Seit dem Ende des schlimmsten Krieges in der Geschichte der Menschheit sind etwas mehr als zwei Monate vergangen. Und so wurde am 16. Juli 1945 die erste Atombombe vom US-Militär getestet, und einen Monat später sterben Tausende Einwohner japanischer Städte in der Atomhölle. Seitdem wurden Atomwaffen sowie die Mittel, sie an Ziele zu bringen, seit mehr als einem halben Jahrhundert kontinuierlich verbessert.
Das Militär wollte sowohl superstarke Munition, die mit einem Schlag ganze Städte und Länder von der Landkarte fegte, als auch ultrakleine, die in eine Aktentasche passen, zur Verfügung haben. Ein solches Gerät würde den Sabotagekrieg auf ein beispielloses Niveau bringen. Sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten gab es unüberwindliche Schwierigkeiten. Grund dafür ist die sogenannte kritische Masse. Aber das Wichtigste zuerst.
So ein explosiver Kern
Um zu verstehen, wie Nukleargeräte funktionieren und was man kritische Masse nennt, gehen wir für eine Weile zurück zum Schreibtisch. Aus dem Schulphysikkurs erinnern wir uns an eine einfache Regel: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. An der gleichen Stelle, in der High School, wird den Schülern die Struktur des Atomkerns erzählt, der aus Neutronen, neutralen Teilchen und bestehtpositiv geladene Protonen. Aber wie ist das möglich? Positiv geladene Teilchen sind so nahe beieinander, dass die Abstoßungskräfte kolossal sein müssen.
Die Wissenschaft ist sich der Natur der intranuklearen Kräfte, die Protonen zusammenh alten, nicht vollständig bewusst, obwohl die Eigenschaften dieser Kräfte ziemlich gut untersucht wurden. Kräfte wirken nur auf sehr kurze Distanz. Aber es lohnt sich zumindest ein wenig, die Protonen im Weltraum zu trennen, da die abstoßenden Kräfte zu überwiegen beginnen und der Kern in Stücke zerspringt. Und die Macht einer solchen Expansion ist wirklich kolossal. Es ist bekannt, dass die Kraft eines erwachsenen Mannes nicht ausreichen würde, um die Protonen nur eines einzigen Kerns des Bleiatoms zu h alten.
Wovor hatte Rutherford Angst
Die Kerne der meisten Elemente des Periodensystems sind stabil. Mit zunehmender Ordnungszahl nimmt diese Stabilität jedoch ab. Es geht um die Größe der Kerne. Stellen Sie sich den Kern eines Uranatoms vor, bestehend aus 238 Nukliden, von denen 92 Protonen sind. Ja, Protonen stehen in engem Kontakt miteinander, und intranukleare Kräfte zementieren die gesamte Struktur sicher. Aber die abstoßende Kraft von Protonen, die sich an entgegengesetzten Enden des Kerns befinden, macht sich bemerkbar.
Was hat Rutherford gemacht? Er bombardierte Atome mit Neutronen (ein Elektron wird die Elektronenhülle eines Atoms nicht passieren und ein positiv geladenes Proton kann sich aufgrund von Abstoßungskräften nicht dem Kern nähern). Ein Neutron, das in den Kern eines Atoms eindringt, verursacht dessen Sp altung. Zwei getrennte Hälften und zwei oder drei freie Neutronen flogen auseinander.
Dieser Zerfall war aufgrund der enormen Geschwindigkeit der fliegenden Teilchen mit der Freisetzung enormer Energie verbunden. Es ging das Gerücht um, dass Rutherford seine Entdeckung sogar verbergen wollte, aus Angst vor möglichen Folgen für die Menschheit, aber das ist höchstwahrscheinlich nichts weiter als ein Märchen.
Was hat die Masse damit zu tun und warum ist sie kritisch
Na und? Wie kann man genug radioaktives Metall mit einem Protonenstrom bestrahlen, um eine starke Explosion zu erzeugen? Und was ist kritische Masse? Es geht um die wenigen freien Elektronen, die aus dem "bombardierten" Atomkern herausfliegen, die wiederum mit anderen Kernen kollidieren und deren Sp altung verursachen. Eine sogenannte nukleare Kettenreaktion wird beginnen. Der Start wird jedoch extrem schwierig sein.
Überprüfe die Waage. Wenn wir einen Apfel als Kern eines Atoms auf unseren Tisch nehmen, dann muss, um sich den Kern eines benachbarten Atoms vorzustellen, derselbe Apfel getragen und nicht einmal im Nebenzimmer auf den Tisch gestellt werden, sondern ….im nächsten Haus. Das Neutron hat die Größe eines Kirschkerns.
Damit die emittierten Neutronen außerhalb des Uranbarrens nicht umsonst davonfliegen und zu mehr als 50% ein Ziel in Form von Atomkernen finden würden, muss dieser Barren die entsprechende Größe haben. Das ist die sogenannte kritische Masse von Uran – die Masse, bei der mehr als die Hälfte der emittierten Neutronen mit anderen Kernen kollidieren.
Tatsächlich passiert es sofort. Die Zahl der gesp altenen Kerne wächst wie eine Lawine, ihre Bruchstücke rasen mit vergleichbaren Geschwindigkeiten in alle Richtungendie Lichtgeschwindigkeit, die Luft, Wasser oder jedes andere Medium aufreißt. Durch ihre Kollisionen mit Umgebungsmolekülen erwärmt sich der Bereich der Explosion sofort auf Millionen Grad und strahlt Wärme aus, die alles in einem Bereich von mehreren Kilometern verbrennt.
Plötzlich erwärmte Luft dehnt sich sofort aus und erzeugt eine mächtige Schockwelle, die Gebäude von den Fundamenten bläst, umstürzt und alles auf ihrem Weg zerstört … das ist das Bild einer Atomexplosion.
Wie es in der Praxis aussieht
Das Gerät der Atombombe ist überraschend einfach. Es gibt zwei Barren aus Uran (oder einem anderen radioaktiven Metall), von denen jeder etwas weniger als die kritische Masse hat. Einer der Barren hat die Form eines Kegels, der andere ist eine Kugel mit einem kegelförmigen Loch. Wie Sie sich vorstellen können, entsteht beim Zusammenfügen der beiden Hälften eine Kugel, bei der die kritische Masse erreicht ist. Dies ist eine einfache Standard-Atombombe. Die beiden Hälften werden mit der üblichen TNT-Ladung verbunden (der Kegel wird in die Kugel geschossen).
Aber glaube nicht, dass jeder ein solches Gerät "auf dem Knie" zusammenbauen kann. Der Trick ist, dass Uran, damit eine Bombe explodieren kann, sehr rein sein muss, das Vorhandensein von Verunreinigungen ist praktisch null.
Warum es keine Atombombe von der Größe einer Zigarettenschachtel gibt
Alle aus demselben Grund. Die kritische Masse des häufigsten Isotops von Uran 235 beträgt etwa 45 kg. Eine Explosion dieser Menge an Kernbrennstoff ist bereits eine Katastrophe. Und einen Sprengsatz mit weniger herzustellenSubstanzmenge ist unmöglich - es funktioniert einfach nicht.
Aus demselben Grund war es nicht möglich, superstarke Atomladungen aus Uran oder anderen radioaktiven Metallen zu erzeugen. Damit die Bombe sehr stark war, wurde sie aus einem Dutzend Barren hergestellt, die beim Detonieren von Sprengladungen in die Mitte schossen und sich wie Orangenscheiben verbanden.
Aber was ist eigentlich passiert? Wenn sich aus irgendeinem Grund zwei Elemente eine Tausendstelsekunde früher als die anderen trafen, die kritische Masse schneller erreicht wurde, als der Rest „rechtzeitig eintreffen“würde, trat die Explosion nicht mit der von den Konstrukteuren erwarteten Kraft auf. Das Problem supermächtiger Atomwaffen wurde erst mit dem Aufkommen thermonuklearer Waffen gelöst. Aber das ist eine etwas andere Geschichte.
Wie funktioniert ein friedliches Atom
Ein Kernkraftwerk ist im Wesentlichen dieselbe Atombombe. Nur diese "Bombe" hat Brennelemente (Brennelemente) aus Uran, die in einiger Entfernung voneinander angeordnet sind, was sie nicht daran hindert, Neutronen "Streik" auszutauschen.
Brennelemente werden in Form von Stäben hergestellt, zwischen denen sich Steuerstäbe befinden, die aus einem Material bestehen, das Neutronen gut absorbiert. Das Funktionsprinzip ist einfach:
- regulierende (absorbierende) Stäbchen werden in den Raum zwischen den Uranstäben eingeführt - die Reaktion verlangsamt sich oder stoppt ganz;
- Steuerstäbe werden aus der Zone entfernt - radioaktive Elemente tauschen aktiv Neutronen aus, die Kernreaktion verläuft intensiver.
Tatsächlich stellt sich die gleiche Atombombe heraus,bei dem die kritische Masse so sanft erreicht und so klar geregelt wird, dass es nicht zu einer Explosion kommt, sondern nur zur Erwärmung des Kühlmittels.
Obwohl leider, wie die Praxis zeigt, das menschliche Genie nicht immer in der Lage ist, diese gew altige und zerstörerische Energie - die Energie des Zerfalls des Atomkerns - einzudämmen.
