de plutoniu.
Aplicația E = mc 2
Această ecuație reprezintă relația dintre energie și masă. Einstein a contribuit foarte mult la crearea acestei ecuații. Premiera a fost terifiantă. A avut loc în orașele japoneze Hiroshima și Nagasaki. Probabil știi deja despre ce vorbesc. Confirmarea experimentală a relației E = mc 2 a trebuit să aștept până la fizica nucleară. Și a durat ceva timp să se descopere că ar putea exista ceva de genul unui nucleu atomic. Ernest Rutherford a venit cu ideea în 1911. Ideea că nucleul ar putea conține protoni și neutroni nu a atacat Rutherford decât în 1920. Și că neutronul chiar există, James Chadwick nu a confirmat experimental până în 1932. Fizica nucleară s-a dezvoltat lent. Cu toate acestea, când sa dezvoltat în cele din urmă, a oferit o relație pentru Einstein E = mc 2 număr mare de confirmări experimentale. Există multe reacții nucleare în care nucleele mai ușoare se combină în cele mai grele sau, dimpotrivă, nucleele mai grele se descompun în cele mai ușoare. Greutatea nucleelor (mai exact, așa-numita lor greutate de repaus) nu este păstrată în timpul acestor transformări. Fiecare pierdere de greutate (în repaus) este însoțită de o creștere a energiei, întotdeauna în conformitate cu relația lui Einstein.