Divertente fisica nucleare (13 foto). Attacco nucleare: massa critica di una carica nucleare Massa critica in un reattore nucleare all'uranio
Un misterioso dispositivo in grado di rilasciare gigajoule di energia in un periodo di tempo indescrivibilmente breve è circondato da un sinistro romanticismo. Inutile dire che in tutto il mondo il lavoro sulle armi nucleari era profondamente riservato e la bomba stessa era ricoperta da una massa di leggende e miti. Proviamo ad affrontarli in ordine.
Andrej Suvorov
Niente suscita interesse come la bomba atomica
Agosto 1945. Ernest Orlando Lawrence al laboratorio della bomba atomica
1954 Otto anni dopo l'esplosione nell'atollo di Bikini, gli scienziati giapponesi hanno scoperto alti livelli di radiazioni nei pesci catturati nelle acque locali
Massa critica
Tutti hanno sentito dire che è necessario raggiungere una certa massa critica affinché possa iniziare una reazione nucleare a catena. Ma perché si verifichi una vera esplosione nucleare, la massa critica da sola non è sufficiente: la reazione si fermerà quasi istantaneamente, prima che l'energia visibile abbia il tempo di essere rilasciata. Per un'esplosione su vasta scala di diversi kilotoni o decine di kilotoni, due o tre, o meglio ancora quattro o cinque, masse critiche devono essere raccolte simultaneamente.
Sembra ovvio che sia necessario creare due o più parti dall'uranio o dal plutonio e collegarle al momento richiesto. Per essere onesti, va detto che i fisici pensavano la stessa cosa quando si imbarcarono nella costruzione di una bomba nucleare. Ma la realtà ha apportato le sue modifiche.
Il punto è che se avessimo uranio-235 o plutonio-239 molto puri, allora potremmo farlo, ma gli scienziati avrebbero dovuto occuparsi di metalli veri. Arricchendo l'uranio naturale si può ottenere una miscela contenente il 90% di uranio-235 e il 10% di uranio-238; i tentativi di sbarazzarsi della restante parte dell'uranio-238 portano ad un rapidissimo aumento del prezzo di questo materiale (è chiamato altamente uranio arricchito). Il plutonio-239, che viene prodotto in un reattore nucleare dall'uranio-238 mediante fissione dell'uranio-235, contiene necessariamente una miscela di plutonio-240.
Gli isotopi uranio235 e plutonio239 sono detti pari-dispari perché i nuclei dei loro atomi contengono un numero pari di protoni (92 per l'uranio e 94 per il plutonio) e un numero dispari di neutroni (143 e 145, rispettivamente). Tutti i nuclei pari-dispari di elementi pesanti hanno una proprietà comune: raramente si scindono spontaneamente (gli scienziati dicono: “spontaneamente”), ma si scindono facilmente quando un neutrone colpisce il nucleo.
L'uranio-238 e il plutonio-240 sono pari. Al contrario, praticamente non subiscono la fissione con neutroni di energia bassa e moderata, che volano fuori dai nuclei fissili, ma si scindono spontaneamente centinaia o decine di migliaia di volte più spesso, formando uno sfondo di neutroni. Questo contesto rende molto difficile la creazione di armi nucleari perché fa sì che la reazione inizi prematuramente prima che le due parti della carica si incontrino. Per questo motivo, in un dispositivo predisposto per l'esplosione, parti della massa critica devono essere posizionate sufficientemente distanti l'una dall'altra e collegate ad alta velocità.
Bomba di cannone
Tuttavia, la bomba sganciata su Hiroshima il 6 agosto 1945 fu realizzata esattamente secondo lo schema sopra descritto. Due delle sue parti, il bersaglio e il proiettile, erano costituite da uranio altamente arricchito. Il bersaglio era un cilindro con un diametro di 16 cm e un'altezza di 16 cm, al centro c'era un foro di 10 cm di diametro e il proiettile è stato realizzato in base a questo foro. In totale, la bomba conteneva 64 kg di uranio.
Il bersaglio era circondato da un guscio, il cui strato interno era di carburo di tungsteno, lo strato esterno di acciaio. Lo scopo del proiettile era duplice: trattenere il proiettile quando si conficcava nel bersaglio e riflettere almeno parte dei neutroni che fuoriuscivano dal retro dell'uranio. Tenendo conto del riflettore di neutroni, 64 kg equivalgono a 2,3 masse critiche. Come ha funzionato, dal momento che ciascuno dei pezzi era subcritico? Il fatto è che rimuovendo la parte centrale dal cilindro, riduciamo la sua densità media e aumenta il valore della massa critica. Pertanto, la massa di questa parte può superare la massa critica di un pezzo di metallo solido. Ma è impossibile aumentare la massa del proiettile in questo modo, perché deve essere solido.
Sia il bersaglio che il proiettile sono stati assemblati da pezzi: il bersaglio da diversi anelli di bassa altezza e il proiettile da sei rondelle. Il motivo è semplice: le billette di uranio dovevano essere di piccole dimensioni, perché durante la produzione (colata, pressatura) della billetta, la quantità totale di uranio non dovrebbe avvicinarsi alla massa critica. Il proiettile era racchiuso in un rivestimento di acciaio inossidabile a pareti sottili, con un cappuccio in carburo di tungsteno simile al rivestimento di un bersaglio.
Per dirigere il proiettile verso il centro del bersaglio, decisero di utilizzare la canna di un normale cannone antiaereo da 76,2 mm. Questo è il motivo per cui questo tipo di bomba viene talvolta chiamata bomba assemblata con cannone. La canna è stata forata dall'interno fino a 100 mm per accogliere un proiettile così insolito. La lunghezza della canna era di 180 cm e nella sua camera di carica veniva caricata normale polvere da sparo senza fumo, che sparava un proiettile ad una velocità di circa 300 m/s. E l'altra estremità della canna è stata premuta in un foro nel proiettile bersaglio.
Questo design presentava molti difetti.
Era mostruosamente pericoloso: una volta caricata la polvere da sparo nella camera di carica, qualsiasi incidente che potesse accenderla avrebbe fatto esplodere la bomba a piena potenza. Per questo motivo, la pirossilina si caricava nell'aria quando l'aereo si avvicinava al bersaglio.
In caso di incidente aereo, parti di uranio potrebbero riunirsi senza polvere da sparo, semplicemente a causa di un forte impatto al suolo. Per evitare ciò, il diametro del proiettile era una frazione di millimetro maggiore del diametro del foro della canna.
Se la bomba cadesse nell'acqua, a causa della moderazione dei neutroni nell'acqua, la reazione potrebbe iniziare anche senza collegare le parti. È vero, in questo caso un'esplosione nucleare è improbabile, ma si verificherebbe un'esplosione termica, con spruzzatura di uranio su una vasta area e contaminazione radioattiva.
La lunghezza di una bomba di questo tipo supera i due metri ed è praticamente insormontabile. Dopotutto, è stato raggiunto uno stato critico e la reazione è iniziata quando mancava ancora mezzo metro buono prima che il proiettile si fermasse!
Infine, questa bomba era molto dispendiosa: meno dell'1% dell'uranio aveva il tempo di reagire!
La bomba-cannone aveva esattamente un vantaggio: non poteva non funzionare. Non l'avrebbero nemmeno messa alla prova! Ma gli americani dovettero testare la bomba al plutonio: il suo progetto era troppo nuovo e complesso.
Pallone da calcio in plutonio
Quando si scoprì che anche una piccola (meno dell’1%) miscela di plutonio-240 rendeva impossibile l’assemblaggio del cannone di una bomba al plutonio, i fisici furono costretti a cercare altri modi per ottenere massa critica. E la chiave degli esplosivi al plutonio fu trovata dall'uomo che in seguito divenne la più famosa "spia nucleare": il fisico britannico Klaus Fuchs.
La sua idea, in seguito chiamata “implosione”, era quella di formare un’onda d’urto sferica convergente da un’onda divergente, utilizzando le cosiddette lenti esplosive. Questa onda d'urto comprimerebbe il pezzo di plutonio in modo che la sua densità raddoppierebbe.
Se una diminuzione della densità provoca un aumento della massa critica, allora un aumento della densità dovrebbe ridurla! Ciò è particolarmente vero per il plutonio. Il plutonio è un materiale molto specifico. Quando un pezzo di plutonio viene raffreddato dal suo punto di fusione a temperatura ambiente, subisce quattro transizioni di fase. A quest'ultimo (circa 122 gradi), la sua densità aumenta del 10%. In questo caso, qualsiasi fusione inevitabilmente si rompe. Per evitare ciò, il plutonio viene drogato con un metallo trivalente, quindi lo stato sciolto diventa stabile. Si può usare l'alluminio, ma nel 1945 si temeva che le particelle alfa emesse dai nuclei di plutonio mentre decadono avrebbero fatto uscire i neutroni liberi dai nuclei di alluminio, aumentando il già evidente fondo neutronico, quindi il gallio fu usato nella prima bomba atomica.
Da una lega contenente il 98% di plutonio-239, lo 0,9% di plutonio-240 e lo 0,8% di gallio, è stata realizzata una palla con un diametro di soli 9 cm e un peso di circa 6,5 kg. Al centro della palla c'era una cavità del diametro di 2 cm ed era composta da tre parti: due metà e un cilindro del diametro di 2 cm, che fungeva da tappo attraverso il quale si poteva inserire un iniziatore. la cavità interna: una fonte di neutroni che si è attivata quando è esplosa la bomba. Tutte e tre le parti dovevano essere nichelate, perché il plutonio è ossidato molto attivamente dall'aria e dall'acqua ed è estremamente pericoloso se entra nel corpo umano.
La palla era circondata da un riflettore di neutroni in uranio naturale238, spesso 7 cm e pesante 120 kg. L'uranio è un buon riflettore di neutroni veloci e, una volta assemblato, il sistema era solo leggermente subcritico, quindi al posto del tappo di plutonio è stato inserito un tappo di cadmio, che assorbiva i neutroni. Il riflettore serviva anche a trattenere tutte le parti dell'insieme critico durante la reazione, altrimenti la maggior parte del plutonio si disperderebbe senza avere il tempo di prendere parte alla reazione nucleare.
Successivamente è arrivato uno strato di lega di alluminio di 11,5 centimetri del peso di 120 kg. Lo scopo dello strato è lo stesso dell'antiriflesso sulle lenti degli obiettivi: garantire che l'onda d'urto penetri nell'insieme uranio-plutonio e non si rifletta da esso. Questa riflessione si verifica a causa della grande differenza di densità tra l'esplosivo e l'uranio (circa 1:10). Inoltre, nell'onda d'urto, dopo l'onda di compressione si ha un'onda di rarefazione, il cosiddetto effetto Taylor. Lo strato di alluminio ha indebolito l'onda di rarefazione, riducendo così l'effetto dell'esplosivo. L'alluminio doveva essere drogato con boro, che assorbiva i neutroni emessi dai nuclei degli atomi di alluminio sotto l'influenza delle particelle alfa prodotte durante il decadimento dell'uranio-238.
Infine, all’esterno c’erano quelle stesse “lenti esplosive”. Erano 32 (20 esagonali e 12 pentagonali), formavano una struttura simile ad un pallone da calcio. Ciascuna lente era composta da tre parti, quella centrale realizzata con uno speciale esplosivo "lento" e quelle esterna ed interna costituite da esplosivo "veloce". La parte esterna era sferica all'esterno, ma all'interno aveva una depressione conica, come su una carica sagomata, ma il suo scopo era diverso. Questo cono era riempito con un esplosivo lento e all'interfaccia l'onda d'urto veniva rifratta come una normale onda luminosa. Ma la somiglianza qui è molto condizionale. In effetti, la forma di questo cono è uno dei veri segreti della bomba nucleare.
A metà degli anni '40 non esistevano computer al mondo su cui fosse possibile calcolare la forma di tali lenti e, soprattutto, non esisteva nemmeno una teoria adatta. Pertanto, sono stati eseguiti esclusivamente per tentativi ed errori. È stato necessario effettuare più di mille esplosioni - e non solo eseguite, ma fotografate con speciali telecamere ad alta velocità, registrando i parametri dell'onda d'urto. Quando fu testata una versione più piccola, si scoprì che gli esplosivi non si ridimensionavano così facilmente ed era necessario correggere notevolmente i vecchi risultati.
La precisione della forma doveva essere mantenuta con un errore inferiore al millimetro, e la composizione e l'uniformità dell'esplosivo dovevano essere mantenute con la massima cura. Le parti potevano essere realizzate solo mediante fusione, quindi non tutti gli esplosivi erano adatti. L'esplosivo veloce era una miscela di RDX e TNT, con una quantità doppia di RDX. Lento: lo stesso TNT, ma con l'aggiunta di nitrato di bario inerte. La velocità dell'onda di detonazione nel primo esplosivo è di 7,9 km/s, mentre nel secondo è di 4,9 km/s.
I detonatori erano montati al centro della superficie esterna di ciascuna lente. Tutti i 32 detonatori dovevano sparare simultaneamente con una precisione inaudita: meno di 10 nanosecondi, cioè miliardesimi di secondo! Pertanto, il fronte dell’onda d’urto non dovrebbe essere stato distorto di più di 0,1 mm. Le superfici di accoppiamento delle lenti dovevano essere allineate con la stessa precisione, ma l'errore nella loro fabbricazione era dieci volte maggiore! Ho dovuto armeggiare e spendere un sacco di carta igienica e nastro adesivo per compensare le imprecisioni. Ma il sistema cominciò a somigliare poco al modello teorico.
È stato necessario inventare nuovi detonatori: quelli vecchi non fornivano una corretta sincronizzazione. Sono stati realizzati sulla base di fili che esplodono sotto un potente impulso di corrente elettrica. Per attivarli era necessaria una batteria di 32 condensatori ad alta tensione e lo stesso numero di scaricatori ad alta velocità, uno per ciascun detonatore. Nella prima bomba l'intero sistema, comprese le batterie e il caricatore per i condensatori, pesava quasi 200 kg. Tuttavia, rispetto al peso degli esplosivi, che ammontava a 2,5 tonnellate, non era molto.
Infine, l'intera struttura era racchiusa in un corpo sferico in duralluminio, costituito da un'ampia cintura e due coperchi: superiore e inferiore, tutte queste parti erano assemblate con bulloni. Il design della bomba ha permesso di assemblarla senza nucleo di plutonio. Per inserire il plutonio in posizione insieme a un pezzo del riflettore di uranio, il coperchio superiore dell'alloggiamento è stato svitato e una lente esplosiva è stata rimossa.
La guerra con il Giappone stava per finire e gli americani avevano fretta. Ma la bomba a implosione doveva essere testata. A questa operazione è stato dato il nome in codice "Trinity" ("Trinity"). Sì, la bomba atomica avrebbe dovuto dimostrare il potere precedentemente disponibile solo agli dei.
Successo brillante
Il luogo del test è stato scelto nello stato del Nuovo Messico, in un luogo dal nome pittoresco Jornadadel Muerto (Sentiero della Morte): il territorio faceva parte del poligono di artiglieria di Alamagordo. La bomba iniziò ad essere assemblata l'11 luglio 1945. Il 14 luglio venne sollevata sulla cima di una torre appositamente costruita alta 30 metri, i cavi furono collegati ai detonatori e iniziarono le fasi finali della preparazione, che coinvolgevano una grande quantità di apparecchiature di misurazione. Il 16 luglio 1945, alle cinque e mezza del mattino, l'ordigno fu fatto esplodere.
La temperatura al centro dell'esplosione raggiunge diversi milioni di gradi, quindi il lampo di un'esplosione nucleare è molto più luminoso del Sole. La palla di fuoco dura diversi secondi, poi inizia a salire, a scurirsi, passa dal bianco all'arancione, poi al cremisi e si forma l'ormai famoso fungo nucleare. Il primo fungo atomico raggiunse un'altezza di 11 km.
L'energia dell'esplosione è stata di oltre 20 kt di equivalente TNT. La maggior parte dell'attrezzatura di misurazione è stata distrutta perché i fisici contavano su 510 tonnellate e hanno posizionato l'attrezzatura troppo vicina. Per il resto è stato un successo, un brillante successo!
Ma gli americani dovettero affrontare un'inaspettata contaminazione radioattiva dell'area. Il pennacchio di pioggia radioattiva si estendeva per 160 km a nord-est. Parte della popolazione ha dovuto essere evacuata dalla cittadina di Bingham, ma almeno cinque residenti locali hanno ricevuto dosi fino a 5.760 roentgen.
Si è scoperto che per evitare la contaminazione, la bomba deve essere fatta esplodere ad un'altitudine sufficientemente elevata, almeno un chilometro e mezzo, quindi i prodotti del decadimento radioattivo vengono sparsi su un'area di centinaia di migliaia o addirittura milioni di quadrati chilometri e dissolto nel fondo di radiazione globale.
La seconda bomba di questo tipo fu sganciata su Nagasaki il 9 agosto, 24 giorni dopo questo test e tre giorni dopo il bombardamento di Hiroshima. Da allora, quasi tutte le armi atomiche hanno utilizzato la tecnologia dell’implosione. La prima bomba sovietica RDS-1, testata il 29 agosto 1949, fu realizzata secondo lo stesso progetto.
Alcuni dei neutroni rilasciati durante una reazione di fissione fuoriescono dalla sfera di reazione o vengono catturati senza produrre fissione. Se crei condizioni in cui il tasso di perdita di neutroni è maggiore del tasso di rilascio di nuovi neutroni durante la fissione, la reazione a catena in queste condizioni cesserà di essere autosufficiente, cioè si fermerà. Ciò rilascerà una certa energia, ma non sarà sufficiente, e la velocità di rilascio di nuovi neutroni sarà troppo bassa per provocare un'esplosione efficace. Pertanto, per effettuare un'esplosione nucleare, è necessario creare condizioni in cui la perdita di neutroni sia minima. A questo proposito sono particolarmente importanti i neutroni, che vengono emessi dalla massa di materiale fissile e non prendono parte alla reazione di fissione.
L'emissione di neutroni dalla sfera di reazione avviene attraverso la superficie esterna della massa di uranio (o plutonio). Di conseguenza, il tasso di perdita di neutroni dovuto alla loro emissione dalla massa di materiale fissile sarà determinato dalla dimensione della superficie di questa massa. D'altra parte, il processo di fissione, a seguito del quale vengono rilasciati molti nuovi neutroni, avviene attraverso l'intera massa della sostanza fissile, e quindi la velocità di rilascio di questi neutroni dipende dalla dimensione di questa massa. All'aumentare del volume del materiale fissile, il rapporto tra la sua superficie e la massa diminuisce; pertanto, il rapporto tra il numero di neutroni persi (emessi) e il numero di nuovi neutroni rilasciati durante la reazione di fissione diminuirà.
Questo punto è più facile da comprendere se consideriamo il disegno a destra, che mostra due pezzi sferici di materiale fissile, uno dei quali più grande dell'altro; in entrambi i casi, il processo di fissione inizia con un neutrone, mostrato nella figura come un punto in un cerchio. Si presuppone che durante ogni evento di fissione vengano rilasciati tre neutroni, ovvero che venga catturato un neutrone.
Se la massa dell'uranio o del plutonio è piccola, cioè se il rapporto tra superficie e volume è grande, allora il numero di neutroni persi a seguito dell'emissione sarà così grande da provocare la creazione di una reazione a catena di fissione nucleare. pertanto la realizzazione di un'esplosione nucleare sarà impossibile. Ma quando la massa dell’uranio o del plutonio aumenta, la perdita relativa di neutroni diminuisce, e arriva un punto in cui la reazione a catena può diventare autosufficiente. La quantità di materiale fissile corrispondente a questo momento è detta massa critica.
Pertanto, affinché possa verificarsi un'esplosione nucleare, l'arma nucleare deve contenere una quantità sufficiente di uranio o plutonio che superi la massa critica in determinate condizioni. In realtà, la massa critica dipende, tra le altre cose, dalla forma del pezzo di materiale fissile, dalla sua composizione e dal grado di contaminazione da impurità estranee che possono assorbire neutroni senza subire fissione. Circondando il materiale fissile con un guscio appropriato, un riflettore di neutroni, è possibile ridurre la perdita di neutroni dovuta alla loro emissione e, quindi, ridurre il valore della massa critica. Inoltre, gli elementi con alta densità e buona riflettività per i neutroni ad alta energia forniscono anche una certa inerzia alla sostanza fissile, ritardandone l'espansione al momento dell'esplosione. Il riflettore di neutroni, grazie al suo effetto schermante e alle proprietà inerziali, consente un uso più efficiente del materiale fissile nelle armi nucleari.
Prova n.5
opzione 1
Il fenomeno della radioattività, scoperto da Becquerel, indica che...
B. Un atomo contiene elettroni.
B. Un atomo ha una struttura complessa.
D. Questo fenomeno è caratteristico solo dell'uranio.
Chi ha proposto il modello nucleare della struttura dell'atomo?
La figura mostra i diagrammi di quattro atomi. I punti neri sono elettroni. Quale diagramma corrisponde a un atomo 2 4 Non?
La composizione di un atomo comprende le seguenti particelle:
B. nucleoni ed elettroni.
B. protoni e neutroni.
D. Neutroni ed elettroni.
Qual è il numero di massa del nucleo di un atomo di manganese? 25 55 Mn?
In quale delle seguenti reazioni viene violata la legge di conservazione della carica?
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.
^ Il nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni. Tra quali coppie di particelle all'interno del nucleo agiscono le forze nucleari?
B. Protone-neutrone.
B. Neutrone-neutrone.
D. In tutte le coppie A-B.
Masse di protoni e neutroni...
B. Più o meno lo stesso.
B. Relativo a 1:1836.
D. Approssimativamente uguale a zero.
Nel nucleo di un atomo di calcio 20 40 Ca contiene...
B. 40 neutroni e 20 elettroni.
B. 20 protoni e 40 elettroni.
D. 20 protoni e 20 neutroni.
^ In quale dispositivo viene resa visibile la traccia del movimento di una particella carica velocemente in un gas (come risultato della condensazione del vapore sovrasaturo sugli ioni)?
B. Nella camera a nebbia.
D. In una camera a bolle.
^ Determinare il secondo prodotto X in una reazione nucleare: 13 27 Al+ 0 1 n→ 11 24 Na+X.
Il nucleo atomico è formato da Z protoni e N neutroni. Massa del neutrone libero m N , protone libero M P . Quale delle seguenti condizioni è vera per la massa del nucleo? M G ?
B.mg
B. m g > Zm p + Nm n.
D. Per nuclei stabili, condizione A, per nuclei radioattivi, condizione B.
Calcolare ∆ m (difetto di massa) del nucleo atomico 3 7 Li (in amu).
A. ∆m ≈ 0,04. B. ∆m ≈ –0,04. B. ∆m =0. G. ∆m ≈ 0,2.
14 In quali unità deve essere espresso il valore della massa quando si calcola l'energia di legame dei nuclei atomici utilizzando la formula ∆E= ∆m*c 2 ?
R. In chilogrammi.
B. In grammi.
B. In unità di massa atomica.
G. In joule.
^ Qual è la massa critica in un reattore nucleare all'uranio?
B. Massa minima di uranio alla quale può verificarsi una reazione a catena nel reattore.
B. Massa aggiuntiva di uranio introdotta nel reattore per avviarlo.
D. Massa aggiuntiva di sostanza introdotta nel reattore per fermarlo in casi critici.
^ Quale tipo di radiazione radioattiva è più pericolosa durante l'irradiazione esterna di una persona?
B. radiazioni gamma.
B. Radiazione alfa.
^ Compito aggiuntivo.
Tutti gli elementi chimici esistono sotto forma di due o più isotopi. Determinare la differenza nella composizione dei nuclei isotopici 17 35 Cl e 17 37 Cl.
B. l'isotopo 17 37 Cl ha 2 protoni in meno nel nucleo rispetto all'isotopo 17 35 Cl.
L'isotopo B. 17 37 Cl ha 2 neutroni in più nel suo nucleo rispetto all'isotopo 17 35 Cl.
L'isotopo G. 17 37 Cl ha 2 neutroni in meno nel suo nucleo rispetto a 17 35 Cl.
18. Durante il decadimento alfa dei nuclei atomici...
il numero di massa rimane lo stesso e la carica aumenta di uno.
B. Il numero di massa diminuisce di 4, ma la carica rimane invariata.
B. Il numero di massa diminuisce di 4 e la carica aumenta di 2.
D. Il numero di massa diminuisce di 4, anche la carica diminuisce di 2.
^ 19. L'energia viene rilasciata o assorbita in una reazione nucleare. 3 6 Li+ 1 1 H→ 2 4 Non + 2 3 Non? Masse di nuclei e particelle in a. m. sono rispettivamente uguali: m 3 6 Li=6,01513, m 1 1 Н= 1.00728, m 2 4 Non= 4.00260, m 2 3 Non =3.01602.
R. Assorbito perché ∆m
B. Si distingue perché ∆m
B. Assorbito perché ∆m>0.
D. Si distingue perché. ∆m>0.
20. Quando l'isotopo 5 10 B viene bombardato da neutroni, una particella alfa viene espulsa dal nucleo risultante. Usando le leggi di conservazione del numero di massa e della carica, nonché la tavola periodica degli elementi, scrivi la reazione nucleare.
Prova n.5
sul tema “Struttura dell'atomo e nucleo atomico”
opzione 2
^ 1. Le radiazioni radioattive possono includere...
R. Solo elettroni.
B. Solo neutroni.
B. Solo particelle alfa.
D. Particelle beta, particelle alfa, quanti gamma.
^ 2. Con l'aiuto degli esperimenti, Rutherford scoprì che...
R. La carica positiva è distribuita uniformemente in tutto il volume dell'atomo.
B. La carica positiva è concentrata al centro dell'atomo e occupa un volume molto piccolo.
B. Un atomo contiene elettroni.
D. Un atomo non ha struttura interna.
^ La figura mostra i diagrammi di quattro atomi. Gli elettroni sono rappresentati come punti neri.
Il nucleo contiene le seguenti particelle:
B. Protoni ed elettroni.
B. Protoni e neutroni
D. Neutroni ed elettroni.
^ 5. Qual è la carica del nucleo di un atomo di stronzio? 38 88 Signore?
A.88 B.38 C.50 D.126.
In quale delle seguenti equazioni di reazione nucleare è violata la legge di conservazione del numero di massa?
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 Non
G. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 e
^ 6. Forze nucleari agenti tra i nucleoni...
R. Superano molte volte le forze gravitazionali e agiscono tra particelle cariche.
B. Sono molte volte superiori a tutti i tipi di forze e agiscono a qualsiasi distanza.
B. Sono molte volte superiori a tutti gli altri tipi di forze, ma agiscono solo a distanze paragonabili alla dimensione del nucleo.
D. Molte volte superano le forze gravitazionali e agiscono tra qualsiasi particella.
Masse del protone e dell'elettrone...
B. Più o meno lo stesso.
B. Indicato come 1: 1836.
D. Approssimativamente uguale a zero.
^ 8. Nel nucleo di un atomo di ferro 26 56 Fe contiene:
A. 26 neutroni e 56 protoni.
B. 56 neutroni e 26 protoni.
B. 26 protoni e 56 elettroni.
D. 26 protoni e 30 neutroni.
In quale dispositivo viene registrata l'origine di una particella ionizzante dal verificarsi di un impulso di corrente elettrica a seguito del verificarsi di un'autoscarica in un gas?
B. In un contatore Geiger.
B. In un contatore a scintillazione.
D. In una camera a bolle.
^ Determinare il secondo prodotto della reazione nucleare X:
A. Particella alfa (2 4 He).
B. Neutrone.
B. Protone.
G. Elettrone.
^ 12. Il nucleo atomico è costituito da Z protoni e N neutroni. Massa del neutrone libero m N , protone libero m P . Quale delle seguenti condizioni è vera per la massa nucleare m IO ?
A. m i Z*m p + m n ; B. m i = Z*m p + N*m n
D. Per nuclei stabili, condizione A, per nuclei radioattivi - condizione B.
^ 13. Calcolare il difetto di massa (∆ m) in a. e.m. Nuclei atomici 2 3 Non. Masse di particelle e nuclei, espresse in a. e.m., rispettivamente uguali: m N = 1,00866; M P = 1,00728;
M IO = 3,01602.
A. ∆ m ≈ 0,072 B. ∆ m ≈ 0,0072 C. ∆ m ≈ -0,0072 D. ∆ m ≈ 0
^ 14. In quali unità si otterrà il valore energetico calcolando l'energia di legame dei nuclei atomici utilizzando la formula ∆E=m*c 2 ?
A. In elettronvolt (eV).
B. In megaelettronvolt (MeV)
B. In joule.
G. V a. mangiare.
^ 15. In un reattore nucleare, sostanze come la grafite o l'acqua vengono utilizzate come cosiddetti moderatori. Cosa dovrebbero rallentare e perché?
R. Rallentano i neutroni per ridurre la probabilità che si verifichi una reazione di fissione nucleare.
B. Rallentano i neutroni per aumentare la probabilità che si verifichi una reazione di fissione nucleare.
B. Rallentano la reazione a catena della fissione per facilitare il controllo del reattore.
D. Rallentano frammenti di nuclei formatisi a seguito della fissione dell'uranio per l'uso pratico della loro energia cinetica.
^ 16. Quale tipo di radiazione radioattiva è più pericolosa per l'irradiazione interna di una persona?
A. Radiazioni beta.
B. Radiazione gamma.
B. Radiazione alfa.
D. Tutti e tre i tipi di radiazioni: alfa, beta, gamma.
^ Compito aggiuntivo.
Tutti gli elementi chimici esistono sotto forma di due o più isotopi. Determinare la differenza nella composizione dei nuclei degli isotopi 10 20 Ne e 10 22 Ne
B. l'isotopo 10 20 Ne ha 2 protoni in meno nel nucleo rispetto a 10 22 Ne
B. l'isotopo 10 22 Ne ha 2 neutroni in più nel suo nucleo rispetto a 10 20 Ne
G. l'isotopo 10 22 Ne ha 2 neutroni in meno nel nucleo rispetto a 10 20 Ne
18. Durante il decadimento beta dei nuclei atomici...
R. La massa del nucleo rimane praticamente invariata, quindi il numero di massa rimane lo stesso, ma la carica aumenta.
B. Il numero di massa aumenta di 1 e la carica diminuisce di 1.
B. Il numero di massa rimane lo stesso, ma la carica diminuisce di 1.
D. Il numero di massa diminuisce di 1, la carica rimane invariata.
19. L'energia viene rilasciata o assorbita nella reazione nucleare 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H? Le masse dei nuclei e delle particelle (in am) sono rispettivamente uguali: m 7 14 N = 14.00307, m 2 4 He = 4.00260, m 8 17 O = 16.99913, m 1 1 H = 1.00728.
R. Assorbito perché ∆m
B. Si distingue perché ∆m
B. Assorbito perché ∆m>0.
D. Si distingue perché. ∆m>0.
20. Utilizzando le leggi di conservazione del numero di massa e della carica, nonché la tavola periodica degli elementi, scrivi una reazione nucleare che si verifica durante il bombardamento di 5 particelle alfa 11 B ed è accompagnata dall'espulsione di neutroni
^ Modulo di risposta
per la prova n. 5
sul tema “Struttura dell'atomo e nucleo atomico”
Classe _____________
Opzione _______| № culo | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
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| Risposta | |||||||||||||||||||||
| № aggiuntivo compiti | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Risposta | |||||||||||||||||||||
^ Modulo di risposta
per la prova n. 5
sul tema “Struttura dell'atomo e nucleo atomico”
Data: ______20__
Classe _____________
NOME E COGNOME ________________________________
Opzione _______| № culo | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
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| Risposta | |||||||||||||||||||||
| № aggiuntivo compiti | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Risposta | |||||||||||||||||||||
^ Codici di risposta corretti.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
|
| IN 1 | IN | G | IN | B | G | UN | G | B | G | B | UN | B | UN | UN | B | IN | IN | G | B |
| ALLE 2 | G | B | IN | IN | B | IN | IN | UN | G | B | B | UN | UN | IN | IN | IN | IN | UN | B |
N. 20 5 10 V + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 He (1 OPZIONE)
5 11 V + 2 4 He→ 7 14 N + 1 1 N (OPZIONE 2)
^ Tabella per convertire il numero di risposte corrette alle domande obbligatorie in un punteggio su una scala a cinque punti.
Sono trascorsi poco più di due mesi dalla fine della peggiore guerra della storia umana. E così, il 16 luglio 1945, l'esercito americano testò la prima bomba nucleare e un altro mese dopo migliaia di residenti delle città giapponesi morirono nell'inferno atomico. Da allora, le armi, così come i mezzi per lanciarle contro gli obiettivi, sono state continuamente migliorate per più di mezzo secolo.
I militari volevano avere a loro disposizione sia munizioni super potenti che potessero spazzare via intere città e paesi dalla mappa con un colpo, sia munizioni ultra-piccole che potessero stare in una valigetta. Un tale dispositivo porterebbe la guerra di sabotaggio a un livello finora senza precedenti. Sia con il primo che con il secondo sono sorte difficoltà insormontabili. La colpa è della cosiddetta massa critica. Tuttavia, andiamo prima di tutto.
Un nucleo così esplosivo
Per comprendere il funzionamento degli ordigni nucleari e comprendere quella che viene chiamata massa critica, torniamo per un momento alla nostra scrivania. Dal nostro corso di fisica scolastica ricordiamo una semplice regola: le cariche simili si respingono. Lì, al liceo, agli studenti viene insegnata la struttura del nucleo atomico, costituito da neutroni, particelle neutre e protoni caricati positivamente. Ma come è possibile? Le particelle caricate positivamente si trovano così vicine l'una all'altra che le forze repulsive devono essere colossali.
La scienza non comprende appieno la natura delle forze intranucleari che tengono insieme i protoni, sebbene le proprietà di queste forze siano state studiate abbastanza bene. Le forze agiscono solo a distanze molto ravvicinate. Ma non appena i protoni si separano anche leggermente nello spazio, le forze repulsive cominciano a prevalere e il nucleo si disperde in pezzi. E la potenza di una tale espansione è davvero colossale. È noto che la forza di un uomo adulto non sarebbe sufficiente a trattenere i protoni di un solo nucleo di un atomo di piombo.
Di cosa aveva paura Rutherford?
I nuclei della maggior parte degli elementi della tavola periodica sono stabili. Tuttavia, all’aumentare del numero atomico, questa stabilità diminuisce. È una questione di dimensione del kernel. Immaginiamo il nucleo di un atomo di uranio, costituito da 238 nuclidi, di cui 92 protoni. Sì, i protoni sono in stretto contatto tra loro e le forze intranucleari cementano in modo affidabile l'intera struttura. Ma la forza repulsiva dei protoni situati alle estremità opposte del nucleo diventa evidente.
Cosa stava facendo Rutherford? Bombardò gli atomi con neutroni (un elettrone non passerebbe attraverso il guscio elettronico di un atomo e un protone carico positivamente non sarebbe in grado di avvicinarsi al nucleo a causa delle forze repulsive). Un neutrone che entra nel nucleo di un atomo ne provoca la fissione. Due metà separate e due o tre neutroni liberi sparsi ai lati.
Questo decadimento, dovuto alle enormi velocità delle particelle volanti, fu accompagnato dal rilascio di un'enorme energia. Si diceva che Rutherford volesse addirittura nascondere la sua scoperta, temendo le sue possibili conseguenze per l'umanità, ma molto probabilmente non sono altro che favole.
Allora cosa c’entra la massa e perché è fondamentale?
E allora? Come puoi irradiare abbastanza metallo radioattivo con un flusso di protoni per creare una potente esplosione? E cos’è la massa critica? Si tratta di quei pochi elettroni liberi che volano fuori dal nucleo atomico “bombardato”; questi, a loro volta, si scontrano con altri nuclei e ne provocano la fissione. Il cosiddetto inizierà, ma sarà estremamente difficile avviarlo.
Chiariamo la scala. Se prendiamo una mela sul nostro tavolo come nucleo di un atomo, allora per immaginare il nucleo di un atomo vicino, la stessa mela dovrà essere portata e posizionata sul tavolo nemmeno nella stanza accanto, ma... ...nella casa accanto. Il neutrone avrà le dimensioni di un nocciolo di ciliegia.
Affinché i neutroni rilasciati non volino via invano fuori dal lingotto di uranio e affinché oltre il 50% di essi trovi un bersaglio sotto forma di nuclei atomici, questo lingotto deve avere le dimensioni adeguate. Questa è quella che viene chiamata la massa critica dell'uranio, la massa alla quale più della metà dei neutroni rilasciati si scontra con altri nuclei.
In effetti, questo avviene in un istante. Il numero dei nuclei divisi cresce come una valanga, i loro frammenti si precipitano in tutte le direzioni a velocità paragonabili a quella della luce, lacerando aria, acqua e qualsiasi altro mezzo. A causa delle collisioni con le molecole ambientali, l'area dell'esplosione si riscalda istantaneamente fino a milioni di gradi, emettendo calore che incenerisce tutto nel giro di pochi chilometri.
L'aria fortemente riscaldata aumenta istantaneamente di dimensioni, creando una potente onda d'urto che fa saltare gli edifici dalle fondamenta, ribalta e distrugge tutto sul suo cammino... questa è l'immagine di un'esplosione atomica.
Come si presenta in pratica?
Il design di una bomba atomica è sorprendentemente semplice. Ci sono due lingotti di uranio (o un altro, la cui massa è leggermente inferiore alla massa critica. Uno dei lingotti ha la forma di un cono, l'altro è una palla con un foro a forma di cono. Come si potrebbe immaginare che, combinando entrambe le metà, si ottenga una palla che raggiunge una massa critica. Questa è la bomba nucleare più semplice standard. Le due metà sono collegate utilizzando una carica TNT convenzionale (il cono viene sparato nella palla).
Ma non dovresti pensare che qualcuno possa assemblare un dispositivo del genere "in ginocchio". Il trucco è che l'uranio, affinché possa esplodere una bomba, deve essere molto puro, la presenza di impurità è praticamente nulla.
Perché non esiste una bomba atomica grande quanto un pacchetto di sigarette
Tutto per lo stesso motivo. La massa critica dell'isotopo più comune, l'uranio 235, è di circa 45 kg. L’esplosione di una tale quantità di combustibile nucleare è già un disastro. Ed è impossibile realizzarlo con meno sostanza: semplicemente non funzionerà.
Per lo stesso motivo non era possibile creare cariche atomiche super potenti dall'uranio o da altri metalli radioattivi. Affinché la bomba fosse molto potente, è stata composta da una dozzina di lingotti che, quando sono state fatte esplodere le cariche detonanti, si sono precipitate al centro, collegandosi come fette d'arancia.
Ma cosa è successo realmente? Se per qualche motivo due elementi si incontravano un millesimo di secondo prima degli altri, la massa critica veniva raggiunta più velocemente di quanto "arrivassero" gli altri e l'esplosione non avveniva con la potenza su cui contavano i progettisti. Il problema delle armi nucleari superpotenti è stato risolto solo con l’avvento delle armi termonucleari. Ma questa è una storia leggermente diversa.
Come funziona un atomo pacifico?
Una centrale nucleare è essenzialmente la stessa cosa di una bomba nucleare. Solo in questa "bomba" le barre di combustibile (elementi combustibili) di uranio si trovano a una certa distanza l'una dall'altra, il che non impedisce loro di scambiarsi "colpi" di neutroni.
Le barre di combustibile sono realizzate sotto forma di barre, tra le quali ci sono barre di controllo realizzate con un materiale che assorbe bene i neutroni. Il principio di funzionamento è semplice:
- le barre di controllo (assorbenti) vengono introdotte nello spazio tra le barre di uranio: la reazione rallenta o si interrompe del tutto;
- le barre di controllo vengono rimosse dalla zona: gli elementi radioattivi scambiano attivamente neutroni, la reazione nucleare procede più intensamente.
In effetti, il risultato è la stessa bomba atomica, in cui la massa critica viene raggiunta in modo così fluido ed è regolata in modo così chiaro da non provocare un'esplosione, ma solo il riscaldamento del liquido di raffreddamento.
Anche se, sfortunatamente, come dimostra la pratica, il genio umano non è sempre in grado di frenare questa energia enorme e distruttiva: l'energia del decadimento del nucleo atomico.
Nel prossimo anniversario del disastro di Hiroshima e Nagasaki, ho deciso di setacciare Internet sulle questioni relative alle armi nucleari, dove e perché e come sono state create mi interessava poco (lo sapevo già) - ero più interessato a come 2 pezzi di plutonio non si sciolgono ma fanno un big bang.
Tieni d'occhio gli ingegneri: iniziano con una seminatrice e finiscono con una bomba atomica.
La fisica nucleare è una delle aree più controverse delle venerande scienze naturali. È in quest'area che da mezzo secolo l'umanità getta miliardi di dollari, sterline, franchi e rubli, come nella fornace della locomotiva di un treno in ritardo. Adesso il treno non sembra più essere in ritardo. Le fiamme violente dei fondi bruciati e delle ore di lavoro si placarono. Proviamo a capire brevemente che tipo di treno si chiama “fisica nucleare”.
Isotopi e radioattività
Come sai, tutto ciò che esiste è costituito da atomi. Gli atomi, a loro volta, sono costituiti da gusci di elettroni, che vivono secondo le proprie leggi strabilianti, e da un nucleo. La chimica classica non è affatto interessata al nucleo e alla sua vita personale. Per lei, un atomo sono i suoi elettroni e la loro capacità di scambiare interazioni. E del nucleo chimico basta la sua massa per calcolare le proporzioni dei reagenti. A sua volta, la fisica nucleare non si preoccupa degli elettroni. È interessata a un minuscolo granello di polvere (100mila volte più piccolo del raggio delle orbite degli elettroni) all'interno di un atomo, in cui è concentrata quasi tutta la sua massa.
Cosa sappiamo del nucleo? Sì, è costituito da protoni e neutroni carichi positivamente che non hanno carica elettrica. Tuttavia, questo non è del tutto vero. Il nucleo non è una manciata di palline di due colori, come nell'illustrazione del libro di testo scolastico. Qui sono in gioco leggi completamente diverse chiamate interazione forte, che trasformano sia i protoni che i neutroni in una sorta di disordine indistinguibile. Tuttavia, la carica di questo pasticcio è esattamente uguale alla carica totale dei protoni in esso contenuti, e la massa quasi (ripeto, quasi) coincide con la massa dei neutroni e dei protoni che compongono il nucleo.
Del resto il numero di protoni di un atomo non ionizzato coincide sempre con il numero di elettroni che hanno l'onore di circondarlo. Ma con i neutroni la questione non è così semplice. A rigor di termini, il compito dei neutroni è quello di stabilizzare il nucleo, poiché senza di loro i protoni con carica simile non andrebbero d'accordo nemmeno per microsecondi.
Prendiamo l'idrogeno per chiarezza. L'idrogeno più comune. La sua struttura è ridicolmente semplice: un protone circondato da un elettrone orbitale. C’è molto idrogeno nell’Universo. Possiamo dire che l'Universo è costituito principalmente da idrogeno.
Ora aggiungiamo con attenzione un neutrone al protone. Da un punto di vista chimico è pur sempre idrogeno. Ma dal punto di vista della fisica, non più. Avendo scoperto due diversi idrogeni, i fisici si preoccuparono e immediatamente venne l'idea di chiamare l'idrogeno ordinario protio, e l'idrogeno con un neutrone e un protone - deuterio.
Siamo audaci e diamo un altro neutrone al nucleo. Ora abbiamo un altro idrogeno, ancora più pesante: il trizio. Anche in questo caso, da un punto di vista chimico, non è praticamente diverso dagli altri due idrogeni (beh, tranne che ora reagisce un po' meno prontamente). Voglio avvertirti subito: nessuno sforzo, minaccia o persuasione può aggiungere un altro neutrone al nucleo di trizio. Le leggi locali sono molto più severe di quelle umane.
Quindi, protio, deuterio e trizio sono isotopi dell'idrogeno. La loro massa atomica è diversa, ma la loro carica no. Ma è la carica del nucleo che determina la posizione nella tavola periodica degli elementi. Ecco perché gli isotopi sono chiamati isotopi. Tradotto dal greco significa “occupare lo stesso posto”. A proposito, la famosa acqua pesante è la stessa acqua, ma con due atomi di deuterio invece del protio. Di conseguenza, l'acqua superpesante contiene trizio invece di protio.
Diamo di nuovo un'occhiata ai nostri idrogeni. Quindi... il protio è a posto, il deuterio è a posto... chi altro è questo? Dov'è finito il mio trizio e da dove viene l'elio-3? Nel nostro trizio, uno dei neutroni si è chiaramente annoiato, ha deciso di cambiare professione ed è diventato un protone. In tal modo, ha generato un elettrone e un antineutrino. La perdita di trizio è, ovviamente, deludente, ma ora sappiamo che è instabile. L'alimentazione dei neutroni non è stata vana.
Quindi, come capisci, gli isotopi sono stabili e instabili. Ci sono molti isotopi stabili intorno a noi, ma, grazie a Dio, praticamente non ce ne sono di instabili. Cioè, esistono, ma in uno stato così dispersivo che devono essere ottenuti a costo di un grandissimo lavoro. Ad esempio, l’uranio-235, che ha causato tanti problemi a Oppenheimer, costituisce solo lo 0,7% dell’uranio naturale.
Metà vita
Tutto è semplice qui. L'emivita di un isotopo instabile è il periodo di tempo durante il quale esattamente la metà degli atomi dell'isotopo decade e si trasforma in altri atomi. Il trizio, a noi già familiare, ha un tempo di dimezzamento di 12,32 anni. Questo è un isotopo dalla vita piuttosto breve, anche se rispetto al francio-223, che ha un'emivita di 22,3 minuti, il trizio sembrerà un sambuco dalla barba grigia.
Nessun fattore esterno macroscopico (pressione, temperatura, umidità, umore del ricercatore, numero di allocazioni, posizione delle stelle) influenza il tempo di dimezzamento. La meccanica quantistica è insensibile a queste sciocchezze.
Meccanica popolare dell'esplosione
L'essenza di ogni esplosione è il rapido rilascio di energia che prima si trovava in uno stato non libero e legato. L'energia rilasciata viene dissipata, trasformandosi prevalentemente in calore (l'energia cinetica del movimento disordinato delle molecole), un'onda d'urto (qui c'è anche movimento, ma già ordinato, nella direzione dal centro dell'esplosione) e radiazione - da dagli infrarossi morbidi ai quanti duri a onde corte.
In un'esplosione chimica, tutto è relativamente semplice. Una reazione energeticamente benefica si verifica quando determinate sostanze interagiscono tra loro. Solo gli strati elettronici superiori di alcuni atomi partecipano alla reazione e l'interazione non va in profondità. È facile intuire che in ogni sostanza c'è molta più energia nascosta. Ma qualunque siano le condizioni dell'esperimento, non importa quanto successo abbiano i reagenti che selezioniamo, non importa come controlliamo le proporzioni, la chimica non ci permetterà di approfondire l'atomo. Un'esplosione chimica è un fenomeno primitivo, inefficace e, dal punto di vista della fisica, indecentemente debole.
La reazione a catena nucleare ti consente di scavare un po' più a fondo, mettendo in gioco non solo gli elettroni, ma anche i nuclei. Ciò suona davvero significativo, forse, solo per un fisico, ma per il resto darò una semplice analogia. Immagina un peso gigantesco con particelle di polvere elettrizzate che svolazzano attorno ad una distanza di diversi chilometri. Questo è un atomo, il “peso” è il nucleo e le “particelle di polvere” sono gli elettroni. Qualunque cosa tu faccia con questi granelli di polvere, non forniranno nemmeno un centesimo dell'energia che può essere ottenuta da un peso elevato. Soprattutto se, per qualche motivo, si divide e enormi frammenti si disperdono in direzioni diverse a grande velocità.
Un'esplosione nucleare coinvolge il potenziale di legame delle particelle pesanti che compongono il nucleo. Ma questo è ben lungi dall’essere il limite: nella materia c’è molta più energia nascosta. E il nome di questa energia è massa. Ancora una volta, questo suona un po’ insolito per un non fisico, ma la massa è energia, solo estremamente concentrata. Ogni particella: elettrone, protone, neutrone: tutti questi sono minuscoli grumi di energia incredibilmente densa, che per il momento rimangono a riposo. Probabilmente conosci la formula E=mc2, tanto amata dagli scrittori di barzellette, dai redattori di giornali murali e dai decoratori di aule scolastiche. Si tratta esattamente di questo, ed è ciò che presuppone la massa come nient'altro che una forma di energia. E dà anche la risposta alla domanda su quanta energia si può ottenere al massimo da una sostanza.
Il processo di completa transizione della massa, cioè dell'energia legata, in energia libera è chiamato annichilazione. Dalla radice latina "nihil" è facile indovinare la sua essenza: questa è la trasformazione in "niente", o meglio, in radiazione. Per chiarezza ecco alcuni numeri.
Energia equivalente TNT di esplosione (J)
Granata F-1 60 grammi 2,50*105
Bomba sganciata su Hiroshima 16 kilotoni 6,70*1013
Annientamento di un grammo di materia 21,5 kilotoni 8,99*1013
Un grammo di materia (solo la massa è importante) dopo l'annientamento fornirà più energia di una piccola bomba nucleare. Rispetto a tali rendimenti, gli esercizi dei fisici sulla fissione nucleare, e ancor di più gli esperimenti dei chimici con reagenti attivi, sembrano ridicoli.
Per l'annientamento sono necessarie condizioni appropriate, vale a dire il contatto della materia con l'antimateria. E, a differenza del "mercurio rosso" o della "pietra filosofale", l'antimateria è più che reale: per le particelle a noi conosciute, esistono e sono state studiate antiparticelle simili, e gli esperimenti sull'annichilazione delle coppie "elettrone + positrone" sono stati ripetutamente effettuato in pratica. Ma per creare un'arma di annientamento è necessario raccogliere un certo volume significativo di antiparticelle e anche limitarle dal contatto con qualsiasi materia fino, appunto, all'uso in combattimento. Questa, pah-pah, è ancora una prospettiva lontana.
Difetto di massa
L'ultima domanda che resta da capire riguardo alla meccanica di un'esplosione è da dove arriva l'energia: la stessa che si libera durante la reazione a catena? Anche in questo caso c'era una massa coinvolta. O meglio, senza il suo “difetto”.
Fino al secolo scorso, gli scienziati credevano che la massa si conservasse in qualsiasi condizione, e a modo loro avevano ragione. Quindi abbiamo abbassato il metallo nell'acido: ha iniziato a bollire nella storta e le bolle di gas si sono precipitate verso l'alto attraverso lo spessore del liquido. Ma se si pesano i reagenti prima e dopo la reazione, senza dimenticare il gas rilasciato, la massa converge. E sarà sempre così finché si opererà con chilogrammi, metri e reazioni chimiche.
Ma non appena ci si addentra nel campo delle microparticelle, anche la massa presenta una sorpresa. Si scopre che la massa di un atomo potrebbe non essere esattamente uguale alla somma delle masse delle particelle che lo compongono. Quando un nucleo pesante (ad esempio l'uranio) viene diviso in parti, i “frammenti” pesano complessivamente meno del nucleo prima della fissione. La “differenza”, chiamata anche difetto di massa, è responsabile delle energie di legame all’interno del nucleo. Ed è proprio questa differenza che si traduce in calore e radiazione durante l'esplosione, tutto secondo la stessa semplice formula: E=mc2.
Questo è interessante: si dà il caso che sia energeticamente vantaggioso dividere i nuclei pesanti e unire quelli leggeri. Il primo meccanismo funziona in una bomba all'uranio o al plutonio, il secondo in una bomba all'idrogeno. Ma non puoi costruire una bomba con il ferro, non importa quanto ci provi: è proprio nel mezzo di questa linea.
Bomba nucleare
Seguendo la sequenza storica, consideriamo prima le bombe nucleari e realizziamo il nostro piccolo “Progetto Manhattan”. Non ti annoierò con metodi noiosi di separazione isotopica e calcoli matematici della teoria della reazione a catena di fissione. Tu ed io abbiamo uranio, plutonio, altri materiali, istruzioni di montaggio e la necessaria curiosità scientifica.
Tutti gli isotopi dell'uranio sono instabili in un modo o nell'altro. Ma l’uranio-235 si trova in una posizione speciale. Durante il decadimento spontaneo del nucleo dell'uranio-235 (chiamato anche decadimento alfa), si formano due frammenti (nuclei di altri elementi molto più leggeri) e diversi neutroni (di solito 2-3). Se il neutrone formato durante il decadimento colpisce il nucleo di un altro atomo di uranio, si verificherà una normale collisione elastica, il neutrone rimbalzerà e continuerà la sua ricerca di avventure. Ma dopo un po 'sprecherà energia (le collisioni perfettamente elastiche si verificano solo tra i cavalli sferici nel vuoto) e il nucleo successivo si rivelerà una trappola: il neutrone ne verrà assorbito. A proposito, i fisici chiamano questo neutrone termico.
Guarda l'elenco degli isotopi conosciuti dell'uranio. Tra questi non esiste alcun isotopo con massa atomica 236. Sai perché? Un tale nucleo vive per una frazione di microsecondi e poi decade, rilasciando un'enorme quantità di energia. Questo si chiama decadimento forzato. È in qualche modo imbarazzante persino chiamare isotopo un isotopo con una vita così lunga.
L'energia rilasciata durante il decadimento del nucleo dell'uranio-235 è l'energia cinetica di frammenti e neutroni. Se calcoli la massa totale dei prodotti di decadimento del nucleo di uranio e poi la confronti con la massa del nucleo originale, si scopre che queste masse non coincidono: il nucleo originale era più grande. Questo fenomeno è chiamato difetto di massa e la sua spiegazione è contenuta nella formula E0=mñ2. L'energia cinetica dei frammenti divisa per il quadrato della velocità della luce sarà esattamente uguale alla differenza di massa. I frammenti vengono decelerati nel reticolo cristallino dell'uranio, generando radiazione di raggi X, e i neutroni, dopo aver viaggiato, vengono assorbiti da altri nuclei di uranio o lasciano la fusione dell'uranio, dove si svolgono tutti gli eventi.
Se il getto di uranio è piccolo, la maggior parte dei neutroni lo lascerà senza avere il tempo di rallentare. Ma se ogni atto di decadimento forzato provoca almeno un altro atto simile a causa del neutrone emesso, questa è già una reazione a catena di fissione autosufficiente.
Di conseguenza, se si aumenta la dimensione del getto, un numero crescente di neutroni causerà atti di fissione forzata. E ad un certo punto la reazione a catena diventerà incontrollabile. Ma questo è ben lungi dall’essere un’esplosione nucleare. Solo un’esplosione termica molto “sporca”, che rilascerà un gran numero di isotopi molto attivi e tossici.
Una domanda del tutto logica è: quanto uranio-235 è necessario affinché la reazione a catena di fissione diventi una valanga? In realtà non è così semplice. In questo caso giocano un ruolo importante le proprietà del materiale fissile e il rapporto volume/superficie. Immagina una tonnellata di uranio-235 (farò subito una prenotazione - è molto), che esiste sotto forma di un filo sottile e molto lungo. Sì, un neutrone che lo percorre, ovviamente, causerà un atto di decadimento forzato. Ma la frazione di neutroni che volano lungo il filo sarà così piccola che è semplicemente ridicolo parlare di una reazione a catena autosufficiente.
Pertanto, abbiamo concordato di calcolare la massa critica per una fusione sferica. Per l'uranio-235 puro, la massa critica è di 50 kg (questa è una palla con un raggio di 9 cm). Capisci che una palla del genere non durerà a lungo, tuttavia, nemmeno coloro che la lanciano.
Se una palla di massa più piccola è circondata da un riflettore di neutroni (il berillio è perfetto per questo) e un materiale moderatore di neutroni (acqua, acqua pesante, grafite, lo stesso berillio) viene introdotto nella palla, la massa critica diventerà molto più piccola. Utilizzando i riflettori e i moderatori di neutroni più efficaci, la massa critica può essere aumentata a 250 grammi. Ciò, ad esempio, può essere ottenuto ponendo una soluzione satura di sale di uranio-235 in acqua pesante in un contenitore sferico di berillio.
La massa critica esiste non solo per l’uranio-235. Esistono anche numerosi isotopi capaci di reazioni a catena di fissione. La condizione principale è che i prodotti di decadimento di un nucleo debbano provocare atti di decadimento di altri nuclei.
Quindi, abbiamo due getti di uranio emisferici del peso di 40 kg ciascuno. Finché rimarranno a rispettosa distanza l’uno dall’altro, tutto sarà calmo. E se iniziassi a muoverli lentamente? Contrariamente alla credenza popolare, non accadrà nulla di simile ai funghi. È solo che i pezzi inizieranno a scaldarsi man mano che si avvicinano e poi, se non torni in te in tempo, diventeranno roventi. Alla fine, semplicemente si scioglieranno e si diffonderanno e tutti coloro che hanno spostato i getti moriranno a causa dell'irradiazione di neutroni. E coloro che lo hanno osservato con interesse incolleranno insieme le loro pinne.
E se fosse più veloce? Si scioglieranno più velocemente. Ancora più veloce? Si scioglieranno ancora più velocemente. Freddo? Anche se lo metti nell’elio liquido, non servirà a nulla. E se sparassi un pezzo contro l'altro? DI! Il momento della verità. Abbiamo appena ideato il progetto di un cannone all'uranio. Tuttavia non abbiamo nulla di cui essere particolarmente orgogliosi: questo schema è il più semplice e il più ingenuo possibile. Sì, e gli emisferi dovranno essere abbandonati. Come ha dimostrato la pratica, non tendono ad aderire perfettamente. La minima distorsione - e ottieni una "scoreggia" molto costosa, dopo di che dovrai ripulire per molto tempo.
È meglio realizzare un tubo corto e a pareti spesse di uranio-235 con una massa di 30-40 kg, all'apertura del quale fisseremo una canna di acciaio ad alta resistenza dello stesso calibro, caricata con un cilindro dello stesso uranio di circa la stessa massa. Circondiamo il bersaglio di uranio con un riflettore di neutroni al berillio. Ora, se spari un “proiettile” di uranio contro un “tubo” di uranio, il “tubo” sarà pieno. Cioè, ci sarà un'esplosione nucleare. Devi solo sparare seriamente, in modo che la velocità iniziale del proiettile di uranio sia di almeno 1 km/s. Altrimenti ci sarà di nuovo una scoreggia, ma più forte. Il fatto è che quando il proiettile e il bersaglio si avvicinano l'uno all'altro, si riscaldano così tanto che iniziano ad evaporare intensamente dalla superficie, rallentati dai flussi di gas in arrivo. Inoltre, se la velocità è insufficiente, c'è la possibilità che il proiettile semplicemente non raggiunga il bersaglio, ma evapori lungo il percorso.
Accelerare un pezzo grezzo del peso di diverse decine di chilogrammi a una tale velocità e su una distanza di un paio di metri è un compito estremamente difficile. Ecco perché non avrai bisogno di polvere da sparo, ma di un potente esplosivo in grado di creare la giusta pressione del gas nella canna in brevissimo tempo. E non dovrai pulire la canna più tardi, non preoccuparti.
La bomba Mk-I "Little Boy" sganciata su Hiroshima è stata progettata esattamente secondo il design del cannone.
Ci sono, ovviamente, piccoli dettagli di cui non abbiamo tenuto conto nel nostro progetto, ma non abbiamo assolutamente peccato contro il principio stesso.
COSÌ. Abbiamo fatto esplodere la bomba all'uranio. Abbiamo ammirato il fungo. Adesso faremo esplodere il plutonio. Basta non trascinare qui un bersaglio, un proiettile, un barile e altri rifiuti. Questo trucco non funzionerà con il plutonio. Anche se sparassimo un pezzo l’uno contro l’altro a una velocità di 5 km/s, un assemblaggio supercritico non funzionerebbe comunque. Il plutonio-239 avrà il tempo di riscaldarsi, evaporare e rovinare tutto intorno. La sua massa critica è poco più di 6 kg. Potete immaginare quanto sia più attivo in termini di cattura dei neutroni.
Il plutonio è un metallo insolito. A seconda della temperatura, della pressione e delle impurità, esiste in sei modifiche del reticolo cristallino. Esistono anche modifiche in cui si restringe quando riscaldato. Le transizioni da una fase all'altra possono avvenire all'improvviso, mentre la densità del plutonio può cambiare del 25%.Facciamo, come tutti gli eroi normali, una deviazione. Ricordiamo che la massa critica è determinata, in particolare, dal rapporto tra volume e superficie. Ok, abbiamo una palla di massa subcritica che ha un'area superficiale minima per un dato volume. Diciamo 6 chilogrammi. Il raggio della palla è 4,5 cm Cosa succede se questa palla viene compressa da tutti i lati? La densità aumenterà in proporzione al cubo di compressione lineare, e la superficie diminuirà in proporzione al suo quadrato. E questo è ciò che accade: gli atomi di plutonio diventeranno più densi, cioè la distanza di arresto del neutrone sarà ridotta, il che significa che aumenterà la probabilità del suo assorbimento. Ma, ancora una volta, non funzionerà comunque per comprimere alla velocità richiesta (circa 10 km/s). Senza uscita? Ma no.
A 300°C inizia la cosiddetta fase delta, la più sciolta. Se il plutonio viene drogato con gallio, riscaldato a questa temperatura e poi raffreddato lentamente, la fase delta può esistere a temperatura ambiente. Ma non sarà stabile. Ad alta pressione (nell'ordine di decine di migliaia di atmosfere), si verificherà una brusca transizione verso una fase alfa molto densa.
Mettiamo una palla di plutonio in una palla cava grande (diametro 23 cm) e pesante (120 kg) fatta di uranio-238. Non preoccuparti, non ha massa critica. Ma riflette perfettamente i neutroni veloci. E ci saranno comunque utili. Pensi che l'abbiano fatto saltare in aria? Non importa come sia. Il plutonio è un’entità dannatamente capricciosa. Dovremo lavorare ancora un po'. Realizziamo due emisferi dal plutonio nella fase delta. Formiamo una cavità sferica al centro. E in questa cavità collocheremo la quintessenza del pensiero sulle armi nucleari: l'iniziatore di neutroni. Questa è una piccola sfera cava di berillio con un diametro di 20 e uno spessore di 6 mm. Al suo interno c'è un'altra sfera di berillio con un diametro di 8 mm. Sulla superficie interna della sfera cava sono presenti profonde scanalature. Il tutto è generosamente nichelato e placcato in oro. Nelle scanalature è posizionato il polonio-210, che emette attivamente particelle alfa. Questo è un vero miracolo della tecnologia. Come funziona? Solo un secondo. Abbiamo ancora alcune cose da fare.
Circondiamo il guscio di uranio con un altro, fatto di una lega di alluminio con boro. Il suo spessore è di circa 13 cm, in totale la nostra “matrioska” è ora cresciuta fino a mezzo metro di spessore e ha guadagnato peso da 6 a 250 kg.
Ora realizziamo le “lenti” per implosione. Immagina un pallone da calcio. Classico, composto da 20 esagoni e 12 pentagoni. Realizzeremo una tale "palla" con esplosivi e ciascuno dei segmenti sarà dotato di diversi detonatori elettrici. Lo spessore del segmento è di circa mezzo metro. Ci sono anche molte sottigliezze nella produzione delle "lenti", ma se le descriviamo, non ci sarà abbastanza spazio per tutto il resto. La cosa principale è la massima precisione dell'obiettivo. Il minimo errore e l'intero gruppo verrà schiacciato dall'azione esplosiva dell'esplosivo. L'insieme completo ha ora un diametro di circa un metro e mezzo e una massa di 2,5 tonnellate. Il progetto è completato da un circuito elettrico il cui compito è quello di far esplodere i detonatori in una sequenza rigorosamente definita con precisione al microsecondo.
Tutto. Davanti a noi c'è un circuito di implosione del plutonio.
E ora... la parte più interessante.
Durante la detonazione, l'esplosivo comprime l'insieme e lo “spingitore” in alluminio impedisce al decadimento dell'onda d'urto di propagarsi verso l'interno seguendone il fronte. Dopo aver attraversato l'uranio con una controvelocità di circa 12 km/s, l'onda di compressione compatterà sia quest'ultimo che il plutonio. Il plutonio a pressioni nella zona di compressione dell'ordine di centinaia di migliaia di atmosfere (l'effetto della focalizzazione del fronte di esplosione) salterà bruscamente nella fase alfa. In 40 microsecondi, l’insieme uranio-plutonio qui descritto diventerà non solo supercritico, ma parecchie volte maggiore della massa critica.
Dopo aver raggiunto l'iniziatore, l'onda di compressione schiaccerà la sua intera struttura in un monolite. In questo caso, l'isolamento in oro-nichel verrà distrutto, il polonio-210 penetrerà nel berillio per diffusione, le particelle alfa da esso emesse e passando attraverso il berillio causeranno un colossale flusso di neutroni, innescando una reazione a catena di fissione durante l'intero volume di plutonio, e il flusso di neutroni “veloci” generato dal decadimento del plutonio causerà un’esplosione di uranio-238. Fatto, abbiamo coltivato un secondo fungo, non peggiore del primo.
Un esempio di un progetto di implosione del plutonio è la bomba Mk-III "Fatman" sganciata su Nagasaki.
Tutti i trucchi qui descritti sono necessari per forzare la reazione del numero massimo di nuclei atomici di plutonio. Il compito principale è mantenere la carica in uno stato compatto il più a lungo possibile e impedire che si disperda in una nuvola di plasma, nella quale la reazione a catena si fermerà immediatamente. Qui, ogni microsecondo guadagnato equivale a un aumento di uno o due kilotoni di potenza.
Bomba termonucleare
È opinione comune che una bomba nucleare sia la miccia di una bomba termonucleare. In linea di principio, tutto è molto più complicato, ma l'essenza viene catturata correttamente. Le armi basate sui principi della fusione termonucleare hanno permesso di raggiungere una potenza di esplosione tale che in nessun caso può essere raggiunta da una reazione a catena di fissione. Ma finora l’unica fonte di energia che può “accendere” una reazione di fusione termonucleare è un’esplosione nucleare.
Ricordi come tu ed io abbiamo "alimentato" il nucleo di idrogeno con neutroni? Quindi, se provi a collegare due protoni insieme in questo modo, non funzionerà nulla. I protoni non si uniscono tra loro a causa delle forze repulsive di Coulomb. O voleranno in pezzi, oppure si verificherà il decadimento beta e uno dei protoni diventerà un neutrone. Ma l’elio-3 esiste. Grazie a un singolo neutrone, che rende i protoni più compatibili tra loro.
In linea di principio, in base alla composizione del nucleo di elio-3, possiamo concludere che è del tutto possibile assemblare un nucleo di elio-3 dai nuclei di protio e deuterio. In teoria questo è vero, ma una tale reazione può avvenire solo nelle profondità di stelle grandi e calde. Inoltre, nelle profondità delle stelle, l'elio può essere raccolto anche solo dai protoni, trasformandone alcuni in neutroni. Ma queste sono già questioni di astrofisica, e l’opzione realizzabile per noi è quella di unire due nuclei di deuterio oppure deuterio e trizio.
La fusione nucleare richiede una condizione molto specifica. Questa è una temperatura molto alta (109 K). Solo con un'energia cinetica media i nuclei di 100 kiloelettronvolt riescono ad avvicinarsi l'uno all'altro fino a una distanza alla quale l'interazione forte comincia a superare l'interazione di Coulomb.
Una domanda del tutto legittima: perché recintare questo giardino? Il fatto è che durante la fusione di nuclei leggeri viene rilasciata energia dell'ordine di 20 MeV. Naturalmente, con la fissione forzata di un nucleo di uranio, questa energia è 10 volte maggiore, ma c'è un avvertimento: con i più grandi trucchi, una carica di uranio con una potenza anche di 1 megatone è impossibile. Anche per una bomba al plutonio più avanzata, la produzione di energia ottenibile non supera i 7-8 kilotoni per chilogrammo di plutonio (con un massimo teorico di 18 kilotoni). E non dimenticare che un nucleo di uranio è quasi 60 volte più pesante di due nuclei di deuterio. Se consideriamo la resa energetica specifica, la fusione termonucleare è notevolmente in vantaggio.
E ancora una cosa: per una carica termonucleare non ci sono restrizioni sulla massa critica. Semplicemente non ce l'ha. Esistono, tuttavia, altre restrizioni, ma ne parleremo più avanti.
In linea di principio, avviare una reazione termonucleare come fonte di neutroni è abbastanza semplice. È molto più difficile lanciarlo come fonte di energia. Qui siamo di fronte al cosiddetto criterio di Lawson, che determina il beneficio energetico di una reazione termonucleare. Se il prodotto tra la densità dei nuclei reagenti e il tempo della loro permanenza alla distanza di fusione è maggiore di 1014 sec/cm3, l'energia fornita dalla fusione supererà l'energia immessa nel sistema.
Tutti i programmi termonucleari erano dedicati al raggiungimento di questo criterio.
Il primo progetto di bomba termonucleare che venne in mente a Edward Teller fu qualcosa di simile al tentativo di creare una bomba al plutonio utilizzando il progetto di un cannone. Cioè, tutto sembra essere corretto, ma non funziona. Il dispositivo del “super classico” - deuterio liquido in cui è immersa una bomba al plutonio - era sì classico, ma tutt'altro che super.
L'idea di far esplodere una carica nucleare nel deuterio liquido si è rivelata un vicolo cieco fin dall'inizio. In tali condizioni, una produzione più o meno grande di energia da fusione termonucleare potrebbe essere ottenuta facendo esplodere una carica nucleare con una potenza di 500 kt. E non c’era affatto bisogno di parlare del raggiungimento del criterio di Lawson.
Anche a Teller venne l'idea di circondare una carica di innesco nucleare con strati di combustibile termonucleare intervallati da uranio-238 come isolante termico e amplificatore di esplosione. E non solo lui. Le prime bombe termonucleari sovietiche furono costruite proprio secondo questo progetto. Il principio era abbastanza semplice: una carica nucleare riscalda il combustibile termonucleare alla temperatura alla quale inizia la fusione, e i neutroni veloci generati durante la fusione fanno esplodere strati di uranio-238. Tuttavia, la limitazione rimaneva la stessa: alla temperatura che poteva fornire un innesco nucleare, solo una miscela di deuterio economico e trizio incredibilmente costoso poteva entrare nella reazione di fusione.
Successivamente Teller ebbe l'idea di utilizzare il composto deuteruro di litio-6. Questa soluzione ha permesso di abbandonare costosi e scomodi contenitori criogenici con deuterio liquido. Inoltre, come risultato dell'irradiazione con neutroni, il litio-6 è stato convertito in elio e trizio, che sono entrati in una reazione di fusione con il deuterio.
Lo svantaggio di questo schema era la potenza limitata: solo una parte limitata del combustibile termonucleare che circondava l'innesco aveva il tempo di entrare nella reazione di fusione. Il resto, non importa quanto fosse, è andato in malora. La potenza di carica massima ottenuta utilizzando il “puff” è stata di 720 kt (bomba British Orange Herald). A quanto pare, questo era il “tetto”.
Abbiamo già parlato della storia dello sviluppo dello schema Teller-Ulam. Vediamo ora i dettagli tecnici di questo circuito, chiamato anche "circuito a due stadi" o "circuito di compressione delle radiazioni".
Il nostro compito è riscaldare il combustibile termonucleare e trattenerlo in un certo volume per soddisfare il criterio di Lawson. Tralasciando gli esercizi americani con schemi criogenici, prendiamo il deuteruro di litio-6, a noi già noto, come combustibile termonucleare.
Sceglieremo l'uranio-238 come materiale contenitore per la carica termonucleare. Il contenitore è di forma cilindrica. Lungo l'asse del contenitore, al suo interno collocheremo un'asta cilindrica di uranio-235, che ha una massa subcritica.
Nota: la bomba al neutrone, sensazionale a suo tempo, è lo stesso schema Teller-Ulam, ma senza una barra di uranio lungo l'asse del contenitore. Il punto è fornire un potente flusso di neutroni veloci, ma impedire l'esaurimento di tutto il combustibile termonucleare, che consumerà neutroni.
Riempiremo lo spazio libero rimanente del contenitore con deuteruro di litio-6. Posizioniamo un contenitore a un'estremità del corpo della futura bomba (questo sarà il secondo stadio), e all'altra estremità monteremo una normale carica di plutonio con una potenza di diversi kilotoni (il primo stadio). Tra la carica nucleare e quella termonucleare installeremo un divisorio fatto di uranio-238, che impedirà il riscaldamento prematuro del deuteruro di litio-6. Riempiamo lo spazio libero rimanente all'interno del corpo della bomba con polimero solido. In linea di principio, la bomba termonucleare è pronta.
Quando una carica nucleare viene fatta esplodere, l’80% dell’energia viene rilasciata sotto forma di raggi X. La velocità della sua diffusione è molto superiore alla velocità di diffusione dei frammenti di fissione del plutonio. Dopo centesimi di microsecondo, lo schermo di uranio evapora e la radiazione a raggi X inizia ad essere assorbita intensamente dall'uranio del contenitore di carica termonucleare. Come risultato della cosiddetta ablazione (rimozione della massa dalla superficie di un contenitore riscaldato), si forma una forza reattiva che comprime il contenitore 10 volte. Questo effetto è chiamato implosione delle radiazioni o compressione delle radiazioni. In questo caso, la densità del combustibile termonucleare aumenta di 1000 volte. Come risultato della colossale pressione dell'implosione delle radiazioni, anche la barra centrale dell'uranio-235 viene compressa, sebbene in misura minore, e entra in uno stato supercritico. A questo punto, l'unità termonucleare è bombardata da neutroni veloci provenienti da un'esplosione nucleare. Dopo aver attraversato il deuteruro di litio-6, rallentano e vengono assorbiti intensamente dalla barra di uranio.
Nella barra inizia una reazione a catena di fissione, che porta rapidamente a un'esplosione nucleare all'interno del contenitore. Poiché il deuteruro di litio-6 è sottoposto alla compressione ablativa dall'esterno e alla pressione di un'esplosione nucleare dall'interno, la sua densità e temperatura aumentano ancora di più. Questo momento è l'inizio della reazione di sintesi. La sua ulteriore manutenzione è determinata da quanto tempo il contenitore manterrà i processi termonucleari al suo interno, impedendo all'energia termica di fuoriuscire all'esterno. Questo è precisamente ciò che determina il raggiungimento del criterio di Lawson. Il combustibile termonucleare brucia dall'asse del cilindro fino al bordo. La temperatura del fronte di combustione raggiunge i 300 milioni di Kelvin. Il pieno sviluppo dell'esplosione fino all'esaurimento del combustibile termonucleare e alla distruzione del contenitore richiede un paio di centinaia di nanosecondi, venti milioni di volte più velocemente di quanto ci hai messo per leggere questa frase.
Il funzionamento affidabile del circuito a due stadi dipende dal preciso assemblaggio del contenitore e dalla prevenzione del riscaldamento prematuro.
La potenza della carica termonucleare per il circuito Teller-Ulam dipende dalla potenza dell'innesco nucleare, che garantisce un'efficace compressione mediante radiazione. Oggi però esistono circuiti multistadio in cui l'energia dello stadio precedente viene utilizzata per comprimere quello successivo. Un esempio di uno schema in tre fasi è la già citata "madre Kuzkina" da 100 megatoni.
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