فیزیک هسته ای سرگرم کننده (13 عکس). حمله هسته ای: جرم بحرانی بار هسته ای جرم بحرانی در یک راکتور هسته ای اورانیوم

یک وسیله مرموز که قادر است گیگاژول‌ها انرژی را در مدت زمان کوتاهی آزاد کند، توسط عاشقانه‌های شوم احاطه شده است. نیازی به گفتن نیست که در سرتاسر جهان، کار روی سلاح‌های هسته‌ای عمیقاً طبقه‌بندی شده بود و خود بمب مملو از انبوهی از افسانه‌ها و افسانه‌ها بود. بیایید سعی کنیم به ترتیب با آنها برخورد کنیم.

آندری سووروف

هیچ چیز مانند بمب اتمی باعث ایجاد علاقه نمی شود

آگوست 1945. ارنست اورلاندو لارنس در آزمایشگاه بمب اتمی

1954 هشت سال پس از انفجار در بیکینی آتول، دانشمندان ژاپنی سطوح بالایی از تشعشعات را در ماهی های صید شده در آب های محلی کشف کردند.

جرم بحرانی

همه شنیده‌اند که برای شروع یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای باید به یک توده بحرانی خاص رسید. اما برای وقوع یک انفجار هسته ای واقعی، جرم بحرانی به تنهایی کافی نیست - واکنش تقریباً بلافاصله متوقف می شود، قبل از اینکه انرژی قابل توجهی زمان آزاد شدن داشته باشد. برای انفجار کامل چندین کیلوتن یا ده ها کیلوتن، دو یا سه یا بهتر است بگوییم چهار یا پنج، توده های بحرانی باید به طور همزمان جمع آوری شوند.

بدیهی به نظر می رسد که باید دو یا چند قطعه از اورانیوم یا پلوتونیوم بسازید و در لحظه مورد نیاز آنها را به هم وصل کنید. انصافاً باید گفت که فیزیکدانان هنگام ساخت بمب هسته ای همین فکر را می کردند. اما واقعیت تنظیمات خود را انجام داد.

نکته این است که اگر ما اورانیوم 235 یا پلوتونیوم 239 بسیار خالص داشتیم، می توانستیم این کار را انجام دهیم، اما دانشمندان باید با فلزات واقعی سر و کار داشتند. با غنی‌سازی اورانیوم طبیعی، می‌توانید مخلوطی حاوی 90 درصد اورانیوم 235 و 10 درصد اورانیوم 238 بسازید؛ تلاش برای خلاص شدن از باقی مانده اورانیوم 238 منجر به افزایش بسیار سریع قیمت این ماده می‌شود (به آن بسیار می‌گویند. اورانیوم غنی شده). پلوتونیوم-239 که در یک راکتور هسته ای از اورانیوم-238 با شکافت اورانیوم-235 تولید می شود، لزوماً حاوی ترکیبی از پلوتونیوم-240 است.

ایزوتوپ های اورانیوم235 و پلوتونیوم 239 زوج-فرد نامیده می شوند زیرا هسته اتم های آنها دارای تعداد زوج پروتون (92 برای اورانیوم و 94 برای پلوتونیوم) و تعداد فرد نوترون (به ترتیب 143 و 145) است. همه هسته های زوج و فرد عناصر سنگین یک ویژگی مشترک دارند: آنها به ندرت به طور خود به خود شکافت می شوند (دانشمندان می گویند: "خود به خود")، اما به راحتی با برخورد یک نوترون به هسته شکافت می شوند.

اورانیوم 238 و پلوتونیوم 240 یکنواخت هستند. برعکس، آنها عملاً با نوترون‌های انرژی کم و متوسط که از هسته‌های شکافت‌پذیر خارج می‌شوند شکافت نمی‌شوند، اما صدها یا ده‌ها هزار بار بیشتر به‌طور خود به خود شکافت می‌شوند و یک پس‌زمینه نوترونی را تشکیل می‌دهند. این پیش‌زمینه ساخت سلاح‌های هسته‌ای را بسیار دشوار می‌کند، زیرا باعث می‌شود قبل از برخورد دو قسمت اتهام، واکنش زودهنگام شروع شود. به همین دلیل، در دستگاهی که برای انفجار آماده شده است، قسمت هایی از جرم بحرانی باید به اندازه کافی از یکدیگر فاصله داشته باشند و با سرعت بالا به هم متصل شوند.

بمب توپ

با این حال، بمبی که در 6 آگوست 1945 بر روی هیروشیما انداخته شد دقیقاً طبق طرحی که در بالا توضیح داده شد ساخته شد. دو قسمت از آن، هدف و گلوله، از اورانیوم بسیار غنی شده ساخته شده بود. هدف یک استوانه به قطر 16 سانتی متر و ارتفاع 16 سانتی متر بود که در مرکز آن سوراخی به قطر 10 سانتی متر وجود داشت که گلوله مطابق با این سوراخ ساخته شده بود. در مجموع بمب حاوی 64 کیلوگرم اورانیوم بود.

هدف توسط پوسته ای احاطه شده بود که لایه داخلی آن از کاربید تنگستن و لایه بیرونی فولاد ساخته شده بود. هدف از این پوسته دو چیز بود: نگه داشتن گلوله زمانی که به هدف گیر می کرد و حداقل بخشی از نوترون های فرار از اورانیوم را به عقب منعکس می کرد. با در نظر گرفتن بازتابنده نوترون، 64 کیلوگرم جرم بحرانی 2.3 بود. چگونه این کار انجام شد، زیرا هر یک از قطعات زیر بحرانی بودند؟ واقعیت این است که با حذف قسمت میانی از سیلندر، چگالی متوسط آن را کاهش می دهیم و مقدار جرم بحرانی افزایش می یابد. بنابراین، جرم این قسمت ممکن است از جرم بحرانی برای یک قطعه فلز جامد فراتر رود. اما افزایش جرم گلوله از این طریق غیرممکن است، زیرا باید جامد باشد.

هدف و گلوله هر دو از قطعات جمع شده بودند: هدف از چندین حلقه با ارتفاع کم و گلوله از شش واشر. دلیل ساده است - شمش های اورانیوم باید اندازه کوچکی داشته باشند، زیرا در طول ساخت (ریخته گری، فشار دادن) شمش، مقدار کل اورانیوم نباید به جرم بحرانی نزدیک شود. گلوله در یک ژاکت فولادی ضد زنگ با دیواره نازک، با یک کلاه کاربید تنگستن شبیه به یک ژاکت هدف قرار داشت.

برای هدایت گلوله به مرکز هدف، آنها تصمیم گرفتند از لوله یک توپ معمولی 76.2 میلی متری ضد هوایی استفاده کنند. به همین دلیل است که گاهی اوقات این نوع بمب را بمب مونتاژ شده توپ می نامند. لوله از داخل تا 100 میلی متر خسته شده بود تا بتواند چنین پرتابه غیرمعمولی را در خود جای دهد. طول بشکه 180 سانتی متر بود و باروت معمولی بدون دود در محفظه شارژ آن قرار می گرفت که یک گلوله با سرعت تقریبی 300 متر بر ثانیه شلیک می کرد. و انتهای دیگر بشکه به سوراخی در پوسته هدف فشار داده شد.

این طرح کاستی های زیادی داشت.

این بسیار خطرناک بود: هنگامی که باروت در محفظه شارژ قرار می گرفت، هر حادثه ای که می تواند آن را مشتعل کند باعث می شود که بمب با قدرت کامل منفجر شود. به همین دلیل، هنگامی که هواپیما به هدف نزدیک شد، پیروکسیلین در هوا شارژ شد.

در صورت سانحه هواپیما، قطعات اورانیوم می توانند بدون باروت، صرفاً در اثر برخورد شدید با زمین، به یکدیگر متصل شوند. برای جلوگیری از این امر، قطر گلوله کسری از میلی متر بزرگتر از قطر سوراخ در لوله بود.

اگر بمب در آب افتاد، به دلیل تعدیل نوترون ها در آب، واکنش می تواند حتی بدون اتصال قطعات شروع شود. درست است، در این مورد انفجار هسته ای بعید است، اما یک انفجار حرارتی رخ می دهد، با پاشش اورانیوم در یک منطقه بزرگ و آلودگی رادیواکتیو.

طول یک بمب با این طرح از دو متر فراتر رفت و این عملاً غیرقابل عبور است. بالاخره یک حالت بحرانی به دست آمد و واکنش زمانی شروع شد که هنوز نیم متر خوبی تا توقف گلوله باقی مانده بود!

در نهایت، این بمب بسیار بیهوده بود: کمتر از 1٪ از اورانیوم زمان برای واکنش در آن داشت!

بمب توپ دقیقاً یک مزیت داشت: نمی توانست کار کند. حتی قرار نبود او را آزمایش کنند! اما آمریکایی ها مجبور شدند بمب پلوتونیومی را آزمایش کنند: طراحی آن بسیار جدید و پیچیده بود.

توپ فوتبال پلوتونیومی

وقتی مشخص شد که حتی یک ترکیب کوچک (کمتر از 1٪!) پلوتونیوم 240، مونتاژ توپ یک بمب پلوتونیومی را غیرممکن می کند، فیزیکدانان مجبور شدند به دنبال راه های دیگری برای به دست آوردن جرم بحرانی باشند. و کلید مواد منفجره پلوتونیوم توسط مردی پیدا شد که بعدها به معروف ترین "جاسوس هسته ای" تبدیل شد - فیزیکدان انگلیسی کلاوس فوکس.

ایده او که بعداً "انفجار" نامیده شد، تشکیل یک موج شوک کروی همگرا از موج واگرا با استفاده از لنزهای به اصطلاح انفجاری بود. این موج ضربه ای قطعه پلوتونیوم را فشرده می کند تا چگالی آن دو برابر شود.

اگر کاهش چگالی باعث افزایش جرم بحرانی شود، افزایش چگالی باید آن را کاهش دهد! این به ویژه در مورد پلوتونیوم صادق است. پلوتونیوم یک ماده بسیار خاص است. هنگامی که یک تکه پلوتونیوم از نقطه ذوب خود به دمای اتاق سرد می شود، دچار چهار انتقال فاز می شود. در حالت دوم (حدود 122 درجه)، چگالی آن 10٪ افزایش می یابد. در این حالت، هر ریخته گری ناگزیر ترک می خورد. برای جلوگیری از این امر، پلوتونیوم با مقداری فلز سه ظرفیتی دوپ می شود، سپس حالت شل پایدار می شود. می توان از آلومینیوم استفاده کرد، اما در سال 1945 بیم آن می رفت که ذرات آلفای ساطع شده از هسته های پلوتونیوم در حین فروپاشی، نوترون های آزاد را از هسته های آلومینیوم بیرون بیاورند و پس زمینه نوترونی را افزایش دهند، بنابراین گالیوم در اولین بمب اتمی مورد استفاده قرار گرفت.

از آلیاژی حاوی 98 درصد پلوتونیوم-239، 9/0 درصد پلوتونیوم-240 و 8/0 درصد گالیوم، توپی با قطر تنها 9 سانتی متر و وزن حدود 6.5 کیلوگرم ساخته شد. در مرکز توپ حفره‌ای به قطر 2 سانتی‌متر وجود داشت که از سه قسمت تشکیل شده بود: دو نیمه و یک استوانه به قطر 2 سانتی‌متر. حفره داخلی - یک منبع نوترونی که هنگام انفجار بمب فعال شد. هر سه قسمت باید نیکل شوند، زیرا پلوتونیوم به طور فعال توسط هوا و آب اکسید می شود و اگر وارد بدن انسان شود بسیار خطرناک است.

این توپ توسط یک بازتابنده نوترونی ساخته شده از اورانیوم طبیعی 238 به ضخامت 7 سانتی متر و وزن 120 کیلوگرم احاطه شده بود. اورانیوم بازتاب کننده خوبی برای نوترون‌های سریع است و زمانی که سیستم جمع‌آوری شد، فقط کمی زیربحران بود، بنابراین به جای پلوتونیوم، یک پلاگین کادمیوم وارد شد که نوترون‌ها را جذب می‌کرد. بازتابنده همچنین برای نگه داشتن تمام اجزای مجموعه حیاتی در طول واکنش عمل می کرد، در غیر این صورت بیشتر پلوتونیوم بدون داشتن زمان برای شرکت در واکنش هسته ای از هم جدا می شد.

سپس یک لایه 11.5 سانتی متری از آلیاژ آلومینیوم با وزن 120 کیلوگرم قرار گرفت. هدف از این لایه مانند ضد انعکاس روی عدسی های شیئی است: اطمینان از اینکه موج انفجار به مجموعه اورانیوم-پلوتونیوم نفوذ می کند و از آن منعکس نمی شود. این بازتاب به دلیل تفاوت زیاد در چگالی بین ماده منفجره و اورانیوم (تقریباً 1:10) رخ می دهد. علاوه بر این، در یک موج شوک، پس از موج فشرده سازی، یک موج نادر وجود دارد که اصطلاحاً به آن اثر تیلور می گویند. لایه آلومینیومی موج نادری را تضعیف کرد که باعث کاهش اثر مواد منفجره شد. آلومینیوم باید با بور دوپ می شد، که نوترون های ساطع شده از هسته اتم های آلومینیوم را تحت تأثیر ذرات آلفای تولید شده در طی تجزیه اورانیوم 238 جذب می کرد.

سرانجام، همان «عدسی‌های انفجاری» بیرون وجود داشت. 32 نفر از آنها (20 شش ضلعی و 12 پنج ضلعی) وجود داشت، آنها ساختاری شبیه به یک توپ فوتبال را تشکیل دادند. هر عدسی از سه قسمت تشکیل شده بود که قسمت میانی آن از یک ماده منفجره مخصوص "آهسته" و قسمت بیرونی و داخلی از مواد منفجره "سریع" ساخته شده بود. قسمت بیرونی از بیرون کروی بود، اما در داخل دارای فرورفتگی مخروطی شکل بود، مانند باری شکل، اما هدف آن متفاوت بود. این مخروط با یک ماده منفجره آهسته پر شده بود و در قسمت مشترک، موج انفجار مانند یک موج نور معمولی شکسته شد. اما شباهت در اینجا بسیار مشروط است. در واقع شکل این مخروط یکی از رازهای واقعی بمب هسته ای است.

در اواسط دهه 40، هیچ کامپیوتری در جهان وجود نداشت که بتوان بر روی آن شکل چنین لنزهایی را محاسبه کرد و از همه مهمتر، حتی یک نظریه مناسب نیز وجود نداشت. بنابراین، آنها منحصراً با آزمون و خطا انجام می شدند. بیش از هزار انفجار باید انجام می شد - و نه فقط انجام می شد، بلکه با دوربین های ویژه با سرعت بالا عکس می گرفت و پارامترهای موج انفجار را ضبط می کرد. هنگامی که یک نسخه کوچکتر آزمایش شد، معلوم شد که مواد منفجره به این راحتی مقیاس نمی شوند و لازم بود تا نتایج قدیمی تا حد زیادی اصلاح شود.

دقت فرم باید با خطای کمتر از یک میلی متر حفظ می شد و ترکیب و یکنواختی ماده منفجره باید با نهایت دقت حفظ می شد. قطعات را فقط با ریخته‌گری می‌توان ساخت، بنابراین همه مواد منفجره مناسب نبودند. ماده منفجره سریع مخلوطی از RDX و TNT با دو برابر RDX بود. آهسته - همان TNT، اما با افزودن نیترات باریم بی اثر. سرعت موج انفجار در اولین انفجار 7.9 کیلومتر در ثانیه و در دوم - 4.9 کیلومتر بر ثانیه است.

چاشنی ها در مرکز سطح بیرونی هر عدسی نصب شده بودند. همه 32 چاشنی باید به طور همزمان با دقتی بی سابقه شلیک می کردند - کمتر از 10 نانوثانیه، یعنی میلیاردم ثانیه! بنابراین، جبهه موج ضربه ای نباید بیش از 0.1 میلی متر تحریف شده باشد. سطوح جفت شدن لنزها باید با همان دقت تراز شوند، اما خطا در ساخت آنها ده برابر بیشتر بود! مجبور شدم برای جبران نادرستی ها دستمال توالت و نوار چسب زیادی خرج کنم. اما این سیستم شباهت کمی به مدل نظری داشت.

لازم بود چاشنی های جدید اختراع شود: چاشنی های قدیمی همگام سازی مناسبی را ارائه نمی کردند. آنها بر اساس سیم هایی ساخته شدند که تحت یک ضربه قوی جریان الکتریکی منفجر شدند. برای فعال کردن آنها، یک باتری از 32 خازن ولتاژ بالا و به همان تعداد تخلیه کننده پرسرعت مورد نیاز بود - یک عدد برای هر چاشنی. کل سیستم شامل باتری ها و شارژر خازن ها در اولین بمب تقریباً 200 کیلوگرم وزن داشت. اما در مقایسه با وزن مواد منفجره که 2.5 تن مصرف می کرد، این مقدار زیاد نبود.

در نهایت، کل ساختار در یک بدنه کروی دورالومین، متشکل از یک کمربند پهن و دو پوشش - بالا و پایین محصور شد، همه این قسمت ها با پیچ و مهره مونتاژ شدند. طراحی این بمب امکان مونتاژ آن را بدون هسته پلوتونیوم فراهم کرد. برای قرار دادن پلوتونیوم در جای خود همراه با تکه ای از بازتابنده اورانیوم، پوشش بالایی محفظه باز شد و یک عدسی انفجاری برداشته شد.

جنگ با ژاپن رو به پایان بود و آمریکایی ها عجله داشتند. اما بمب انفجاری باید آزمایش می شد. این عملیات با نام رمز "ترینیتی" ("تثلیث") داده شد. بله، بمب اتمی قرار بود قدرتی را نشان دهد که قبلا فقط در اختیار خدایان بود.

موفقیت درخشان

محل آزمایش در ایالت نیومکزیکو، در مکانی با نام زیبا Jornadadel Muerto (مسیر مرگ) انتخاب شد - این قلمرو بخشی از محدوده توپخانه آلاماگوردو بود. مونتاژ بمب در 11 ژوئیه 1945 آغاز شد. در چهاردهم ژوئیه او را به بالای یک برج 30 متری که مخصوص ساخته شده بود، بردند، سیم‌ها به چاشنی‌ها متصل شدند و مراحل نهایی آماده‌سازی آغاز شد که شامل مقدار زیادی تجهیزات اندازه‌گیری بود. در 16 ژوئیه 1945، ساعت پنج و نیم صبح، دستگاه منفجر شد.

دمای مرکز انفجار به چند میلیون درجه می رسد، بنابراین درخشش یک انفجار هسته ای بسیار درخشان تر از خورشید است. گلوله آتشین چند ثانیه طول می کشد، سپس شروع به بلند شدن می کند، تیره می شود، از سفید به نارنجی تبدیل می شود، سپس زرشکی می شود و قارچ هسته ای معروف در حال حاضر تشکیل می شود. اولین ابر قارچی تا ارتفاع 11 کیلومتری بالا رفت.

انرژی انفجار بیش از 20 کیلو تن معادل TNT بود. بیشتر تجهیزات اندازه گیری از بین رفت زیرا فیزیکدانان روی 510 تن حساب کردند و تجهیزات را خیلی نزدیک قرار دادند. وگرنه یک موفقیت بود، یک موفقیت درخشان!

اما آمریکایی ها با آلودگی غیرمنتظره رادیواکتیو منطقه مواجه شدند. توده ریزش رادیواکتیو 160 کیلومتر به سمت شمال شرقی کشیده شد. بخشی از جمعیت باید از شهر کوچک بینگهام تخلیه می‌شدند، اما حداقل پنج نفر از ساکنان محلی دوزهای حداکثر 5760 رونتگن دریافت کردند.

معلوم شد که برای جلوگیری از آلودگی، بمب باید در ارتفاع به اندازه کافی بالا، حداقل یک کیلومتر و نیم منفجر شود، سپس محصولات تجزیه رادیواکتیو در منطقه ای به مساحت صدها هزار یا حتی میلیون ها مربع پراکنده می شوند. کیلومتر و در پس زمینه تشعشع جهانی حل شد.

دومین بمب از این طرح در 9 آگوست یعنی 24 روز پس از این آزمایش و سه روز پس از بمباران هیروشیما بر روی ناکازاکی پرتاب شد. از آن زمان، تقریباً تمام سلاح های اتمی از فناوری انفجار استفاده کرده اند. اولین بمب RDS-1 شوروی که در 29 آگوست 1949 آزمایش شد، بر اساس همین طرح ساخته شد.

برخی از نوترون های آزاد شده در طی یک واکنش شکافت از کره واکنش می گریزند یا بدون ایجاد شکافت دستگیر می شوند. اگر شرایطی را ایجاد کنید که در آن سرعت از دست دادن نوترون‌ها بیشتر از سرعت آزاد شدن نوترون‌های جدید در طول شکافت باشد، واکنش زنجیره‌ای تحت این شرایط دیگر خودپایدار نخواهد بود، یعنی متوقف می‌شود. این مقداری انرژی آزاد می کند، اما کافی نخواهد بود و سرعت آزاد شدن نوترون های جدید برای ایجاد یک انفجار موثر بسیار کم خواهد بود. بنابراین، برای انجام یک انفجار هسته ای، لازم است شرایطی ایجاد شود که در آن از دست دادن نوترون ها حداقل باشد. در این راستا نوترون ها از اهمیت ویژه ای برخوردارند که از توده مواد شکافت پذیر ساطع می شوند و در واکنش شکافت شرکت نمی کنند.

انتشار نوترون ها از کره واکنش از طریق سطح بیرونی جرم اورانیوم (یا پلوتونیوم) اتفاق می افتد. در نتیجه، میزان تلفات نوترون‌ها به دلیل گسیل آن‌ها از توده مواد شکافت‌پذیر، با اندازه سطح این جرم تعیین می‌شود. از طرف دیگر، فرآیند شکافت که در نتیجه آن نوترون های جدید زیادی آزاد می شود، در کل جرم ماده شکافت پذیر رخ می دهد و بنابراین سرعت آزاد شدن این نوترون ها به اندازه این جرم بستگی دارد. با افزایش حجم مواد شکافت پذیر، نسبت سطح آن به جرم کاهش می یابد. بنابراین، نسبت تعداد نوترون های از دست رفته (گسیل شده) به تعداد نوترون های جدید آزاد شده در طی واکنش شکافت کاهش می یابد.

درک این نکته آسانتر است اگر نقاشی سمت راست را در نظر بگیریم که دو قطعه کروی از مواد شکافت پذیر را نشان می دهد که یکی از آنها بزرگتر از دیگری است. در هر دو مورد، فرآیند شکافت با یک نوترون آغاز می شود که در شکل به صورت نقطه ای در یک دایره نشان داده شده است. فرض بر این است که در طول هر رویداد شکافت، سه نوترون آزاد می شود، یعنی یک نوترون دستگیر می شود.

اگر جرم اورانیوم یا پلوتونیوم کوچک باشد، یعنی اگر نسبت سطح به حجم زیاد باشد، تعداد نوترون‌های از دست رفته در نتیجه گسیل به قدری زیاد خواهد بود که یک واکنش زنجیره‌ای شکافت هسته‌ای ایجاد می‌شود. بنابراین اجرای یک انفجار هسته ای غیرممکن خواهد بود. اما با افزایش جرم اورانیوم یا پلوتونیوم، از دست دادن نسبی نوترون ها کاهش می یابد و نقطه ای فرا می رسد که واکنش زنجیره ای می تواند خودپایدار شود. مقدار مواد شکافت پذیر مربوط به این ممان جرم بحرانی نامیده می شود.

بنابراین، برای اینکه یک انفجار هسته ای رخ دهد، سلاح هسته ای باید حاوی مقدار کافی اورانیوم یا پلوتونیوم باشد که در شرایط معین از جرم بحرانی بیشتر باشد. در واقع، جرم بحرانی از جمله به شکل قطعه مواد شکافت پذیر، ترکیب آن و میزان آلودگی آن توسط ناخالصی های خارجی بستگی دارد که می توانند نوترون ها را بدون انجام شکافت جذب کنند. با احاطه کردن مواد شکافت پذیر با یک پوسته مناسب - بازتابنده نوترون، می توان تلفات نوترون ها را در اثر انتشار آنها کاهش داد و در نتیجه مقدار جرم بحرانی را کاهش داد. علاوه بر این، عناصر با چگالی بالا و بازتاب خوب برای نوترون های پرانرژی نیز مقداری اینرسی ماده شکافت پذیر را فراهم می کنند و انبساط آن را در لحظه انفجار به تاخیر می اندازند. بازتابنده نوترون، به دلیل اثر محافظ و خواص اینرسی، امکان استفاده کارآمدتر از مواد شکافت پذیر در سلاح های هسته ای را فراهم می کند.

تست شماره 5

انتخاب 1

پدیده رادیواکتیویته که توسط بکرل کشف شد، نشان می دهد که...

الف- همه مواد از ذرات - اتم های تقسیم ناپذیر تشکیل شده اند.

ب- یک اتم حاوی الکترون است.

ب- یک اتم ساختار پیچیده ای دارد.

د- این پدیده فقط مشخصه اورانیوم است.

چه کسی مدل هسته ای ساختار اتم را پیشنهاد کرد؟

الف. بکرل. ب. هایزنبرگ. وی. تامسون. جی. رادرفورد.

شکل نمودارهای چهار اتم را نشان می دهد. نقاط سیاه الکترون هستند. کدام نمودار مربوط به یک اتم است 2 4 نه؟

ترکیب یک اتم شامل ذرات زیر است:

الف. فقط پروتون ها.

ب. نوکلئون ها و الکترون ها.

ب. پروتون ها و نوترون ها.

د- نوترون ها و الکترون ها.

عدد جرمی هسته اتم منگنز چقدر است؟ 25 55 منگنز؟

الف. 25. ب. 80. ج. 30. د. 55.

در کدام یک از واکنش های زیر قانون بقای بار نقض می شود؟

الف. 8 15 O→ 1 1 H+ 8 14 O.

B. 3 6 Li + 1 1 H→ 2 4 He + 2 3 He.

B. 2 3 He + 2 3 He→ 2 4 He + 1 1 N + 1 1 N.

G. 3 7 Li + 2 4 He → 5 10 V + 0 1 n.

^ هسته اتم از پروتون و نوترون تشکیل شده است. نیروهای هسته ای بین کدام جفت ذرات درون هسته عمل می کنند؟

الف. پروتون-پروتون

ب- پروتون- نوترون.

ب- نوترون- نوترون.

د- در تمام جفت های الف-ب.

جرم پروتون و نوترون ...

A. به عنوان 1836:1 رفتار کنید.

ب- تقریباً همینطور.

ب. نسبت به 1:1836.

د- تقریباً برابر با صفر.

در هسته اتم کلسیم 20 40 Ca حاوی ...

الف- 20 نوترون و 40 پروتون.

ب- 40 نوترون و 20 الکترون.

ب- 20 پروتون و 40 الکترون.

D. 20 پروتون و 20 نوترون.

^ اثر حرکت ذره باردار سریع در گاز در کدام وسیله قابل مشاهده است (در نتیجه تراکم بخار فوق اشباع روی یونها)؟

الف. در شمارنده گایگر.

ب- در اتاق ابر.

د. در یک محفظه حباب.

^ محصول دوم X را در یک واکنش هسته ای تعیین کنید: 13 27 Al+ 0 1 n → 11 24 Na+X.

الف. ذره آلفا. B. نوترون. پروتون B. G. الکترون

هسته اتم از پروتون های Z و نوترون های N تشکیل شده است. جرم نوترون آزاد m n ، پروتون آزاد متر پ . کدام یک از شرایط زیر برای جرم هسته صادق است؟ متر g ?

A. m g =Zm p + Nm n

B. m g
B. m g > Zm p + Nm n.

د- برای هسته های پایدار، شرط A، برای هسته های رادیواکتیو، شرط B.

∆ m (عیب جرمی) هسته اتم را محاسبه کنید 3 7 لی (در آمو).

متر پ =1.00728; متر n = 1.00866; m = 7.01601.

A. ∆m ≈ 0.04. B. ∆m ≈ -0.04. B. ∆m = 0. G. ∆m ≈ 0.2.

14 هنگام محاسبه انرژی اتصال هسته های اتمی با استفاده از فرمول ∆E= ∆m*c مقدار جرم را باید با چه واحدهایی بیان کرد. 2 ?

الف. بر حسب کیلوگرم.

ب. بر حسب گرم.

ب- در واحد جرم اتمی.

G. در ژول.

^ جرم بحرانی راکتور هسته ای اورانیوم چقدر است؟

الف- جرم اورانیوم موجود در راکتوری که می تواند بدون انفجار در آن کار کند.

ب- حداقل جرم اورانیوم که در آن واکنش زنجیره ای می تواند در راکتور رخ دهد.

ب- جرم اضافی اورانیوم وارد شده به راکتور برای راه اندازی آن.

د- جرم اضافی ماده وارد شده به رآکتور برای توقف آن در موارد بحرانی.

^ چه نوع تشعشعات رادیواکتیو در هنگام تابش خارجی به یک فرد خطرناک تر است؟

الف. تابش بتا.

ب. تابش گاما.

ب- تابش آلفا.

^ کار اضافی

همه عناصر شیمیایی به شکل دو یا چند ایزوتوپ وجود دارند. تفاوت در ترکیب هسته های ایزوتوپی را تعیین کنید 17 35 Cl و 17 37 Cl.

الف. ایزوتوپ 17 35 Cl 2 پروتون بیشتر از 17 37 Cl در هسته دارد.

ب. ایزوتوپ 17 37 Cl 2 پروتون کمتر از 17 35 Cl در هسته دارد.

ایزوتوپ B. 17 37 Cl 2 نوترون بیشتر از 17 35 Cl در هسته خود دارد.

ایزوتوپ G. 17 37 Cl 2 نوترون کمتر از 17 35 Cl در هسته خود دارد.

18. در خلال واپاشی آلفای هسته های اتم...

عدد جرمی ثابت می ماند و بار یک بار افزایش می یابد.

ب- عدد جرمی 4 کاهش می یابد، اما بار بدون تغییر باقی می ماند.

ب- عدد جرمی 4 کاهش و بار 2 افزایش می یابد.

د) عدد جرمی 4 کاهش می یابد، بار نیز 2 کاهش می یابد.

^ 19. انرژی در یک واکنش هسته ای آزاد یا جذب می شود. 3 6 Li+ 1 1 H→ 2 4 نه + 2 3 نه؟ توده های هسته و ذرات در الف. m به ترتیب برابر هستند: m 3 6 Li=6.01513، m 1 1 Н= 1.00728، m 2 4 Not= 4.00260، m 2 3 نه =3.01602.

الف جذب شد زیرا ∆m
ب. متمایز است زیرا ∆m
ب. جذب می شود زیرا ∆m> 0.

D. متمایز است زیرا. ∆m> 0.

20. هنگامی که ایزوتوپ 5 10 B با نوترون بمباران می شود، یک ذره آلفا از هسته حاصل خارج می شود. با استفاده از قوانین بقای تعداد جرم و بار و همچنین جدول تناوبی عناصر، واکنش هسته ای را یادداشت کنید.

تست شماره 5

با موضوع "ساختار اتم و هسته اتم"

گزینه 2

^ 1. تشعشعات رادیواکتیو ممکن است شامل ...

الف. فقط الکترون.

ب. فقط نوترون.

ب. فقط ذرات آلفا.

د. ذرات بتا، ذرات آلفا، گاما کوانتا.

^ 2. رادرفورد با کمک آزمایشات دریافت که ...

الف- بار مثبت به طور مساوی در کل حجم اتم توزیع می شود.

ب- بار مثبت در مرکز اتم متمرکز شده و حجم بسیار کمی را اشغال می کند.

ب- یک اتم حاوی الکترون است.

د- اتم ساختار درونی ندارد.

^ شکل نمودارهای چهار اتم را نشان می دهد. الکترون ها به صورت نقاط سیاه نشان داده می شوند.

کدام نمودار مربوط به یک اتم است 7 3 لی؟

هسته شامل ذرات زیر است:

الف. فقط پروتون ها.

ب- پروتون ها و الکترون ها.

ب- پروتون ها و نوترون ها

د- نوترون ها و الکترون ها.

^ 5- بار هسته اتم استرانسیم چقدر است؟ 38 88 پدر

A. 88 B. 38 C. 50 D. 126.

در کدام یک از معادلات واکنش هسته ای زیر قانون بقای عدد جرمی نقض می شود؟

A. 4 9 Be + 2 4 He → 6 12 C + 0 1 H

B. 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H

V. 7 14 N + 1 1 N → 5 11 V + 2 4 Not

G. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 e

^ 6. نیروهای هسته ای که بین نوکلئون ها ...

الف. آنها بارها از نیروهای گرانشی فراتر می روند و بین ذرات باردار عمل می کنند.

ب- آنها چندین برابر از انواع نیروها برتری دارند و در هر فاصله ای عمل می کنند.

ب- آنها چندین برابر از همه انواع نیروها برتری دارند، اما فقط در فواصل قابل مقایسه با اندازه هسته عمل می کنند.

د- بارها از نیروهای گرانشی فراتر رفته و بین هر ذره ای عمل می کنند.

جرم پروتون و الکترون ...

الف. مربوط به 1836: 1.

ب- تقریباً همینطور.

ب. به 1: 1836 اشاره شده است.

د- تقریباً برابر با صفر.

^ 8. در هسته اتم آهن 26 56 Fe حاوی:

الف. 26 نوترون و 56 پروتون.

ب. 56 نوترون و 26 پروتون.

ب. 26 پروتون و 56 الکترون.

د. 26 پروتون و 30 نوترون.

در کدام دستگاه منشأ ذره یونیزه کننده با وقوع پالس جریان الکتریکی در نتیجه وقوع خود تخلیه در گاز ثبت می شود؟

A. در اتاق ابر.

ب. در شمارنده گایگر.

ب. در یک شمارنده سوسوزن.

د. در یک محفظه حباب.

^ محصول دوم واکنش هسته ای X را تعیین کنید:

13 27 Al + 2 4 He 15 30 P + X

الف. ذره آلفا (2 4 او).

ب. نوترون.

ب. پروتون.

G. الکترون.

^ 12. هسته اتم از پروتون های Z و نوترون های N تشکیل شده است. جرم نوترون آزاد m n ، پروتون آزاد m پ . کدام یک از شرایط زیر برای جرم هسته ای m صادق است من ?

A. m i Z*m p + m n ; B. m i = Z*m p + N*m n

د. برای هسته های پایدار، شرط A، برای هسته های رادیواکتیو - شرط B.

^ 13. عیب جرمی (∆ m) را در a محاسبه کنید. e.m. هسته های اتمی 2 3 نه. توده های ذرات و هسته، بیان شده در a. e.m، به ترتیب برابر: m n = 1.00866; متر پ = 1,00728;

متر من = 3,01602.

A. ∆ m ≈ 0.072 B. ∆ m ≈ 0.0072 C. ∆ m ≈ -0.0072 D. ∆ m ≈ 0

^ 14. مقدار انرژی هنگام محاسبه انرژی اتصال هسته های اتمی با استفاده از فرمول ∆E=m*c در چه واحدهایی به دست می آید. 2 ?

الف- در الکترون ولت (eV).

ب. در مگاالکترون ولت (MeV)

ب. بر حسب ژول.

G. V a. خوردن

^ 15. در یک راکتور هسته ای از موادی مانند گرافیت یا آب به اصطلاح به عنوان تعدیل کننده استفاده می شود. چه چیزی را باید کاهش دهند و چرا؟

الف) آنها سرعت نوترون ها را کاهش می دهند تا احتمال وقوع یک واکنش شکافت هسته ای را کاهش دهند.

ب- آنها سرعت نوترون ها را کاهش می دهند تا احتمال وقوع یک واکنش شکافت هسته ای را افزایش دهند.

ب- آنها واکنش زنجیره ای شکافت را کاهش می دهند تا کنترل راکتور آسان تر شود.

د) قطعات هسته های تشکیل شده در نتیجه شکافت اورانیوم را برای استفاده عملی از انرژی جنبشی خود کند می کنند.

^ 16. کدام نوع از تشعشعات رادیواکتیو برای تابش داخلی یک فرد خطرناک تر است؟

الف. تابش بتا.

ب- تشعشعات گاما.

ب- تابش آلفا.

د- هر سه نوع تابش: آلفا، بتا، گاما.

^ کار اضافی

همه عناصر شیمیایی به شکل دو یا چند ایزوتوپ وجود دارند. تفاوت در ترکیب هسته ایزوتوپ های 10 20 Ne و 10 22 Ne را تعیین کنید.

الف. ایزوتوپ 10 20 Ne 2 پروتون بیشتر از 10 22 Ne در هسته دارد.

ب. ایزوتوپ 10 20 Ne 2 پروتون کمتر از 10 22 Ne در هسته دارد.

ایزوتوپ B. 10 22 Ne 2 نوترون بیشتر از 10 20 Ne در هسته خود دارد.

ایزوتوپ 10 22 Ne 2 نوترون کمتر از 10 20 Ne در هسته دارد.

18. در طول واپاشی بتا هسته اتم ...

الف) جرم هسته عملاً بدون تغییر باقی می ماند، بنابراین عدد جرمی ثابت می ماند، اما بار افزایش می یابد.

ب- عدد جرمی 1 افزایش و بار 1 کاهش می یابد.

ب- عدد جرمی ثابت می ماند، اما بار 1 کاهش می یابد.

D. عدد جرمی 1 کاهش می یابد، شارژ بدون تغییر باقی می ماند.

19. آیا در واکنش هسته ای انرژی آزاد می شود یا جذب می شود 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H؟ جرم هسته ها و ذرات (در a.m.) به ترتیب برابر است: m 7 14 N = 14.00307، m 2 4 He = 4.00260، m 8 17 O = 16.99913، m 1 1 H = 1.00728.

الف جذب شد زیرا ∆m
ب. متمایز است زیرا ∆m
ب. جذب می شود زیرا ∆m> 0.

D. متمایز است زیرا. ∆m> 0.

20. با استفاده از قوانین بقای تعداد جرم و بار و همچنین جدول تناوبی عناصر، یک واکنش هسته ای را بنویسید که در هنگام بمباران 5 ذره آلفا 11 B رخ می دهد و با کوبیدن نوترون ها همراه است.

^ فرم پاسخ

برای آزمون شماره 5

با موضوع "ساختار اتم و هسته اتم"

کلاس _____________

گزینه _______

№ الاغ	1	2		3		4	5		6		7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
پاسخ
№ اضافی وظایف			17		18			19		20
پاسخ

^ فرم پاسخ

برای آزمون شماره 5

با موضوع "ساختار اتم و هسته اتم"

تاریخ: _________________20__

کلاس _____________

نام و نام خانوادگی ________________________________

گزینه _______

№ الاغ	1	2		3		4	5		6		7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
پاسخ
№ اضافی وظایف			17		18			19		20
پاسخ

^ کدهای پاسخ صحیح

در 1

که در

جی

که در

جی

که در

جی

در 2

جی

که در

جی

که در

شماره 20 5 10 V + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 He (1 گزینه)

5 11 V + 2 4 He→ 7 14 N + 1 1 N (گزینه 2)

^ جدول تبدیل تعداد پاسخ های صحیح به سوالات اجباری به رتبه بندی در مقیاس پنج درجه ای.

کمی بیش از دو ماه از پایان بدترین جنگ تاریخ بشر می گذرد. و به این ترتیب، در 16 ژوئیه 1945، ارتش آمریکا اولین بمب هسته ای را آزمایش کرد و یک ماه بعد، هزاران نفر از ساکنان شهرهای ژاپن در جهنم اتمی جان باختند. از آن زمان، تسلیحات و همچنین ابزارهای رساندن آنها به اهداف، برای بیش از نیم قرن به طور مداوم بهبود یافته است.

ارتش می خواست مهمات فوق العاده قدرتمندی را در اختیار داشته باشد که بتواند با یک ضربه کل شهرها و کشورها را از روی نقشه جارو کند و همچنین مهمات بسیار کوچکی که می تواند در یک کیف جا شود. چنین وسیله ای جنگ خرابکارانه را به سطحی بی سابقه می رساند. با اولی و دومی، مشکلات غیرقابل حلی به وجود آمد. به اصطلاح توده بحرانی مقصر است. با این حال، اول چیزها.

چنین هسته انفجاری

برای درک عملکرد دستگاه های هسته ای و درک آنچه که جرم بحرانی نامیده می شود، اجازه دهید برای لحظه ای به میز خود بازگردیم. از درس فیزیک مدرسه ما یک قانون ساده را به یاد داریم: مانند دفع بارها. در آنجا، در دبیرستان، به دانش‌آموزان در مورد ساختار هسته اتم، متشکل از نوترون‌ها، ذرات خنثی و پروتون‌های با بار مثبت آموزش داده می‌شود. ولی چطور این ممکن است؟ ذرات دارای بار مثبت آنقدر نزدیک به هم قرار دارند که نیروهای دافعه باید عظیم باشند.

علم به طور کامل ماهیت نیروهای درون هسته ای را که پروتون ها را در کنار هم نگه می دارند درک نمی کند، اگرچه خواص این نیروها به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است. نیروها فقط در فواصل بسیار نزدیک عمل می کنند. اما به محض اینکه پروتون ها حتی اندکی در فضا از هم جدا می شوند، نیروهای دافعه شروع به غلبه می کنند و هسته به قطعات پراکنده می شود. و قدرت چنین گسترشی واقعاً عظیم است. مشخص است که قدرت یک مرد بالغ برای نگه داشتن پروتون های تنها یک هسته از یک اتم سرب کافی نیست.

رادرفورد از چه می ترسید؟

هسته اکثر عناصر جدول تناوبی پایدار است. اما با افزایش عدد اتمی، این پایداری کاهش می یابد. مسئله اندازه هسته است. بیایید هسته یک اتم اورانیوم را متشکل از 238 هسته که 92 عدد آن پروتون هستند را تصور کنیم. بله، پروتون ها در تماس نزدیک با یکدیگر هستند و نیروهای درون هسته ای به طور قابل اعتمادی کل ساختار را سیمان می کنند. اما نیروی دافعه پروتون های واقع در انتهای مخالف هسته قابل توجه می شود.

رادرفورد چه کار می کرد؟ او اتم ها را با نوترون بمباران کرد (الکترون از لایه الکترونی اتم عبور نمی کند و پروتون با بار مثبت به دلیل نیروهای دافعه نمی تواند به هسته نزدیک شود). ورود نوترون به هسته اتم باعث شکافت آن شد. دو نیمه مجزا و دو یا سه نوترون آزاد به طرفین پراکنده شده اند.

این فروپاشی به دلیل سرعت بسیار زیاد ذرات در حال پرواز، با آزاد شدن انرژی عظیمی همراه بود. شایعه ای وجود داشت که رادرفورد حتی می خواست کشف خود را پنهان کند، زیرا از عواقب احتمالی آن برای بشریت می ترسید، اما به احتمال زیاد این چیزی بیش از افسانه های پریان نیست.

پس جرم چه ربطی به آن دارد و چرا حیاتی است؟

پس چی؟ چگونه می توان به اندازه کافی فلز رادیواکتیو را با جریانی از پروتون تابش کرد تا یک انفجار قوی ایجاد کند؟ و جرم بحرانی چیست؟ همه چیز درباره آن چند الکترون آزاد است که از هسته اتمی "بمبباران شده" به بیرون پرواز می کنند؛ آنها نیز به نوبه خود با هسته های دیگر برخورد می کنند و باعث شکافت آنها می شوند. به اصطلاح شروع خواهد شد، اما راه اندازی آن بسیار دشوار خواهد بود.

بیایید مقیاس را روشن کنیم. اگر یک سیب را روی میز خود به عنوان هسته یک اتم در نظر بگیریم، برای تصور هسته اتم همسایه، باید همان سیب را حمل کرده و حتی در اتاق بعدی روی میز بگذاریم، اما ... در خانه بعدی نوترون به اندازه یک گودال گیلاس خواهد بود.

برای اینکه نوترون های آزاد شده بیهوده در خارج از شمش اورانیوم پرواز نکنند و بیش از 50 درصد آنها هدفی به شکل هسته اتمی پیدا کنند، این شمش باید دارای ابعاد مناسب باشد. این همان چیزی است که جرم بحرانی اورانیوم نامیده می شود - جرمی که در آن بیش از نیمی از نوترون های آزاد شده با هسته های دیگر برخورد می کنند.

در واقع، این در یک لحظه اتفاق می افتد. تعداد هسته‌های شکافته شده مانند بهمن رشد می‌کنند، تکه‌های آن‌ها با سرعتی قابل مقایسه با سرعت نور به همه جهات می‌روند و هوا، آب و هر وسیله دیگری را پاره می‌کنند. از برخورد آن‌ها با مولکول‌های محیطی، منطقه انفجار فوراً تا میلیون‌ها درجه گرم می‌شود و گرمایی منتشر می‌کند که همه چیز را در عرض چند کیلومتر می‌سوزاند.

هوای به شدت گرم شده فوراً اندازه آن افزایش می یابد و یک موج ضربه ای قدرتمند ایجاد می کند که ساختمان ها را از پایه آنها منفجر می کند ، همه چیز را که در مسیر خود باشد واژگون می کند و نابود می کند ... این تصویر یک انفجار اتمی است.

این در عمل چگونه به نظر می رسد؟

طراحی یک بمب اتمی به طرز شگفت آوری ساده است. دو شمش اورانیوم وجود دارد (یا شمش دیگر که جرم هر کدام کمی کمتر از جرم بحرانی است. یکی از شمش ها به شکل مخروط ساخته شده است و دیگری توپی با سوراخ مخروطی شکل است. ممکن است حدس بزنید، وقتی هر دو نیمه با هم ترکیب می شوند، یک توپ به دست می آید که به جرم بحرانی می رسد.این ساده ترین بمب هسته ای استاندارد است.

اما نباید فکر کنید که کسی می تواند چنین وسیله ای را "روی زانوهای خود" مونتاژ کند. ترفند این است که اورانیوم، برای اینکه بمب از آن منفجر شود، باید بسیار خالص باشد، وجود ناخالصی عملاً صفر است.

چرا بمب اتمی به اندازه یک پاکت سیگار وجود ندارد؟

همه به یک دلیل جرم بحرانی رایج ترین ایزوتوپ، اورانیوم 235، حدود 45 کیلوگرم است. انفجار چنین مقدار سوخت هسته ای در حال حاضر یک فاجعه است. و ساختن آن با مواد کمتر غیرممکن است - به سادگی کار نخواهد کرد.

به همین دلیل، امکان ایجاد بارهای اتمی فوق العاده قدرتمند از اورانیوم یا سایر فلزات رادیواکتیو وجود نداشت. برای اینکه بمب بسیار قدرتمند باشد، از دوازده شمش ساخته شده بود، که هنگام انفجار بمب های انفجاری، با عجله به مرکز می رفتند و مانند برش های پرتقال به هم وصل می شدند.

اما در واقع چه اتفاقی افتاد؟ اگر به دلایلی دو عنصر یک هزارم ثانیه زودتر از بقیه به هم رسیدند، جرم بحرانی سریعتر از "رسیدن" دیگران به جرم بحرانی رسید و انفجار با قدرتی که طراحان روی آن حساب کرده بودند رخ نداد. مشکل سلاح های هسته ای فوق قدرتمند تنها با ظهور سلاح های هسته ای حل شد. اما این داستان کمی متفاوت است.

یک اتم صلح آمیز چگونه کار می کند؟

نیروگاه هسته ای در اصل همان بمب هسته ای است. فقط در این "بمب" میله های سوخت (عناصر سوختی) ساخته شده از اورانیوم در فاصله ای از یکدیگر قرار دارند که مانع از تبادل "ضربه های نوترونی" آنها نمی شود.

میله های سوخت به شکل میله هایی ساخته می شوند که در بین آنها میله های کنترلی از ماده ای قرار دارد که نوترون ها را به خوبی جذب می کند. اصل عملیات ساده است:

میله های کنترل (جذب) به فضای بین میله های اورانیوم وارد می شوند - واکنش کند می شود یا به طور کلی متوقف می شود.
میله های کنترل از منطقه حذف می شوند - عناصر رادیواکتیو به طور فعال نوترون ها را مبادله می کنند، واکنش هسته ای با شدت بیشتری ادامه می یابد.

در واقع، نتیجه همان بمب اتمی است که در آن جرم بحرانی آنقدر نرم به دست می‌آید و آنقدر واضح تنظیم می‌شود که منجر به انفجار نمی‌شود، بلکه تنها منجر به گرم شدن مایع خنک‌کننده می‌شود.

اگر چه، متأسفانه، همانطور که تمرین نشان می دهد، نبوغ انسان همیشه قادر به مهار این انرژی عظیم و مخرب نیست - انرژی فروپاشی هسته اتم.

در سالگرد بعدی بدابوم در هیروشیما و ناکازاکی، تصمیم گرفتم اینترنت را در مورد سؤالات مربوط به سلاح های هسته ای جستجو کنم، اینکه چرا و چگونه آنها ایجاد شده اند برای من چندان جالب نبود (من قبلاً می دانستم) - من بیشتر به این علاقه داشتم که چگونه 2 تکه های پلوتونیوم ذوب نمی شوند بلکه یک انفجار بزرگ ایجاد می کنند.

مراقب مهندسان باشید - آنها با یک بذر کار شروع می شوند و با یک بمب اتمی به پایان می رسند.

فیزیک هسته ای یکی از بحث برانگیزترین حوزه های علوم طبیعی ارجمند است. در این منطقه است که بشریت برای نیم قرن میلیاردها دلار، پوند، فرانک و روبل، مانند کوره لوکوموتیو یک قطار دیرهنگام، پرتاب کرده است. حالا انگار قطار دیگر دیر نکرده است. شعله های آتش سوزان سرمایه ها و ساعت های انسانی فروکش کرد. بیایید سعی کنیم به طور خلاصه بفهمیم که چه نوع قطاری به این "فیزیک هسته ای" گفته می شود.

ایزوتوپ ها و رادیواکتیویته

همانطور که می دانید، هر چیزی که وجود دارد از اتم تشکیل شده است. اتم‌ها به نوبه خود از پوسته‌های الکترونی تشکیل شده‌اند که طبق قوانین شگفت‌انگیز خود زندگی می‌کنند و یک هسته. شیمی کلاسیک اصلاً علاقه ای به هسته و زندگی شخصی آن ندارد. برای او، یک اتم الکترون‌های آن و توانایی آن‌ها برای تبادل تعامل است. و از هسته شیمی فقط به جرم آن برای محاسبه نسبت معرف ها نیاز دارید. به نوبه خود، فیزیک هسته ای به الکترون ها اهمیت نمی دهد. او به ذره ای کوچک (100 هزار برابر کوچکتر از شعاع مدارهای الکترون) از غبار درون یک اتم علاقه مند است که تقریباً تمام جرم آن در آن متمرکز است.

در مورد هسته چه می دانیم؟ بله، از پروتون ها و نوترون هایی با بار مثبت تشکیل شده است که بار الکتریکی ندارند. با این حال، این کاملا درست نیست. هسته یک مشت توپ دو رنگ نیست، همانطور که در تصویر کتاب درسی مدرسه آمده است. در اینجا قوانین کاملا متفاوتی به نام برهمکنش قوی وجود دارد که پروتون ها و نوترون ها را به نوعی آشفتگی غیرقابل تشخیص تبدیل می کند. با این حال، بار این آشفتگی دقیقاً برابر با بار کل پروتون‌های موجود در آن است و جرم تقریباً (تکرار می‌کنم تقریباً) با جرم نوترون‌ها و پروتون‌های تشکیل‌دهنده هسته منطبق است.

به هر حال، تعداد پروتون های یک اتم غیریونیزه همیشه با تعداد الکترون هایی که افتخار احاطه کردن آن را دارند، مطابقت دارد. اما در مورد نوترون ها موضوع چندان ساده نیست. به بیان دقیق، وظیفه نوترون‌ها تثبیت هسته است، زیرا بدون آنها پروتون‌های باردار مشابه حتی برای میکروثانیه‌ها هم نمی‌توانند کنار هم قرار گیرند.

بیایید هیدروژن را برای قطعیت در نظر بگیریم. رایج ترین هیدروژن. ساختار آن به طرز مضحکی ساده است - یک پروتون که توسط یک الکترون مداری احاطه شده است. در کیهان مقدار زیادی هیدروژن وجود دارد. می توان گفت که جهان عمدتاً از هیدروژن تشکیل شده است.

حالا بیایید با دقت یک نوترون به پروتون اضافه کنیم. از نظر شیمیایی، هنوز هیدروژن است. اما از نظر فیزیک، دیگر نه. با کشف دو هیدروژن مختلف، فیزیکدانان نگران شدند و بلافاصله به این فکر افتادند که هیدروژن معمولی را پروتیوم و هیدروژن را با نوترون در یک پروتون - دوتریوم بخوانند.

بیایید جسور باشیم و نوترون دیگری را به هسته تغذیه کنیم. اکنون ما یک هیدروژن دیگر داریم، حتی سنگین تر - تریتیوم. باز هم، از نقطه نظر شیمیایی، عملاً هیچ تفاوتی با دو هیدروژن دیگر ندارد (با این تفاوت که اکنون کمی کمتر واکنش نشان می دهد). من می خواهم فوراً به شما هشدار دهم - هیچ مقدار تلاش، تهدید یا متقاعدسازی نمی تواند نوترون دیگری را به هسته تریتیوم اضافه کند. قوانین محلی بسیار سختگیرانه تر از قوانین انسانی است.

بنابراین، پروتیوم، دوتریوم و تریتیوم ایزوتوپ های هیدروژن هستند. جرم اتمی آنها متفاوت است، اما بار آنها متفاوت است. اما این بار هسته است که مکان را در جدول تناوبی عناصر تعیین می کند. به همین دلیل است که ایزوتوپ ها را ایزوتوپ می نامند. ترجمه شده از یونانی به معنای "اشغال در همان مکان" است. اتفاقاً آب سنگین معروف همان آب است اما به جای پروتیوم دو اتم دوتریوم دارد. بر این اساس، آب فوق سنگین به جای پروتیوم حاوی تریتیوم است.

بیایید دوباره به هیدروژن های خود نگاه کنیم. پس... پروتیوم سر جایش است، دوتریوم سر جایش... این دیگر کیست؟ تریتیوم من کجا رفت و هلیوم 3 از کجا آمد؟ در تریتیوم ما، یکی از نوترون ها به وضوح خسته شد، تصمیم گرفت حرفه خود را تغییر دهد و پروتون شد. با انجام این کار، یک الکترون و یک پادنوترینو تولید کرد. از دست دادن تریتیوم البته ناامید کننده است، اما اکنون می دانیم که ناپایدار است. تغذیه نوترون ها بیهوده نبود.

بنابراین، همانطور که می دانید، ایزوتوپ ها پایدار و ناپایدار هستند. ایزوتوپ های پایدار زیادی در اطراف ما وجود دارد، اما، خدا را شکر، عملاً هیچ ایزوتوپ ناپایدار وجود ندارد. یعنی وجود دارند، اما در چنین حالت پراکنده ای که باید به قیمت کار بسیار زیاد به دست آیند. به عنوان مثال، اورانیوم 235 که برای اوپنهایمر دردسرهای زیادی ایجاد کرد، تنها 0.7 درصد اورانیوم طبیعی را تشکیل می دهد.

نیمه عمر

اینجا همه چیز ساده است. نیمه عمر ایزوتوپ ناپایدار دوره زمانی است که در طی آن دقیقاً نیمی از اتم های ایزوتوپ تجزیه شده و به اتم های دیگر تبدیل می شوند. تریتیوم، که قبلاً برای ما آشنا بود، نیمه عمر 12.32 سال دارد. این ایزوتوپ نسبتاً کوتاه مدت است، اگرچه در مقایسه با فرانسیم-223 که نیمه عمر آن 22.3 دقیقه است، تریتیوم مانند یک ریش خاکستری به نظر می رسد.

هیچ عامل خارجی ماکروسکوپی (فشار، دما، رطوبت، خلق و خوی محقق، تعداد تخصیص، مکان ستارگان) بر نیمه عمر تأثیر نمی گذارد. مکانیک کوانتومی نسبت به چنین مزخرفاتی حساس نیست.

مکانیک انفجار محبوب

ماهیت هر انفجاری آزاد شدن سریع انرژی است که قبلاً در حالت غیرآزاد و محدود بود. انرژی آزاد شده پراکنده می شود، عمدتاً به گرما (انرژی جنبشی حرکت نامنظم مولکول ها)، یک موج ضربه (در اینجا حرکت نیز وجود دارد، اما قبلاً دستور داده شده است، در جهت مرکز انفجار) و تابش - از مادون قرمز نرم تا کوانتومای موج کوتاه سخت.

در یک انفجار شیمیایی، همه چیز نسبتاً ساده است. یک واکنش انرژی مفید زمانی رخ می دهد که مواد خاصی با یکدیگر تعامل داشته باشند. فقط لایه‌های الکترونیکی بالایی برخی اتم‌ها در واکنش شرکت می‌کنند و برهمکنش عمیق‌تر نمی‌شود. به راحتی می توان حدس زد که در هر ماده ای انرژی پنهان بسیار بیشتری وجود دارد. اما شرایط آزمایش هرچه که باشد، مهم نیست که معرف‌هایی که انتخاب می‌کنیم چقدر موفق هستند، مهم نیست که چقدر نسبت‌ها را بررسی می‌کنیم، شیمی به ما اجازه نمی‌دهد به عمق اتم برویم. انفجار شیمیایی پدیده‌ای بدوی، بی‌اثر و از دیدگاه فیزیک، به طرز نامناسبی ضعیف است.

واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای به شما امکان می‌دهد کمی عمیق‌تر حفاری کنید و نه تنها الکترون‌ها، بلکه هسته‌ها را نیز وارد بازی کنید. این شاید فقط برای یک فیزیکدان واقعاً مهم به نظر برسد، اما برای بقیه یک قیاس ساده ارائه خواهم کرد. تصور کنید یک وزنه غول‌پیکر با ذرات غبار برق‌دار در اطراف آن در فاصله چند کیلومتری بال می‌زند. این یک اتم است، "وزن" هسته است و "ذرات غبار" الکترون هستند. هر کاری که با این ذرات گرد و غبار انجام دهید، حتی یک صدم انرژی را که می توان از یک وزنه سنگین به دست آورد، تامین نخواهد کرد. به خصوص اگر به دلایلی شکافته شود و قطعات عظیم با سرعت زیاد در جهات مختلف پراکنده شوند.

انفجار هسته ای شامل پتانسیل اتصال ذرات سنگینی است که هسته را تشکیل می دهند. اما این دور از حد است: انرژی پنهان بسیار بیشتری در ماده وجود دارد. و نام این انرژی جرم است. باز هم، این برای یک غیرفیزیکدان کمی غیرعادی به نظر می رسد، اما جرم انرژی است، فقط بسیار متمرکز است. هر ذره: الکترون، پروتون، نوترون - همه اینها توده های کوچکی از انرژی فوق العاده متراکم هستند که در حال حاضر در حالت استراحت باقی می مانند. احتمالاً فرمول E=mc2 را می‌شناسید که توسط جوک‌نویسان، سردبیران روزنامه‌های دیواری و تزئین‌کنندگان کلاس درس بسیار دوست‌داشتنی است. این دقیقاً همان چیزی است که در مورد آن است، و این چیزی است که جرم را چیزی بیش از شکلی از انرژی نمی‌داند. و همچنین به این سوال پاسخ می دهد که از یک ماده تا چه حد انرژی می توان به دست آورد.

فرآیند انتقال کامل جرم، یعنی انرژی محدود، به انرژی آزاد، نابودی نامیده می شود. از ریشه لاتین "nihil" به راحتی می توان ماهیت آن را حدس زد - این تبدیل به "هیچ" یا بهتر بگوییم به تابش است. برای وضوح، در اینجا چند عدد آورده شده است.

انرژی معادل انفجار TNT (J)

نارنجک اف 1 60 گرمی 2.50*105

بمب در هیروشیما 16 کیلوتنی 6.70*1013 پرتاب شد

نابودی یک گرم ماده 21.5 کیلوتن 8.99*1013

یک گرم از هر ماده (فقط جرم مهم است) پس از نابودی انرژی بیشتری نسبت به یک بمب هسته ای کوچک می دهد. در مقایسه با چنین بازگشت‌هایی، تمرین‌های فیزیکدانان در مورد شکافت هسته‌ای، و حتی بیشتر از آن آزمایش‌های شیمیدان‌ها با معرف‌های فعال، مضحک به نظر می‌رسند.

برای نابودی، شرایط مناسب، یعنی تماس ماده با پادماده مورد نیاز است. و بر خلاف "جیوه قرمز" یا "سنگ فیلسوف"، پادماده بیش از حد واقعی است - برای ذرات شناخته شده برای ما، پادذرات مشابهی وجود دارد و مورد مطالعه قرار گرفته است، و آزمایش هایی در مورد نابودی جفت های "الکترون + پوزیترون" مکررا انجام شده است. در عمل انجام شد. اما برای ایجاد یک سلاح انهدام، لازم است حجم معینی از ضد ذرات جمع آوری شود و همچنین تماس آنها با هر ماده ای تا در واقع استفاده رزمی محدود شود. این، پاپه، هنوز یک چشم انداز دور است.

نقص انبوه

آخرین سوالی که در مورد مکانیک انفجار باید فهمیده شود این است که انرژی از کجا می آید: همان انرژی که در طی واکنش زنجیره ای آزاد می شود؟ اینجا دوباره توده ای درگیر شد. یا بهتر است بگوییم بدون «نقص» آن.

تا قرن گذشته، دانشمندان معتقد بودند که جرم تحت هر شرایطی حفظ می شود و آنها به روش خود حق داشتند. بنابراین ما فلز را در اسید پایین آوردیم - شروع به حباب زدن در مخزن شد و حباب های گاز از طریق ضخامت مایع به سمت بالا حرکت کردند. اما اگر معرفها را قبل و بعد از واکنش وزن کنید و گاز آزاد شده را فراموش نکنید، جرم همگرا می شود. و تا زمانی که ما با کیلوگرم، متر و واکنش های شیمیایی کار کنیم، همیشه همینطور خواهد بود.

اما به محض اینکه وارد میدان ریز ذرات شوید، جرم نیز شگفت‌انگیز است. معلوم می شود که جرم یک اتم ممکن است دقیقاً برابر با مجموع جرم ذرات تشکیل دهنده آن نباشد. هنگامی که یک هسته سنگین (به عنوان مثال، اورانیوم) به قطعات تقسیم می شود، "قطعات" در مجموع وزن کمتری نسبت به هسته قبل از شکافت دارند. «تفاوت» که نقص جرمی نیز نامیده می‌شود، مسئول انرژی‌های اتصال درون هسته است. و این تفاوت است که در طول انفجار به گرما و تابش می رود، همه طبق یک فرمول ساده: E=mc2.

این جالب است: اتفاق می افتد که تقسیم هسته های سنگین و ترکیب هسته های سبک از نظر انرژی مفید است. مکانیسم اول در بمب اورانیوم یا پلوتونیوم کار می کند، مکانیسم دوم در بمب هیدروژنی. اما شما نمی توانید از آهن بمب بسازید، مهم نیست که چقدر تلاش می کنید: درست در وسط این خط است.

بمب هسته ای

به دنبال توالی تاریخی، اجازه دهید ابتدا بمب های هسته ای را در نظر بگیریم و "پروژه منهتن" کوچک خود را اجرا کنیم. من شما را با روش های خسته کننده جداسازی ایزوتوپ ها و محاسبات ریاضی تئوری واکنش زنجیره ای شکافت خسته نمی کنم. من و شما اورانیوم، پلوتونیوم، مواد دیگر، دستورالعمل های مونتاژ و مقدار لازم کنجکاوی علمی داریم.

همه ایزوتوپ های اورانیوم تا یک درجه ناپایدار هستند. اما اورانیوم 235 در موقعیت ویژه ای قرار دارد. در طی فروپاشی خود به خودی هسته اورانیوم 235 (که به آن واپاشی آلفا نیز گفته می شود)، دو قطعه (هسته سایر عناصر بسیار سبک تر) و چندین نوترون (معمولاً 2-3) تشکیل می شوند. اگر نوترون تشکیل شده در حین واپاشی به هسته اتم اورانیوم دیگری برخورد کند، یک برخورد الاستیک معمولی رخ خواهد داد، نوترون به بیرون پریده و به جستجوی ماجراجویی خود ادامه خواهد داد. اما بعد از مدتی انرژی را هدر می دهد (برخوردهای کاملاً الاستیک فقط در بین اسب های کروی در خلاء رخ می دهد) و هسته بعدی تبدیل به یک تله می شود - نوترون توسط آن جذب می شود. به هر حال، فیزیکدانان چنین نوترونی را حرارتی می نامند.

به فهرست ایزوتوپ های شناخته شده اورانیوم نگاه کنید. در بین آنها هیچ ایزوتوپی با جرم اتمی 236 وجود ندارد. آیا می دانید چرا؟ چنین هسته ای برای کسری از میکروثانیه زندگی می کند و سپس تجزیه می شود و مقدار زیادی انرژی آزاد می کند. به این می گویند پوسیدگی اجباری. حتی نامیدن ایزوتوپی با چنین عمری ایزوتوپ به نوعی ناخوشایند است.

انرژی آزاد شده در هنگام فروپاشی هسته اورانیوم 235 انرژی جنبشی قطعات و نوترون ها است. اگر مجموع جرم محصولات فروپاشی هسته اورانیوم را محاسبه کنید و سپس آن را با جرم هسته اصلی مقایسه کنید، معلوم می شود که این جرم ها منطبق نیستند - هسته اصلی بزرگتر بوده است. این پدیده نقص جرم نامیده می شود و توضیح آن در فرمول E0=mс2 آمده است. انرژی جنبشی قطعات تقسیم بر مجذور سرعت نور دقیقاً برابر با اختلاف جرم خواهد بود. قطعات در شبکه کریستالی اورانیوم کاهش می یابند و تشعشعات پرتو ایکس تولید می کنند و نوترون ها پس از سفر، توسط هسته های دیگر اورانیوم جذب می شوند یا از ریخته گری اورانیوم خارج می شوند، جایی که همه رویدادها در آن رخ می دهند.

اگر ریخته‌گری اورانیوم کوچک باشد، بیشتر نوترون‌ها بدون داشتن زمان برای کاهش سرعت، آن را ترک می‌کنند. اما اگر هر عمل واپاشی اجباری حداقل یک عمل مشابه دیگر به دلیل نوترون ساطع شده ایجاد کند، این در حال حاضر یک واکنش زنجیره‌ای خودپایدار شکافت است.

بر این اساس، اگر اندازه ریخته‌گری را افزایش دهید، افزایش تعداد نوترون‌ها باعث شکافت اجباری می‌شود. و در نقطه ای واکنش زنجیره ای غیر قابل کنترل خواهد شد. اما این به دور از یک انفجار هسته ای است. فقط یک انفجار حرارتی بسیار "کثیف" که تعداد زیادی ایزوتوپ بسیار فعال و سمی را آزاد می کند.

یک سوال کاملا منطقی این است: چه مقدار اورانیوم 235 لازم است تا واکنش زنجیره ای شکافت به بهمن تبدیل شود؟ در واقع به این سادگی نیست. خواص مواد شکافت پذیر و نسبت حجم به سطح در اینجا نقش دارند. یک تن اورانیوم 235 را تصور کنید (من فوراً رزرو می کنم - این مقدار زیاد است) که به شکل یک سیم نازک و بسیار طولانی وجود دارد. بله، یک نوترون که در امتداد آن پرواز می کند، البته باعث یک عمل واپاشی اجباری می شود. اما کسری از نوترون هایی که در امتداد سیم پرواز می کنند آنقدر کوچک خواهد بود که صحبت در مورد یک واکنش زنجیره ای خودپایدار به سادگی مضحک است.

بنابراین، ما توافق کردیم که جرم بحرانی را برای یک ریخته‌گری کروی محاسبه کنیم. برای اورانیوم خالص 235، جرم بحرانی 50 کیلوگرم است (این یک توپ با شعاع 9 سانتی متر است). می‌دانید که چنین توپی دوام زیادی نخواهد داشت، با این حال، کسانی که آن را پرتاب می‌کنند نیز دوام نمی‌آورند.

اگر یک توپ با جرم کوچکتر توسط یک بازتابنده نوترون احاطه شود (بریلیم برای آن عالی است) و یک ماده تعدیل کننده نوترون (آب، آب سنگین، گرافیت، همان بریلیوم) به توپ وارد شود، آنگاه جرم بحرانی بسیار خواهد شد. کوچکتر. با استفاده از موثرترین بازتابنده ها و تعدیل کننده های نوترونی می توان جرم بحرانی را تا 250 گرم افزایش داد. برای مثال، می توان با قرار دادن محلول اشباع نمک اورانیوم 235 در آب سنگین در یک ظرف کروی بریلیوم به این امر دست یافت.

جرم بحرانی نه تنها برای اورانیوم 235 وجود دارد. همچنین تعدادی ایزوتوپ قادر به انجام واکنش های زنجیره ای شکافت هستند. شرط اصلی این است که فرآورده های فروپاشی یک هسته باید باعث اعمال پوسیدگی هسته های دیگر شود.

بنابراین، ما دو دستگاه ریخته‌گری اورانیوم نیم‌کره‌ای داریم که هر کدام 40 کیلوگرم وزن دارند. تا زمانی که آنها در فاصله ای محترمانه از یکدیگر باشند، همه چیز آرام خواهد بود. اگر به آرامی شروع به حرکت آنها کنید چه؟ برخلاف تصور رایج، هیچ اتفاقی شبیه قارچ نخواهد افتاد. فقط این است که قطعات با نزدیک‌تر شدن شروع به گرم شدن می‌کنند و سپس، اگر به موقع به خود نیایید، داغ می‌شوند. در پایان، آنها به سادگی ذوب می شوند و پخش می شوند و هرکسی که مواد ریخته گری را جابجا کرده است، در اثر تابش نوترون خواهد مرد. و کسانی که این را با علاقه تماشا کردند، باله های خود را به هم می چسبانند.

اگه سریعتر باشه چی؟ آنها سریعتر ذوب می شوند. حتی سریعتر؟ آنها حتی سریعتر ذوب می شوند. سرد؟ حتی اگر آن را در هلیوم مایع قرار دهید، هیچ فایده ای ندارد. اگر یک قطعه به قطعه دیگر شلیک کنید چه؟ در باره! لحظه حقیقت. ما به تازگی طرح توپ اورانیومی را ارائه کردیم. با این حال، ما چیز خاصی نداریم که به آن افتخار کنیم؛ این طرح ساده ترین و بی هنرترین طرح ممکن است. بله، و نیمکره ها باید رها شوند. آنها، همانطور که تمرین نشان داده است، تمایلی به چسبیدن به هم ندارند. کوچکترین تحریف - و شما یک "گوز" بسیار گران قیمت دریافت می کنید، پس از آن باید برای مدت طولانی تمیز کنید.

بهتر است لوله اورانیوم 235 با دیواره کوتاه و ضخیم با جرم 30-40 کیلوگرم بسازیم که به دهانه آن یک بشکه فولادی با استحکام بالا با همان کالیبر و با استوانه ای به آن شارژ می کنیم. اورانیوم تقریباً به همان جرم بیایید هدف اورانیوم را با یک بازتابنده نوترون بریلیم احاطه کنیم. حال، اگر یک "گلوله" اورانیوم به "لوله" اورانیوم شلیک کنید، "لوله" پر خواهد شد. یعنی یک انفجار هسته ای رخ خواهد داد. فقط باید به طور جدی شلیک کنید، به طوری که سرعت پوزه پرتابه اورانیوم حداقل 1 کیلومتر بر ثانیه باشد. در غیر این صورت، دوباره گوز خواهد بود، اما بلندتر. واقعیت این است که وقتی پرتابه و هدف به یکدیگر نزدیک می‌شوند، آنقدر گرم می‌شوند که به شدت از سطح تبخیر می‌شوند و با جریان‌های گاز روبرو می‌شوند. علاوه بر این، اگر سرعت کافی نباشد، این احتمال وجود دارد که پرتابه به سادگی به هدف نرسد، اما در طول مسیر تبخیر شود.

شتاب دادن به یک توپ با وزن چند ده کیلوگرم به چنین سرعتی و در مسافت چند متری، کار بسیار دشواری است. به همین دلیل است که شما به باروت نیاز ندارید، بلکه به یک ماده منفجره قوی که قادر است در مدت زمان بسیار کوتاهی فشار گاز مناسب را در بشکه ایجاد کند، نیاز ندارید. و بعداً مجبور نخواهید بود بشکه را تمیز کنید، نگران نباشید.

بمب Mk-I "Little Boy" که بر روی هیروشیما انداخته شد دقیقاً مطابق با طراحی توپ طراحی شده بود.

البته جزئیات جزئی وجود دارد که ما در پروژه خود به آنها توجه نکردیم، اما به هیچ وجه به خود اصل گناه نکردیم.

بنابراین. بمب اورانیومی را منفجر کردیم. ما قارچ را تحسین کردیم. اکنون پلوتونیوم را منفجر خواهیم کرد. فقط یک هدف، یک پرتابه، یک بشکه و زباله های دیگر را به اینجا نکشید. این ترفند با پلوتونیوم کار نمی کند. حتی اگر یک قطعه را با سرعت 5 کیلومتر بر ثانیه به قطعه دیگر شلیک کنیم، یک مجموعه فوق بحرانی باز هم کار نخواهد کرد. پلوتونیوم-239 زمانی برای گرم شدن، تبخیر شدن و خراب کردن همه چیز در اطراف خواهد داشت. جرم بحرانی آن کمی بیشتر از 6 کیلوگرم است. می توانید تصور کنید که از نظر گرفتن نوترون چقدر فعال تر است.

پلوتونیوم یک فلز غیر معمول است. بسته به دما، فشار و ناخالصی ها، در شش تغییر شبکه کریستالی وجود دارد. حتی تغییراتی وجود دارد که در آن هنگام گرم شدن منقبض می شود. انتقال از یک فاز به فاز دیگر می تواند ناگهانی رخ دهد، در حالی که چگالی پلوتونیوم می تواند 25٪ تغییر کند. به یاد داشته باشیم که جرم بحرانی به ویژه با نسبت حجم به سطح تعیین می شود. خوب، ما یک توپ با جرم زیربحرانی داریم که حداقل سطح برای یک حجم معین دارد. فرض کنید 6 کیلوگرم است. شعاع توپ 4.5 سانتی متر است اگر این توپ از همه طرف فشرده شود چطور؟ چگالی به نسبت مکعب فشرده سازی خطی افزایش می یابد و سطح به نسبت مربع آن کاهش می یابد. و این چیزی است که اتفاق می افتد: اتم های پلوتونیوم متراکم تر می شوند، یعنی فاصله توقف نوترون کوتاه می شود، به این معنی که احتمال جذب آن افزایش می یابد. اما باز هم فشرده سازی با سرعت مورد نیاز (حدود 10 کیلومتر بر ثانیه) کار نمی کند. بن بست؟ اما نه.

در دمای 300 درجه سانتیگراد، فاز به اصطلاح دلتا آغاز می شود - شل ترین. اگر پلوتونیوم با گالیوم دوپ شود، تا این دما گرم شود و سپس به آرامی سرد شود، فاز دلتا می تواند در دمای اتاق وجود داشته باشد. اما پایدار نخواهد بود در فشار بالا (در حد ده ها هزار اتمسفر)، انتقال ناگهانی به فاز آلفای بسیار متراکم رخ خواهد داد.

بیایید یک توپ پلوتونیومی را در یک توپ توخالی بزرگ (با قطر 23 سانتی متر) و سنگین (120 کیلوگرم) از اورانیوم 238 قرار دهیم. نگران نباشید جرم بحرانی ندارد. اما نوترون های سریع را کاملا منعکس می کند. و آنها همچنان برای ما مفید خواهند بود، به نظر شما آن را منفجر کردند؟ مهم نیست که چگونه است. پلوتونیوم یک موجود دمدمی مزاج لعنتی است. ما باید کار بیشتری انجام دهیم. بیایید از پلوتونیوم در فاز دلتا دو نیمکره بسازیم. بیایید یک حفره کروی در مرکز تشکیل دهیم. و در این حفره ما اصل تفکر سلاح های هسته ای - آغازگر نوترون را قرار خواهیم داد. این یک توپ کوچک توخالی بریلیوم با قطر 20 و ضخامت 6 میلی متر است. درون آن یک توپ بریلیوم دیگری با قطر 8 میلی متر قرار دارد. در سطح داخلی توپ توخالی شیارهای عمیقی وجود دارد. کل آن به طور سخاوتمندانه ای نیکل اندود و روکش طلا است. پولونیوم-210 در شیارها قرار می گیرد که به طور فعال ذرات آلفا را ساطع می کند. این یک معجزه فناوری است. چگونه کار می کند؟ یه لحظه. ما هنوز چند کار برای انجام دادن داریم.

بیایید پوسته اورانیوم را با پوسته دیگری احاطه کنیم که از آلیاژ آلومینیوم با بور ساخته شده است. ضخامت آن حدود 13 سانتی متر است. در مجموع، "ماتریوشکا" ما اکنون به ضخامت نیم متر رسیده است و از 6 تا 250 کیلوگرم وزن اضافه کرده است.

حالا بیایید "عدسی" انفجاری بسازیم. یک توپ فوتبال را تصور کنید. کلاسیک، متشکل از 20 شش ضلعی و 12 پنج ضلعی. ما چنین "توپ" را از مواد منفجره خواهیم ساخت و هر یک از بخش ها به چندین چاشنی الکتریکی مجهز خواهند شد. ضخامت قطعه حدود نیم متر است. همچنین ظرافت های زیادی در ساخت "عدسی ها" وجود دارد، اما اگر آنها را توصیف کنیم، فضای کافی برای هر چیز دیگری وجود نخواهد داشت. نکته اصلی حداکثر دقت لنز است. کوچکترین اشتباه - و کل مجموعه در اثر انفجار ماده منفجره خرد می شود. این مجموعه کامل اکنون دارای قطری در حدود یک و نیم متر و جرم آن 2.5 تن است. طراحی توسط یک مدار الکتریکی تکمیل می شود که وظیفه آن انفجار چاشنی ها در یک توالی کاملاً مشخص با دقت میکروثانیه است.

همه. پیش روی ما یک مدار انفجار پلوتونیوم است.

و اکنون - جالب ترین بخش.

در حین انفجار، ماده منفجره مجموعه را فشرده می کند و "هلنده" آلومینیومی از پخش شدن پوسیدگی موج انفجار به سمت داخل جلوی آن جلوگیری می کند. پس از عبور از اورانیوم با سرعت معکوس در حدود 12 کیلومتر بر ثانیه، موج فشرده سازی هم آن و هم پلوتونیوم را فشرده می کند. پلوتونیوم در فشارهایی در ناحیه تراکم صدها هزار اتمسفر (اثر تمرکز جبهه انفجار) به طور ناگهانی به فاز آلفا خواهد پرید. در 40 میکروثانیه، مجموعه اورانیوم-پلوتونیوم که در اینجا توضیح داده شد، نه تنها فوق بحرانی، بلکه چندین برابر بیشتر از جرم بحرانی خواهد شد.

پس از رسیدن به آغازگر، موج فشرده سازی کل ساختار آن را به صورت یکپارچه خرد می کند. در این حالت، عایق طلا-نیکل از بین می‌رود، پلونیوم 210 به دلیل انتشار به درون بریلیم نفوذ می‌کند، ذرات آلفای ساطع شده از آن و عبور از بریلیم باعث ایجاد جریان عظیمی از نوترون‌ها می‌شود و باعث ایجاد یک واکنش زنجیره‌ای شکافت در کل می‌شود. حجم پلوتونیوم، و جریان نوترون های "سریع" تولید شده، تجزیه پلوتونیوم باعث انفجار اورانیوم 238 می شود. تمام شد، ما قارچ دوم را پرورش دادیم، بدتر از اولی نیست.

نمونه ای از طرح انفجار پلوتونیوم، بمب Mk-III "Fatman" است که در ناکازاکی انداخته شد.

تمام ترفندهای شرح داده شده در اینجا برای وادار کردن حداکثر تعداد هسته های اتمی پلوتونیوم به واکنش مورد نیاز است. وظیفه اصلی این است که شارژ را تا زمانی که ممکن است در حالت فشرده نگه دارید و از پراکندگی آن در یک ابر پلاسما جلوگیری کنید که در آن واکنش زنجیره ای فوراً متوقف می شود. در اینجا، هر میکروثانیه به دست آمده افزایشی در یک یا دو کیلوتن قدرت است.

بمب گرما هسته ای

یک باور رایج وجود دارد که بمب هسته ای فیوزی برای بمب هسته ای است. در اصل، همه چیز بسیار پیچیده تر است، اما ماهیت به درستی گرفته می شود. تسلیحات مبتنی بر اصول همجوشی گرما هسته ای، دستیابی به چنین قدرت انفجاری را ممکن ساخته است که تحت هیچ شرایطی نمی توان با واکنش زنجیره ای شکافت به دست آورد. اما تنها منبع انرژی تا کنون که می تواند یک واکنش همجوشی حرارتی هسته ای را "اشتعال" کند، انفجار هسته ای است.

به یاد دارید که من و شما چگونه هسته هیدروژن را با نوترون "تغذیه" کردیم؟ بنابراین، اگر سعی کنید دو پروتون را به این روش به یکدیگر متصل کنید، هیچ کاری درست نمی شود. پروتون ها به دلیل نیروهای دافعه کولن به هم نمی چسبند. یا از هم دور می شوند یا واپاشی بتا رخ می دهد و یکی از پروتون ها به نوترون تبدیل می شود. اما هلیوم-3 وجود دارد. به لطف یک نوترون که پروتون ها را با یکدیگر سازگارتر می کند.

در اصل، بر اساس ترکیب هسته هلیوم-3، می توان نتیجه گرفت که جمع آوری یک هسته هلیوم-3 از هسته های پروتیوم و دوتریوم کاملاً امکان پذیر است. از نظر تئوری، این درست است، اما چنین واکنشی تنها می تواند در اعماق ستاره های بزرگ و داغ رخ دهد. علاوه بر این، در اعماق ستاره ها، هلیوم را می توان حتی از پروتون ها به تنهایی جمع آوری کرد و برخی از آنها را به نوترون تبدیل کرد. اما اینها قبلاً سؤالات اخترفیزیک هستند و گزینه قابل دستیابی برای ما ادغام دو هسته دوتریوم یا دوتریوم و تریتیوم است.

همجوشی هسته ای به یک شرط بسیار خاص نیاز دارد. این یک دمای بسیار بالا (109 K) است. فقط با انرژی جنبشی متوسط هسته‌ها 100 کیلوالکترون ولت، آنها می‌توانند به فاصله‌ای نزدیک شوند که در آن برهمکنش قوی شروع به غلبه بر برهمکنش کولن کند.

یک سوال کاملاً قانونی - چرا این باغ را حصار بکشید؟ واقعیت این است که در طول همجوشی هسته های سبک، انرژی حدود 20 مگا الکترون ولت آزاد می شود. البته، با شکافت اجباری یک هسته اورانیوم، این انرژی 10 برابر بیشتر است، اما یک هشدار وجود دارد - با بزرگترین ترفندها، بار اورانیوم با قدرت حتی 1 مگاتون غیرممکن است. حتی برای یک بمب پلوتونیومی پیشرفته تر، خروجی انرژی قابل دستیابی بیش از 7-8 کیلوتن در هر کیلوگرم پلوتونیوم (با حداکثر تئوری 18 کیلوتن) نیست. و فراموش نکنید که یک هسته اورانیوم تقریبا 60 برابر سنگین تر از دو هسته دوتریوم است. اگر بازده انرژی ویژه را در نظر بگیریم، آنگاه همجوشی گرما هسته ای به طور قابل توجهی جلوتر است.

و یک چیز دیگر - برای بار حرارتی هیچ محدودیتی در جرم بحرانی وجود ندارد. او به سادگی آن را ندارد. با این حال، محدودیت های دیگری نیز وجود دارد، اما در زیر در مورد آنها بیشتر توضیح می دهیم.

در اصل، شروع یک واکنش گرما هسته ای به عنوان منبع نوترون بسیار ساده است. راه اندازی آن به عنوان منبع انرژی بسیار دشوارتر است. در اینجا ما با معیار لاوسون مواجه هستیم که فایده انرژی یک واکنش گرما هسته ای را تعیین می کند. اگر حاصل ضرب چگالی هسته های واکنش دهنده و زمان ماندن آنها در فاصله همجوشی بیشتر از 1014 ثانیه بر سانتی متر مکعب باشد، انرژی حاصل از همجوشی از انرژی وارد شده به سیستم بیشتر خواهد شد.

تمام برنامه های هسته ای برای دستیابی به این معیار اختصاص یافت.

اولین طراحی بمب گرما هسته ای که به ذهن ادوارد تلر رسید چیزی شبیه به تلاش برای ایجاد یک بمب پلوتونیومی با استفاده از طرح توپ بود. یعنی همه چیز درست به نظر می رسد، اما کار نمی کند. دستگاه "سوپر کلاسیک" - دوتریوم مایع که در آن یک بمب پلوتونیومی غوطه ور است - در واقع کلاسیک بود، اما دور از فوق العاده بود.

ایده انفجار یک بار هسته ای در دوتریوم مایع از همان ابتدا به بن بست تبدیل شد. در چنین شرایطی، خروجی کم و بیش انرژی همجوشی گرما هسته ای را می توان با انفجار یک بار هسته ای با توان 500 کیلوتنی به دست آورد. و اصلاً نیازی به صحبت در مورد دستیابی به معیار لاوسون نبود.

ایده احاطه یک بار ماشه هسته ای با لایه هایی از سوخت گرما هسته ای که با اورانیوم 238 به عنوان عایق حرارت و تقویت کننده انفجار در هم آمیخته شده اند نیز برای تلر رخ داده است. و نه تنها او. اولین بمب های گرما هسته ای شوروی دقیقاً بر اساس این طرح ساخته شدند. اصل کار بسیار ساده بود: یک بار هسته ای سوخت گرما هسته ای را تا دمایی که همجوشی شروع می شود گرم می کند و نوترون های سریع تولید شده در طی همجوشی لایه های اورانیوم 238 را منفجر می کند. با این حال، محدودیت یکسان باقی ماند - در دمایی که یک ماشه هسته ای می تواند ایجاد کند، تنها مخلوطی از دوتریوم ارزان قیمت و تریتیوم فوق العاده گران می تواند وارد واکنش همجوشی شود.

تلر بعداً ایده استفاده از ترکیب لیتیوم-6 دوترید را مطرح کرد. این راه حل امکان رها کردن ظروف برودتی گران قیمت و نامناسب با دوتریوم مایع را فراهم کرد. علاوه بر این، در نتیجه تابش با نوترون، لیتیوم-6 به هلیوم و تریتیوم تبدیل شد که وارد واکنش همجوشی با دوتریوم شد.

نقطه ضعف این طرح قدرت محدود بود - تنها بخش محدودی از سوخت گرما هسته ای اطراف ماشه زمان ورود به واکنش همجوشی را داشت. بقیه هرچقدر هم بود از زهکشی پایین رفتند. حداکثر توان شارژ بدست آمده در هنگام استفاده از "پاف" 720 کیلوتن (بمب بریتیش اورنج هرالد) بود. ظاهراً این "سقف" بود.

قبلاً در مورد تاریخچه توسعه طرح تلر-علم صحبت کرده ایم. حال با جزئیات فنی این مدار آشنا می شویم که به آن «دو مرحله ای» یا «مدار فشرده سازی تشعشع» نیز می گویند.

وظیفه ما این است که سوخت گرما هسته ای را گرم کنیم و آن را در حجم مشخصی نگه داریم تا معیار لاوسون را برآورده کنیم. با کنار گذاشتن تمرینات آمریکایی با طرح های برودتی، اجازه دهید لیتیوم-6 دوترید را که قبلاً برای ما شناخته شده است، به عنوان سوخت گرما هسته ای مصرف کنیم.

ما اورانیوم 238 را به عنوان ماده محفظه بار حرارتی هسته ای انتخاب می کنیم. ظرف به شکل استوانه است. در امتداد محور ظرف داخل آن میله ای استوانه ای از اورانیوم 235 قرار می دهیم که جرم زیر بحرانی دارد.

نکته: بمب نوترونی که در زمان خود پر سر و صدا بود، همان طرح تلر-الام است، اما بدون میله اورانیوم در امتداد محور کانتینر. نکته این است که جریان قدرتمندی از نوترون‌های سریع را فراهم کنیم، اما از فرسودگی تمام سوخت‌های هسته‌ای که نوترون‌ها را مصرف می‌کنند، جلوگیری کنیم.

فضای خالی باقیمانده ظرف را با لیتیوم-6 دوترید پر می کنیم. بیایید در یک انتهای بدنه بمب آینده یک ظرف قرار دهیم (این مرحله دوم خواهد بود) و در انتهای دیگر یک شارژ پلوتونیوم معمولی با قدرت چند کیلوتن (مرحله اول) نصب می کنیم. ما بین بارهای هسته ای و حرارتی پارتیشنی از اورانیوم-238 نصب خواهیم کرد که از گرم شدن زودرس لیتیوم-6 دوترید جلوگیری می کند. فضای خالی باقیمانده داخل بدنه بمب را با پلیمر جامد پر می کنیم. در اصل بمب گرما هسته ای آماده است.

هنگامی که یک بار هسته ای منفجر می شود، 80 درصد انرژی به صورت اشعه ایکس آزاد می شود. سرعت انتشار آن بسیار بیشتر از سرعت انتشار قطعات شکافت پلوتونیوم است. پس از صدم میکروثانیه، صفحه اورانیوم تبخیر می شود و تابش اشعه ایکس به شدت توسط اورانیوم محفظه بار گرما هسته ای جذب می شود. در نتیجه به اصطلاح فرسایش (حذف جرم از سطح ظرف گرم شده)، نیروی واکنشی ایجاد می شود که ظرف را 10 بار فشرده می کند. این اثر انفجار تشعشع یا فشرده سازی تشعشع نامیده می شود. در این حالت چگالی سوخت حرارتی 1000 برابر افزایش می یابد. در نتیجه فشار عظیم انفجار تشعشع، میله مرکزی اورانیوم 235 نیز فشرده می شود، هرچند به میزان کمتر، و به حالت فوق بحرانی می رود. در این زمان، واحد گرما هسته ای توسط نوترون های سریع ناشی از یک انفجار هسته ای بمباران می شود. پس از عبور از لیتیوم-6 دوترید، سرعت آنها کاهش می یابد و به شدت توسط میله اورانیوم جذب می شوند.

یک واکنش زنجیره ای شکافت در میله شروع می شود که به سرعت منجر به انفجار هسته ای در داخل ظرف می شود. از آنجایی که لیتیوم-6 دوترید از بیرون تحت فشار ابله و از داخل تحت فشار انفجار هسته ای قرار می گیرد، چگالی و دمای آن حتی بیشتر می شود. این لحظه آغاز واکنش سنتز است. نگهداری بیشتر آن به این بستگی دارد که ظرف چه مدت فرآیندهای حرارتی هسته ای را در خود نگه می دارد و از خروج انرژی حرارتی به بیرون جلوگیری می کند. این دقیقاً همان چیزی است که دستیابی به معیار لاوسون را تعیین می کند. سوخت گرما هسته ای از محور سیلندر تا لبه آن می سوزد. دمای جبهه احتراق به 300 میلیون کلوین می رسد. توسعه کامل انفجار تا زمانی که سوخت حرارتی هسته ای بسوزد و ظرف از بین برود چند صد نانوثانیه طول می کشد - بیست میلیون بار سریعتر از آنچه برای خواندن این عبارت طول کشید.

عملکرد مطمئن مدار دو مرحله ای به مونتاژ دقیق ظرف و جلوگیری از گرم شدن زودرس بستگی دارد.

قدرت بار حرارتی برای مدار Teller-Ulam به قدرت ماشه هسته ای بستگی دارد که فشرده سازی موثر توسط تشعشع را تضمین می کند. با این حال، اکنون مدارهای چند مرحله ای وجود دارد که در آنها از انرژی مرحله قبل برای فشرده سازی مرحله بعدی استفاده می شود. نمونه ای از یک طرح سه مرحله ای 100 مگاتن "مادر کوزکینا" است.