Er zijn iets meer dan twee maanden verstreken sinds het einde van de ergste oorlog in de geschiedenis van de mensheid. En dus werd op 16 juli 1945 de eerste atoombom getest door het Amerikaanse leger, en een maand later sterven duizenden inwoners van Japanse steden in de atoomhel. Sindsdien zijn kernwapens, evenals de middelen om ze aan doelen te leveren, gedurende meer dan een halve eeuw voortdurend verbeterd.
Het leger wilde beschikken over zowel superkrachtige munitie, die hele steden en landen in één klap van de kaart veegt, als ultrakleine munitie die in een koffer past. Een dergelijk apparaat zou de sabotageoorlog naar een ongekend niveau brengen. Zowel bij de eerste als bij de tweede waren er onoverkomelijke moeilijkheden. De reden hiervoor is de zogenaamde kritische massa. Maar de eerste dingen eerst.
Zo'n explosieve kern
Om te begrijpen hoe nucleaire apparaten werken en om te begrijpen wat kritische massa wordt genoemd, gaan we even terug naar het bureau. Van de cursus natuurkunde op school herinneren we ons een simpele regel: ladingen met dezelfde naam stoten elkaar af. Op dezelfde plek, op de middelbare school, krijgen leerlingen te horen over de structuur van de atoomkern, bestaande uit neutronen, neutrale deeltjes enpositief geladen protonen. Maar hoe is dit mogelijk? Positief geladen deeltjes liggen zo dicht bij elkaar dat de afstotende krachten enorm moeten zijn.
De wetenschap is zich niet volledig bewust van de aard van intranucleaire krachten die protonen bij elkaar houden, hoewel de eigenschappen van deze krachten vrij goed zijn bestudeerd. Krachten werken alleen op zeer korte afstand. Maar het is op zijn minst een beetje de moeite waard om de protonen in de ruimte te scheiden, aangezien de afstotende krachten de overhand beginnen te krijgen en de kern in stukken uiteenv alt. En de kracht van zo'n expansie is werkelijk kolossaal. Het is bekend dat de kracht van een volwassen mannetje niet genoeg zou zijn om de protonen van slechts één enkele kern van het leidende atoom vast te houden.
Waar was Rutherford bang voor
De kernen van de meeste elementen van het periodiek systeem zijn stabiel. Naarmate het atoomnummer toeneemt, neemt deze stabiliteit echter af. Het gaat om de grootte van de kernen. Stel je de kern van een uraniumatoom voor, bestaande uit 238 nucliden, waarvan 92 protonen. Ja, protonen staan in nauw contact met elkaar en intranucleaire krachten bevestigen de hele structuur stevig. Maar de afstotende kracht van protonen aan tegenovergestelde uiteinden van de kern wordt merkbaar.
Wat deed Rutherford? Hij bestookte atomen met neutronen (een elektron gaat niet door de elektronenschil van een atoom en een positief geladen proton kan de kern niet naderen vanwege afstotende krachten). Een neutron dat de kern van een atoom binnendringt, veroorzaakt zijn splijting. Twee afzonderlijke helften en twee of drie vrije neutronen vlogen uit elkaar.
Dit verval, als gevolg van de enorme snelheid van de vliegende deeltjes, ging gepaard met het vrijkomen van enorme energie. Er ging een gerucht dat Rutherford zijn ontdekking zelfs wilde verbergen, bang voor de mogelijke gevolgen voor de mensheid, maar dit is hoogstwaarschijnlijk niets meer dan een sprookje.
Dus wat heeft de massa ermee te maken en waarom is het van cruciaal belang
Dus wat? Hoe kan men voldoende radioactief metaal bestralen met een stroom protonen om een krachtige explosie te veroorzaken? En wat is kritische massa? Het draait allemaal om die paar vrije elektronen die uit de "gebombardeerde" atoomkern vliegen, die op hun beurt, in botsing met andere kernen, hun splijting veroorzaken. Een zogenaamde nucleaire kettingreactie zal beginnen. Het opstarten ervan zal echter buitengewoon moeilijk zijn.
Controleer de schaal. Als we een appel op onze tafel nemen als de kern van een atoom, dan moet dezelfde appel, om de kern van een naburig atoom voor te stellen, worden gedragen en op tafel worden gezet, zelfs niet in de volgende kamer, maar … in het volgende huis. Het neutron zal zo groot zijn als een kersenzaadje.
Om ervoor te zorgen dat de uitgezonden neutronen niet tevergeefs buiten de uraniumstaaf wegvliegen, en meer dan 50% van hen zou een doelwit in de vorm van atoomkernen vinden, moet deze staaf de juiste grootte hebben. Dit is wat de kritische massa van uranium wordt genoemd - de massa waarbij meer dan de helft van de uitgezonden neutronen in botsing komt met andere kernen.
In feite gebeurt het in een oogwenk. Het aantal gespleten kernen groeit als een lawine, hun fragmenten razen alle kanten op met snelheden vergelijkbaar metde snelheid van het licht, open scheurende lucht, water, elk ander medium. Door hun botsingen met omgevingsmoleculen, warmt het gebied van de explosie onmiddellijk op tot miljoenen graden, waarbij warmte wordt uitgestraald die alles in een gebied van enkele kilometers verbrandt.
Plotselinge verwarmde lucht zet onmiddellijk in omvang uit, waardoor een krachtige schokgolf ontstaat die gebouwen van de fundamenten blaast, omverwerpt en alles op zijn pad vernietigt … dit is het beeld van een atoomexplosie.
Hoe het er in de praktijk uitziet
Het apparaat van de atoombom is verrassend eenvoudig. Er zijn twee blokken uranium (of ander radioactief metaal), die elk iets minder zijn dan de kritische massa. Een van de blokken is gemaakt in de vorm van een kegel, de andere is een bal met een kegelvormig gat. Zoals je zou kunnen raden, wordt bij het combineren van de twee helften een bal verkregen waarin de kritische massa wordt bereikt. Dit is een standaard eenvoudige atoombom. De twee helften zijn verbonden met de gebruikelijke TNT-lading (de kegel wordt in de bal geschoten).
Maar denk niet dat iemand zo'n apparaat "op de knie" kan monteren. De truc is dat uranium, om een bom te laten ontploffen, heel zuiver moet zijn, de aanwezigheid van onzuiverheden is praktisch nul.
Waarom er geen atoombom is zo groot als een pakje sigaretten
Allemaal om dezelfde reden. De kritische massa van de meest voorkomende isotoop van uranium 235 is ongeveer 45 kg. Een explosie van deze hoeveelheid kernbrandstof is al een ramp. En om met minder een explosief te makenhoeveelheid stof is onmogelijk - het zal gewoon niet werken.
Om dezelfde reden was het niet mogelijk om superkrachtige atomaire ladingen te creëren uit uranium of andere radioactieve metalen. Om ervoor te zorgen dat de bom zeer krachtig zou zijn, was hij gemaakt van een tiental blokken, die, toen de ontploffingsladingen werden ontploft, naar het midden snelden en als sinaasappelschijfjes met elkaar verbonden.
Maar wat is er eigenlijk gebeurd? Als om de een of andere reden twee elementen een duizendste van een seconde eerder ontmoetten dan de andere, werd de kritische massa sneller bereikt dan de rest "op tijd zou aankomen", de explosie vond niet plaats met de kracht die de ontwerpers hadden verwacht. Het probleem van superkrachtige kernwapens werd pas opgelost met de komst van thermonucleaire wapens. Maar dat is een iets ander verhaal.
Hoe werkt een vreedzaam atoom
Een kerncentrale is in wezen dezelfde atoombom. Alleen deze "bom" heeft splijtstofelementen (splijtstofelementen) gemaakt van uranium die zich op enige afstand van elkaar bevinden, wat niet verhindert dat ze neutronen "inslag" uitwisselen.
Brandstofelementen zijn gemaakt in de vorm van staven, waartussen er regelstaven zijn gemaakt van een materiaal dat neutronen goed absorbeert. Het werkingsprincipe is eenvoudig:
- regulerende (absorberende) staven worden in de ruimte tussen de uraniumstaven gestoken - de reactie vertraagt of stopt helemaal;
- regelstaven worden uit de zone verwijderd - radioactieve elementen wisselen actief neutronen uit, de kernreactie verloopt intensiever.
Inderdaad, het blijkt dezelfde atoombom te zijn,waarbij de kritische massa zo soepel wordt bereikt en zo duidelijk is geregeld dat dit niet tot een explosie leidt, maar alleen tot verwarming van de koelvloeistof.
Hoewel helaas, zoals de praktijk laat zien, niet altijd het menselijk genie in staat is om deze enorme en destructieve energie te beteugelen - de energie van het verval van de atoomkern.
