Много нови открития, независимо дали са физически, биологични или химически, са били използвани неправилно за направата и подготовката на оръжия, бомби или експлозиви. Познаването на ядрената енергия не беше изключение.
Атомните бомби използват енергия, която се отделя от атомните ядра. Има два такива типа: атомната бомба и водородната бомба. И двете са толкова мощни, че ефектът им се измерва в килотони и мегатони тринитротолуол (TNT), което е равно на силата на експлозия съответно на хиляди и милиони тонове TNT. Ядрена бомба със заряд от 1 кг уран-238 съответства на заряд от 20 000 тона тротил.
Атомната бомба включва и водородната бомба, която също използва енергията, свързана в атома. По-често обаче терминът "атомна бомба" се отнася до по-стари видове бомби, които работят на принципа на атомно ядрено делене. Водородната бомба работи на принципа на ядрения синтез, т.е. синтеза на два леки изотопа на водорода в един по-тежък. И при двете реакции, разцепване и синтез, се отделят огромни количества енергия и се получава експлозия.
Учените осъзнаха, че естественият уран не може да се използва в бомбата, тъй като тя съдържа само 0,7% от изотопа уран-235 и само в неговия случай протича процес на делене, така че той може да се разцепи. Повечето от неутроните, освободени в реакцията на делене, ще бъдат уловени без никаква полза от атомите на неразграждащия се уран изотоп 238, така че верижната реакция ще спре, преди дори да започне. Бомбата обаче може да стане реална, ако двата изотопа се разделят.
Най-често срещаните елементи имат много стабилни атоми, които не могат лесно да бъдат разцепени, освен ако не се използва техниката за бомбардиране на ускорителя на частиците. Един от елементите, чиито атоми могат да бъдат относително лесно разцепени, е металният елемент уран. Това е така, защото уранът е изключително тежък метал и има най-големите атоми от всички елементи. Уранът се среща под формата на два различни изотопа (изотопът е форма на елемент, който се различава по броя на неутроните в атомите си).
По време на Втората световна война научно-военен индустриален комплекс, известен като Манхатън, произвежда 3 атомни бомби: една плутониева бомба детонира в Аламогордо, Ню Мексико, 16 юли 1945 г., друга плутониева бомба детонира в Нагасаки, Япония, 9 август 1945 г., и една уранова бомба детонира в Хирошима, Япония, 6 август 1945 г. Всички тези бомби са били ефективни при около 20 килотона, давайки експлозивна сила, равна на 20 000 тона TNT. Тези устройства бяха доста неефективни - само малка част от общия материал на делене действително претърпя процеса на делене, останалото беше само разпръснато наоколо, отнесено, преди да има шанс да влезе в делене.
Атомната бомба, разбира се, съдържа не само ядрено гориво. Той трябва да има вграден относително сложен механизъм, който инициира верижна реакция, както и предпазно устройство, което абсолютно изключва възможността за случайно задействане.
Парче уран, по-голямо от критичната маса, не може просто да се вкара в бомба. Това би довело до незабавна верижна реакция. Австрийският физик Ото Фриш (1904 - 1979) изчислява т.нар критична маса уран 235 - най-малкото количество, при което много частици стават нестабилни и при което ядрената верижна реакция протича спонтанно. Той показа, че това количество е само няколко килограма), което също е подходящо за използване във въздушна бомба.
Следователно два или повече заряда от чист делящ се материал (235 U или 239 Pu) се вмъкват в подкритично количество, които са на безопасно разстояние един от друг. За да започнат верижната реакция, те просто трябва да ги притиснат.
Най-простата възможна атомна бомба е тази, която са хвърлили върху Хирошима. Известна е още като „бомба тип оръдие“ и наистина съдържа оръдие. В единия край на цевта му има мишена под формата на парче от изотопа 235 U, с маса точно под критичната маса. Формата му наподобява сфера с кух, коничен клин, който сочи вътре в него и обърнат към другия край, главно.
В другия край на цевта има второ, по-малко парче конусообразен 235 U изотоп, насочен към процепа в целта. Той има точната форма на липсващата част в по-голямо парче изотоп. Теглото на двата парчета е малко над критичната граница на теглото.
Зад по-малкото парче изотоп се крие класически, силно експлозивен заряд, който при иницииране потапя конуса в празната кухина на по-голяма част от изотопа, докато двете части се съединяват в една единица и веднага следва експлозия.
В допълнение към основния механизъм, който активира верижната реакция, атомната бомба трябва да има и механизъм за детониране на класически експлозив. Изборът на този механизъм зависи от точния тип и употреба на бомбата. Бомбите, използвани над Хирошима и Нагасаки, имат вградени висотомери, които експлодират автоматично, когато бомбата достигне определена височина над града.
Днес по-голямата част от света смята атомните бомби за остаряло оръжие. Въпреки това те все още се използват като „спусъци“ на водородни бомби.
Бомба хвърлена върху Хирошима:
Експлозията на ядрена бомба може да се характеризира като неконтролирана верижна реакция с деление на лавина.
Верижната реакция предизвиква атомна детонация при 50 милиона келвина и свръхналягане от 1 10 11 паскала в рамките на 5. 10 -6 секунди. В случай на 20-килотонна бомба, огнената топка достига своя максимален диаметър от 500 м след 1 секунда, след което остава непроменена за около 10 секунди, докато окончателно се свие поради охлаждане.
След експлозията за пръв път се появява ослепителна светкавица, около която се образува детониращ облак. Тогава се образува огнена топка, която се издига, за да образува своеобразен „багажник“ и поема със себе си прах, пръст или вода, а на земята на мястото на експлозията има приземен облак. Получената формация се нарича атомна гъба.
Ядрено експлозивно оръжие има широк спектър от разрушителни ефекти:
1. Термичен ефект (35% разрушителен ефект): Температурата на мястото на експлозията е няколко милиона градуса по Целзий. В случай на бомба с 1 мегатон например хартията се самозапалва в радиус от 14 км от епицентъра. Разбира се, хората и животните също ще страдат от изгаряния на кожата и други подобни.
2. Ударна вълна (50% разрушителен ефект): Това е ефективно в рамките на няколко километра от епицентъра. Той е придружен от гръмотевичен гръм и трясък. В точката на детонация свръхналягането е около 10 11 паскала, което след това намалява обратно на разстоянието. Вълната на свръхналягане е последвана от вълна под налягане, която се проявява като силно привличане към мястото на експлозията.
3. Светлинен ефект: Той е ефективен до няколко километра и човек може да ослепее от него.
4. Радиация (15% разрушителен ефект): Това се причинява от потока неутрони (около 3%) и гама, алфа и бета лъчение за около 1 минута (първоначално облъчване). Той е смъртоносен за хората в радиус от около 2 км от епицентъра. Частта от радиацията, която остава след 1 минута, се нарича остатъчна радиация. Състои се от радиоактивен градиент и индуцирано от неутрон лъчение (алфа, бета, гама лъчение). Радиацията ще спадне до безопасни нива около седмица след експлозията.
Радиоактивните отпадъци се делят на местни (падат 10-20 часа след експлозията на разстояние от 400 км), континентални (падат в рамките на една седмица след експлозията на разстояние от 4000 км) и глобални (падат само след месеци или години). Делът на радиацията (и особено на неутроните) може да се увеличи за сметка на други разрушителни ефекти, тогава говорим за т.нар. неутронна бомба (правилното име е "оръжие с повишено облъчване").
Критичната маса за 235 Уран е 50 кг, а за 239 Плутоний е 10 кг.
Плутонийът не е в естествената си форма, с изключение на незначителни следи и следователно той трябва да бъде произведен изкуствено чрез превръщане на уран в ядрен реактор. Преобразуването става с помощта на неутрони, които се изстрелват по уран.
Преобразуването се извършва по следния начин:
Оригиналният уран реагира с неутрона, образувайки 239 92U, електронът e и антинеутринът. Електроните и антинеутрините са резултат от разпадането .
239 92U допълнително се превръща в 239 93Np, чийто протонен брой се е увеличил поради електрона от разлагането на неутрона. В крайна сметка Нептуний се променя на 239 94Pu, който вече има протонно число 94.
Състав на частиците на ядрата
Атомните ядра се състоят от нуклони (неутрони + протони). Има протонно число (Z ≥ 1), неутронно числоN ≥ 0) и последното, което ще споменем, е нуклонното число (маса). Той има марка A и дава сумата на протоните и неутроните. A = Z + N.
Тегло в стаята m (X) частици х, дали атом, йон и т.н., се изчисляват според съотношението m (X) = Ar (X). mu, където е константата на атомната маса
(mu = 1,66. 10 -27 kg) и Ar е относителната атомна маса. Стойностите на теглото са много малки, така че е по-добре да се работи с относителни тегла, които са по-ясни. Но как може да се измери това тегло? И как да разберете кой от двата атома е по-труден, когато не можете да използвате тегло? Тези тегла могат да бъдат измерени много точно с мас спектрометър. Представете си двата атома един до друг на магистралата, докато се движат със същата скорост. Изведнъж върху тях започва да действа електрическа или магнитна сила отстрани. Атом с по-малка маса ще се отклони много по-бързо от първоначалната си траектория и ще отиде в посоката, където силата го води. Този атом ще попадне в единия от вас, а по-тежкият ще се отклони по-малко от своята орбита и ще падне в другия контейнер. По този начин могат да бъдат разграничени техните тегла и масспектрометърът работи на този принцип.
Ядрената енергия може да се освободи чрез делене на много тежки ядра при изкуствено създадени условия. Разбирането на ролята на неутроните (произход, движение и ефекти) е ключово за разбирането на реакциите на делене. Знаем, че по време на деленето на повечето ядра отново се образуват неутрони. Когато ядрата се разделят, теглото на покритието на ядрата също намалява, освобождавайки огромни количества енергия. Откъде идва тази енергия? Формулата за изчисляване на енергията е E = mc 2 Е. е енергия, м е масата и ° С е скоростта на светлината. Алберт Айнщайн направи значителен принос за създаването на това уравнение. Ще помогнем с обяснението чрез уравнението.
U + н --> Kr * + Ба * + 3 (n) или U + n --> Sr * + Xe * + 5 (n).
Полуживот: времето, необходимо на точно половината от атомите на радиоактивен елемент да се разпадне. Стойността на радиационната емисия ще бъде намалена наполовина. Времето на разпадане варира в по-широк диапазон, напр .: 238 U има период на полуразпад 4,5 милиарда години, докато 221 Ra само 30 секунди.
Както разбрахме, бомбите за делене трябва да съдържат или уран, или плутоний. Бомба, хвърлена върху Хирошима на 6 август 1945 г., използва уран като делящ се материал, докато Нагасаки е унищожена на 9 август 1945 г. с плутониева бомба.
Приложение E = mc 2
Това уравнение представлява връзката между енергия и маса. Айнщайн допринесе много за създаването на това уравнение. Премиерата беше ужасяваща. То се проведе в японските градове Хирошима и Нагасаки. Вероятно вече знаете за какво говоря. Експериментално потвърждение на връзката E = mc 2 трябваше да изчака ядрената физика. И отне известно време, докато се открие, че може да съществува нещо като атомно ядро. Ърнест Ръдърфорд излезе с тази идея през 1911 г. Идеята, че ядрото може да съдържа протони и неутрони, не атакува Ръдърфорд до 1920 г. И че неутронът наистина съществува, това е експериментално потвърдено от Джеймс Чадуик едва през 1932 г. Ядрената физика се развива бавно . Когато обаче най-накрая се разви, той осигури връзка за Айнщайн E = mc 2 голям брой експериментални потвърждения. Има много ядрени реакции, при които по-леките ядра се комбинират в по-тежки или, обратно, по-тежките ядра се разпадат на по-леки. Теглото на ядрата (по-точно тяхното т.нар. Тегло в покой) не се запазва по време на тези трансформации. Всяка загуба на тегло (в покой) е придружена от увеличаване на енергията, винаги в съответствие с връзката на Айнщайн.