Πέρασαν λίγο περισσότεροι από δύο μήνες από το τέλος του χειρότερου πολέμου στην ιστορία της ανθρωπότητας. Και έτσι, στις 16 Ιουλίου 1945, η πρώτη πυρηνική βόμβα δοκιμάστηκε από τον αμερικανικό στρατό και ένα μήνα αργότερα, χιλιάδες κάτοικοι ιαπωνικών πόλεων πεθαίνουν στην ατομική κόλαση. Έκτοτε, τα πυρηνικά όπλα, καθώς και τα μέσα μεταφοράς τους σε στόχους, βελτιώνονται συνεχώς για περισσότερο από μισό αιώνα.
Ο στρατός ήθελε να έχει στη διάθεσή του τόσο υπερισχυρά πυρομαχικά, που σαρώνουν ολόκληρες πόλεις και χώρες από τον χάρτη με ένα χτύπημα, όσο και εξαιρετικά μικρά που χωρούν σε έναν χαρτοφύλακα. Ένας τέτοιος μηχανισμός θα έφερνε τον πόλεμο σαμποτάζ σε πρωτόγνωρο επίπεδο. Και με το πρώτο και με το δεύτερο υπήρξαν ανυπέρβλητες δυσκολίες. Ο λόγος για αυτό είναι η λεγόμενη κρίσιμη μάζα. Ωστόσο, πρώτα πρώτα.
Ένας τέτοιος εκρηκτικός πυρήνας
Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν οι πυρηνικές συσκευές και να κατανοήσουμε αυτό που ονομάζεται κρίσιμη μάζα, ας επιστρέψουμε στο γραφείο για λίγο. Από το μάθημα της σχολικής φυσικής, θυμόμαστε έναν απλό κανόνα: τα ομώνυμα φορτία απωθούνται μεταξύ τους. Στο ίδιο μέρος, στο γυμνάσιο, οι μαθητές ενημερώνονται για τη δομή του ατομικού πυρήνα, που αποτελείται από νετρόνια, ουδέτερα σωματίδια καιθετικά φορτισμένα πρωτόνια. Πώς είναι όμως αυτό δυνατό; Τα θετικά φορτισμένα σωματίδια είναι τόσο κοντά το ένα στο άλλο, που οι απωστικές δυνάμεις πρέπει να είναι κολοσσιαίες.
Η επιστήμη δεν γνωρίζει πλήρως τη φύση των ενδοπυρηνικών δυνάμεων που συγκρατούν τα πρωτόνια μαζί, αν και οι ιδιότητες αυτών των δυνάμεων έχουν μελετηθεί αρκετά καλά. Οι δυνάμεις ενεργούν μόνο σε πολύ κοντινή απόσταση. Αλλά αξίζει έστω και λίγο να διαχωριστούν τα πρωτόνια στο διάστημα, καθώς οι απωστικές δυνάμεις αρχίζουν να επικρατούν και ο πυρήνας θρυμματίζεται σε κομμάτια. Και η δύναμη μιας τέτοιας επέκτασης είναι πραγματικά κολοσσιαία. Είναι γνωστό ότι η δύναμη ενός ενήλικου αρσενικού δεν θα ήταν αρκετή για να συγκρατήσει τα πρωτόνια ενός μόνο πυρήνα του ατόμου του μολύβδου.
Τι φοβόταν ο Ράδερφορντ
Οι πυρήνες των περισσότερων στοιχείων του περιοδικού πίνακα είναι σταθεροί. Ωστόσο, καθώς αυξάνεται ο ατομικός αριθμός, αυτή η σταθερότητα μειώνεται. Είναι περίπου το μέγεθος των πυρήνων. Φανταστείτε τον πυρήνα ενός ατόμου ουρανίου, που αποτελείται από 238 νουκλίδια, εκ των οποίων τα 92 είναι πρωτόνια. Ναι, τα πρωτόνια βρίσκονται σε στενή επαφή μεταξύ τους και οι ενδοπυρηνικές δυνάμεις τσιμεντώνουν με ασφάλεια ολόκληρη τη δομή. Αλλά η απωστική δύναμη των πρωτονίων που βρίσκονται στα αντίθετα άκρα του πυρήνα γίνεται αισθητή.
Τι έκανε ο Ράδερφορντ; Βομβάρδισε άτομα με νετρόνια (ένα ηλεκτρόνιο δεν θα περάσει από το ηλεκτρονιακό κέλυφος ενός ατόμου και ένα θετικά φορτισμένο πρωτόνιο δεν θα μπορέσει να πλησιάσει τον πυρήνα λόγω απωστικών δυνάμεων). Ένα νετρόνιο που εισέρχεται στον πυρήνα ενός ατόμου προκαλεί τη σχάση του. Δύο ξεχωριστά μισά και δύο ή τρία ελεύθερα νετρόνια απομακρύνθηκαν.
Αυτή η διάσπαση, λόγω της τεράστιας ταχύτητας των ιπτάμενων σωματιδίων, συνοδεύτηκε από την απελευθέρωση τεράστιας ενέργειας. Υπήρχε μια φήμη ότι ο Ράδερφορντ ήθελε ακόμη και να κρύψει την ανακάλυψή του, φοβούμενος τις πιθανές συνέπειές της για την ανθρωπότητα, αλλά αυτό πιθανότατα δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα παραμύθι.
Λοιπόν τι σχέση έχει η μάζα με αυτήν και γιατί είναι κρίσιμη
Τι λοιπόν; Πώς μπορεί κανείς να ακτινοβολήσει αρκετό ραδιενεργό μέταλλο με ένα ρεύμα πρωτονίων για να προκαλέσει μια ισχυρή έκρηξη; Και τι είναι η κρίσιμη μάζα; Είναι όλα για εκείνα τα λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια που πετούν έξω από τον «βομβαρδισμένο» ατομικό πυρήνα, και αυτά, με τη σειρά τους, συγκρούοντας με άλλους πυρήνες, θα προκαλέσουν τη σχάση τους. Θα ξεκινήσει η λεγόμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Ωστόσο, η εκτόξευσή του θα είναι εξαιρετικά δύσκολη.
Ελέγξτε την κλίμακα. Εάν πάρουμε ένα μήλο στο τραπέζι μας ως πυρήνα ατόμου, τότε για να φανταστούμε τον πυρήνα ενός γειτονικού ατόμου, το ίδιο μήλο θα πρέπει να το μεταφέρουμε και να το βάλουμε στο τραπέζι ούτε στο διπλανό δωμάτιο, αλλά.. στο διπλανό σπίτι. Το νετρόνιο θα έχει το μέγεθος ενός σπόρου κερασιού.
Για να μην πετάξουν μάταια τα εκπεμπόμενα νετρόνια έξω από τη ράβδο ουρανίου και πάνω από το 50% από αυτά να βρει έναν στόχο με τη μορφή ατομικών πυρήνων, αυτό το πλινθίο πρέπει να έχει το κατάλληλο μέγεθος. Αυτή είναι αυτή που ονομάζεται κρίσιμη μάζα ουρανίου - η μάζα στην οποία περισσότερα από τα μισά εκπεμπόμενα νετρόνια συγκρούονται με άλλους πυρήνες.
Στην πραγματικότητα, συμβαίνει σε μια στιγμή. Ο αριθμός των διαιρεμένων πυρήνων μεγαλώνει σαν χιονοστιβάδα, τα θραύσματά τους ορμούν προς όλες τις κατευθύνσεις με ταχύτητες συγκρίσιμες μετην ταχύτητα του φωτός, το σκίσιμο στον ανοιχτό αέρα, το νερό, οποιοδήποτε άλλο μέσο. Από τις συγκρούσεις τους με τα μόρια του περιβάλλοντος, η περιοχή της έκρηξης θερμαίνεται αμέσως έως και εκατομμύρια βαθμούς, εκπέμποντας θερμότητα που καίει τα πάντα σε μια περιοχή πολλών χιλιομέτρων.
Ξαφνικά θερμαινόμενος αέρας διευρύνεται αμέσως σε μέγεθος, δημιουργώντας ένα ισχυρό ωστικό κύμα που φυσά τα κτίρια από τα θεμέλια, ανατρέπει και καταστρέφει τα πάντα στο πέρασμά του … αυτή είναι η εικόνα μιας ατομικής έκρηξης.
Πώς φαίνεται στην πράξη
Η συσκευή της ατομικής βόμβας είναι εκπληκτικά απλή. Υπάρχουν δύο πλινθώματα ουρανίου (ή άλλου ραδιενεργού μετάλλου), καθένα από τα οποία είναι ελαφρώς μικρότερο από την κρίσιμη μάζα. Το ένα από τα πλινθώματα είναι κατασκευασμένο με τη μορφή κώνου, το άλλο είναι μια μπάλα με μια τρύπα σε σχήμα κώνου. Όπως μπορείτε να μαντέψετε, όταν συνδυάζονται τα δύο μισά, προκύπτει μια μπάλα, στην οποία επιτυγχάνεται η κρίσιμη μάζα. Αυτή είναι μια τυπική απλή πυρηνική βόμβα. Τα δύο ημίχρονα συνδέονται χρησιμοποιώντας τη συνήθη φόρτιση TNT (ο κώνος εκτοξεύεται στην μπάλα).
Μην νομίζετε όμως ότι κάποιος μπορεί να συναρμολογήσει μια τέτοια συσκευή «στο γόνατο». Το κόλπο είναι ότι το ουράνιο, για να εκραγεί μια βόμβα, πρέπει να είναι πολύ καθαρό, η παρουσία ακαθαρσιών είναι πρακτικά μηδενική.
Γιατί δεν υπάρχει ατομική βόμβα στο μέγεθος ενός πακέτου τσιγάρα
Όλα για τον ίδιο λόγο. Η κρίσιμη μάζα του πιο συνηθισμένου ισοτόπου του ουρανίου 235 είναι περίπου 45 kg. Μια έκρηξη αυτής της ποσότητας πυρηνικού καυσίμου είναι ήδη καταστροφή. Και να φτιάξεις εκρηκτικό μηχανισμό με λιγότεραΗ ποσότητα της ουσίας είναι αδύνατη - απλώς δεν θα λειτουργήσει.
Για τον ίδιο λόγο, δεν ήταν δυνατό να δημιουργηθούν υπερισχυρά ατομικά φορτία από ουράνιο ή άλλα ραδιενεργά μέταλλα. Προκειμένου η βόμβα να είναι πολύ ισχυρή, κατασκευάστηκε από μια ντουζίνα πλινθώματα, τα οποία, όταν πυροδοτούνταν εκρηκτικά, όρμησαν στο κέντρο και συνδέονταν σαν φέτες πορτοκαλιού.
Αλλά τι συνέβη στην πραγματικότητα; Εάν, για κάποιο λόγο, δύο στοιχεία συναντήθηκαν ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου νωρίτερα από τα άλλα, η κρίσιμη μάζα έφτανε γρηγορότερα από ό,τι τα υπόλοιπα θα «έφταναν εγκαίρως», η έκρηξη δεν συνέβη με την ισχύ που περίμεναν οι σχεδιαστές. Το πρόβλημα των υπερ-ισχυρών πυρηνικών όπλων λύθηκε μόνο με την εμφάνιση των θερμοπυρηνικών όπλων. Αλλά αυτή είναι μια λίγο διαφορετική ιστορία.
Πώς λειτουργεί ένα ειρηνικό άτομο
Ένας πυρηνικός σταθμός είναι ουσιαστικά η ίδια πυρηνική βόμβα. Μόνο αυτή η «βόμβα» έχει στοιχεία καυσίμου (στοιχεία καυσίμου) από ουράνιο που βρίσκονται σε κάποια απόσταση μεταξύ τους, κάτι που δεν τους εμποδίζει να ανταλλάξουν «χτύπημα» νετρονίων.
Τα στοιχεία καυσίμου κατασκευάζονται με τη μορφή ράβδων, μεταξύ των οποίων υπάρχουν ράβδοι ελέγχου κατασκευασμένες από υλικό που απορροφά καλά τα νετρόνια. Η αρχή λειτουργίας είναι απλή:
- ρυθμιστικές (απορροφητικές) ράβδοι εισάγονται στον χώρο μεταξύ των ράβδων ουρανίου - η αντίδραση επιβραδύνεται ή σταματά εντελώς;
- οι ράβδοι ελέγχου αφαιρούνται από τη ζώνη - τα ραδιενεργά στοιχεία ανταλλάσσουν ενεργά νετρόνια, η πυρηνική αντίδραση προχωρά πιο εντατικά.
Πράγματι, αποδεικνύεται η ίδια ατομική βόμβα,στην οποία η κρίσιμη μάζα επιτυγχάνεται τόσο ομαλά και ρυθμίζεται τόσο καθαρά που δεν οδηγεί σε έκρηξη, αλλά μόνο σε θέρμανση του ψυκτικού.
Αν και, δυστυχώς, όπως δείχνει η πρακτική, δεν είναι πάντα η ανθρώπινη ιδιοφυΐα ικανή να περιορίσει αυτήν την τεράστια και καταστροφική ενέργεια - την ενέργεια της αποσύνθεσης του ατομικού πυρήνα.
