Забавна нуклеарна физика (13 фотографии). Нуклеарен напад: критична маса на нуклеарен полнеж Критична маса во нуклеарен реактор со ураниум
Мистериозна направа способна да ослободи гигаџули енергија за неописливо краток временски период е опкружена со злобна романса. Непотребно е да се каже дека низ целиот свет, работата на нуклеарното оружје беше длабоко класифицирана, а самата бомба беше обрасната со маса легенди и митови. Ајде да се обидеме да се справиме со нив по ред.
Андреј Суворов
Ништо не предизвикува интерес како атомската бомба
август 1945 година. Ернест Орландо Лоренс во лабораторијата за атомски бомби
1954 година Осум години по експлозијата во Атолот Бикини, јапонските научници открија високо ниво на радијација кај рибите фатени во локалните води
Критична маса
Сите слушнале дека постои одредена критична маса која треба да се достигне за да започне нуклеарна верижна реакција. Но, за да се случи вистинска нуклеарна експлозија, критичната маса сама по себе не е доволна - реакцијата ќе престане речиси веднаш, пред да има време да се ослободи забележливата енергија. За целосна експлозија од неколку килотони или десетици килотони, треба да се соберат две или три, или уште подобро четири или пет, критичните маси истовремено.
Се чини очигледно дека треба да направите два или повеќе делови од ураниум или плутониум и да ги поврзете во потребниот момент. Да бидеме фер, мора да се каже дека физичарите го мислеа истото кога се зафатија со изградба на нуклеарна бомба. Но, реалноста направи свои прилагодувања.
Поентата е дека ако имавме многу чист ураниум-235 или плутониум-239, тогаш би можеле да го направиме ова, но научниците мораа да се справат со вистински метали. Со збогатување на природен ураниум, можете да направите мешавина што содржи 90% ураниум-235 и 10% ураниум-238; обидите да се ослободите од остатокот од ураниум-238 доведуваат до многу брз пораст на цената на овој материјал (тоа се нарекува високо збогатен ураниум). Плутониум-239, кој се произведува во нуклеарен реактор од ураниум-238 со фисија на ураниум-235, нужно содржи мешавина од плутониум-240.
Изотопите ураниум235 и плутониум239 се нарекуваат парни-непарни бидејќи јадрата на нивните атоми содржат парен број протони (92 за ураниум и 94 за плутониум) и непарен број неутрони (143 и 145, соодветно). Сите парни-непарни јадра на тешки елементи имаат заедничко својство: тие ретко се расцепуваат спонтано (научниците велат: „спонтано“), но лесно се расцепуваат кога неутрон ќе го погоди јадрото.
Ураниум-238 и плутониум-240 се рамномерни. Тие, напротив, практично не фисија со неутрони со ниска и умерена енергија, кои летаат надвор од фисилните јадра, туку спонтано се расцепуваат стотици или десетици илјади пати почесто, формирајќи неутронска позадина. Оваа позадина го отежнува создавањето нуклеарно оружје бидејќи предизвикува реакцијата да започне предвреме пред да се сретнат двата дела од обвинението. Поради ова, во уред подготвен за експлозија, делови од критичната маса мора да се наоѓаат доволно далеку еден од друг и да се поврзат со голема брзина.
Топска бомба
Меѓутоа, бомбата фрлена на Хирошима на 6 август 1945 година е направена токму според шемата опишана погоре. Два од неговите делови, целта и куршумот, беа направени од високо збогатен ураниум. Целта беше цилиндар со дијаметар од 16 cm и висина од 16 cm.Во неговиот центар имаше дупка со дијаметар од 10 cm.Куршумот е направен во согласност со оваа дупка. Севкупно, бомбата содржела 64 килограми ураниум.
Целта била опкружена со школка, чиј внатрешен слој бил направен од волфрам карбид, а надворешниот слој од челик. Целта на школката беше двојна: да го држи куршумот кога ќе се залепи во целта и да рефлектира барем дел од неутроните што бегаат од ураниумот назад. Земајќи го предвид неутронскиот рефлектор, 64 kg беше 2,3 критични маси. Како успеа ова, бидејќи секое од парчињата беше субкритична? Факт е дека со отстранување на средниот дел од цилиндерот, ја намалуваме неговата просечна густина и вредноста на критичната маса се зголемува. Така, масата на овој дел може да ја надмине критичната маса за цврсто парче метал. Но, невозможно е да се зголеми масата на куршумот на овој начин, бидејќи тој мора да биде цврст.
И целта и куршумот беа составени од парчиња: целта од неколку прстени со мала висина и куршумот од шест подлошки. Причината е едноставна - заготовките од ураниум морале да бидат мали по големина, бидејќи при изработката (лиење, пресување) на палката, вкупната количина на ураниум не треба да се приближува до критичната маса. Куршумот бил обвиткан во јакна од нерѓосувачки челик со тенок ѕид, со капа од волфрам-карбид слична на јакна за цел.
За да го насочат куршумот кон центарот на целта, тие одлучија да ја употребат цевката на конвенционален противвоздушен пиштол од 76,2 мм. Ова е причината зошто овој тип на бомба понекогаш се нарекува бомба составена од топови. На цевката и беше досадно одвнатре до 100 mm за да се смести таков необичен проектил. Должината на цевката беше 180 см. Во нејзината комора за полнење беше натоварен обичен барут без димен, кој испука куршум со брзина од приближно 300 m/s. А другиот крај на бурето беше притиснат во дупка во целната школка.
Овој дизајн имаше многу недостатоци.
Беше монструозно опасно: штом барутот беше натоварен во комората за полнење, секоја несреќа што може да го запали ќе предизвика бомбата да експлодира со полна сила. Поради ова, пироксилинот се наполнил во воздухот кога авионот се приближил до целта.
Во случај на авионска несреќа, деловите од ураниум може да се спојат без барут, едноставно од силен удар на земјата. За да се избегне ова, дијаметарот на куршумот бил за дел од милиметар поголем од дијаметарот на отворот во цевката.
Ако бомбата падне во вода, тогаш поради умереноста на неутроните во водата, реакцијата може да започне дури и без поврзување на деловите. Навистина, во овој случај нуклеарна експлозија е малку веројатна, но би се случила термичка експлозија, со прскање ураниум на голема површина и радиоактивна контаминација.
Должината на бомба со ваков дизајн надмина два метри, а тоа е практично непремостливо. На крајот на краиштата, беше достигната критична состојба, а реакцијата започна кога имаше уште добар половина метар пред куршумот да престане!
Конечно, оваа бомба беше многу расипничка: помалку од 1% од ураниумот имаше време да реагира во неа!
Топската бомба имаше точно една предност: не можеше да не работи. Немаше ни да ја тестираат! Но, Американците мораа да ја тестираат плутониумската бомба: нејзиниот дизајн беше премногу нов и сложен.
Плутониумска фудбалска топка
Кога се покажа дека дури и мала (помалку од 1%!) мешавина на плутониум-240 го прави невозможно склопувањето на топови на плутониумска бомба, физичарите беа принудени да бараат други начини за да добијат критична маса. А клучот за плутониумските експлозиви го најде човекот кој подоцна стана најпознатиот „нуклеарен шпион“ - британскиот физичар Клаус Фукс.
Неговата идеја, подоцна наречена „имплозија“, беше да се формира сферичен ударен бран од различен бран, користејќи таканаречени експлозивни леќи. Овој ударен бран би го компресирал парчето плутониум така што неговата густина ќе се удвои.
Ако намалувањето на густината предизвикува зголемување на критичната маса, тогаш зголемувањето на густината треба да ја намали! Ова е особено точно за плутониумот. Плутониумот е многу специфичен материјал. Кога парче плутониум се лади од неговата точка на топење до собна температура, тој поминува низ четири фазни транзиции. На второто (околу 122 степени), неговата густина скока за 10%. Во овој случај, секое кастинг неизбежно пука. За да се избегне ова, плутониумот се допингува со некој тривалентен метал, а потоа лабавата состојба станува стабилна. Алуминиумот може да се користи, но во 1945 година се стравуваше дека алфа-честичките испуштени од јадрата на плутониум додека се распаѓаат ќе ги исфрлат слободните неутрони од алуминиумските јадра, зголемувајќи ја веќе забележливата неутронска позадина, па галиумот беше користен во првата атомска бомба.
Од легура која содржи 98% плутониум-239, 0,9% плутониум-240 и 0,8% галиум, направена е топка со дијаметар од само 9 см и тежина од околу 6,5 кг. Во центарот на топката имало шуплина со дијаметар од 2 cm, а се состоела од три дела: две половини и цилиндар со дијаметар од 2 cm. Овој цилиндар служел како приклучок низ кој можел да се вметне иницијатор внатрешната празнина - извор на неутрони што се активирал кога бомбата експлодирала. Сите три дела морале да бидат никелирани, бидејќи плутониумот многу активно се оксидира со воздух и вода и е исклучително опасен доколку влезе во човечкото тело.
Топката била опкружена со неутронски рефлектор направен од природен ураниум238, дебел 7 cm и тежок 120 kg. Ураниумот е добар рефлектор на брзите неутрони и кога се склопувал системот бил само малку субкритичен, па наместо плутониумски приклучок, бил вметнат кадмиумски приклучок, кој апсорбирал неутрони. Рефлекторот, исто така, служел за задржување на сите делови од критичното склопување за време на реакцијата, инаку поголемиот дел од плутониумот ќе се распадне без да има време да учествува во нуклеарната реакција.
Следуваше 11,5-сантиметарски слој од алуминиумска легура со тежина од 120 кг. Целта на слојот е иста како онаа на антирефлексијата на објективните леќи: да се осигура дека бранот на експлозијата продира во склопот ураниум-плутониум и не се рефлектира од него. Овој одраз се јавува поради големата разлика во густината помеѓу експлозивот и ураниумот (приближно 1:10). Покрај тоа, во ударниот бран, по бранот на компресија има бран на рефлексија, таканаречениот ефект на Тејлор. Алуминиумскиот слој го ослабна бранот на рефакција, што го намали ефектот на експлозивот. Алуминиумот мораше да се допингува со бор, кој ги апсорбира неутроните испуштени од јадрата на атомите на алуминиум под влијание на алфа честичките произведени за време на распаѓањето на ураниум-238.
Конечно, имаше истите тие „експлозивни леќи“ надвор. Имаше 32 од нив (20 хексагонални и 12 пентагонални), тие формираа структура слична на фудбалска топка. Секоја леќа се состоеше од три дела, при што средниот беше направен од специјален „бавен“ експлозив, а надворешниот и внатрешниот од „брзи“ експлозиви. Надворешниот дел однадвор беше топчест, но внатре имаше конусна вдлабнатина, како на обликуван полнеж, но неговата намена беше различна. Овој конус беше исполнет со бавен експлозив, а на интерфејсот експлозивниот бран беше прекршен како обичен светлосен бран. Но, сличноста овде е многу условена. Всушност, обликот на овој конус е една од вистинските тајни на нуклеарната бомба.
Во средината на 40-тите, во светот немаше компјутери на кои би можело да се пресмета обликот на таквите леќи, а што е најважно, немаше ниту соодветна теорија. Затоа, тие беа направени исклучиво со обиди и грешки. Требаше да се изведат повеќе од илјада експлозии - и не само да се изведат, туку и да се фотографираат со специјални камери со голема брзина, снимајќи ги параметрите на бранот на експлозијата. Кога беше тестирана помала верзија, се покажа дека експлозивите не се размеруваат толку лесно и беше неопходно во голема мера да се поправат старите резултати.
Точноста на формата требаше да се одржува со грешка помала од милиметар, а составот и униформноста на експлозивот требаше да се одржуваат со најголема грижа. Деловите можеа да се направат само со лиење, така што не беа соодветни сите експлозиви. Брзиот експлозив бил мешавина од RDX и TNT, со двојно поголема количина на RDX. Бавно - истиот ТНТ, но со додавање на инертен бариум нитрат. Брзината на детонациониот бран кај првиот експлозив е 7,9 km/s, а во вториот – 4,9 km/s.
Детонатори беа монтирани во центарот на надворешната површина на секоја леќа. Сите 32 детонатори мораа да пукаат истовремено со нечуена прецизност - помалку од 10 наносекунди, односно милијардити делови од секундата! Така, предниот дел на ударниот бран не требаше да биде искривен за повеќе од 0,1 mm. Површините за парење на леќите мораа да бидат порамнети со иста прецизност, но грешката во нивното производство беше десет пати поголема! Морав да чепкам и да потрошам многу тоалетна хартија и селотејп за да надоместам за неточностите. Но, системот почна да има мала сличност со теоретскиот модел.
Беше неопходно да се измислат нови детонатори: старите не обезбедија соодветна синхронизација. Тие се направени врз основа на жици кои експлодирале под силен импулс на електрична струја. За да се активираат, потребна е батерија од 32 високонапонски кондензатори и исто толку брзи празнења - по еден за секој детонатор. Целиот систем, вклучувајќи батерии и полнач за кондензатори, тежеше речиси 200 килограми во првата бомба. Меѓутоа, во споредба со тежината на експлозивот, за кој беа потребни 2,5 тони, тоа не беше многу.
Конечно, целата структура беше затворена во сферично тело од дуралумин, составено од широк појас и два капа - горниот и долниот дел, сите овие делови беа собрани со завртки. Дизајнот на бомбата овозможи да се состави без јадро од плутониум. Со цел да се вметне плутониумот на своето место заедно со дел од рефлекторот на ураниум, горниот капак на куќиштето беше одвртен и беше отстранета една експлозивна леќа.
Војната со Јапонија беше при крај, а Американците брзаа. Но, експлозивната бомба мораше да се тестира. Оваа операција го доби кодното име „Троица“ („Троица“). Да, атомската бомба требаше да демонстрира моќ која претходно била достапна само за боговите.
Брилијантен успех
Местото за тестирање беше избрано во државата Ново Мексико, на место со живописно име Jornadadel Muerto (Патот на смртта) - територијата беше дел од артилерискиот опсег Аламагордо. Бомбата почна да се составува на 11 јули 1945 година. На четиринаесетти јули таа беше подигната на врвот на специјално изградената кула висока 30 метри, беа приклучени жици на детонаторите и започнаа последните фази на подготовка, кои вклучуваат голема количина на мерна опрема. На 16 јули 1945 година, во пет и пол часот наутро, направата била активирана.
Температурата во центарот на експлозијата достигнува неколку милиони степени, така што блесокот на нуклеарна експлозија е многу посветол од Сонцето. Огнената топка трае неколку секунди, потоа почнува да се крева, потемнува, од бела станува портокалова, потоа темноцрвена и се формира сега познатата нуклеарна печурка. Првиот облак од печурки се искачи на висина од 11 километри.
Енергијата на експлозијата беше повеќе од 20 kt еквивалент на ТНТ. Поголемиот дел од мерната опрема беше уништен бидејќи физичарите сметаа на 510 тони и ја поставија опремата премногу блиску. Инаку беше успех, брилијантен успех!
Но, Американците беа соочени со неочекувана радиоактивна контаминација на областа. Облакот на радиоактивниот испад се протегаше на 160 километри североисточно. Дел од населението мораше да биде евакуирано од малиот град Бингам, но најмалку пет локални жители добија дози до 5.760 рентгени.
Се испостави дека за да се избегне контаминација, бомбата мора да се активира на доволно висока надморска височина, најмалку километар и половина, а потоа производите од радиоактивното распаѓање се расфрлаат на површина од стотици илјади, па дури и милиони квадрати. километри и растворени во глобалната радијациона позадина.
Втората бомба од овој дизајн беше фрлена врз Нагасаки на 9 август, 24 дена по овој тест и три дена по бомбардирањето на Хирошима. Оттогаш, речиси сите атомски оружја користат технологија за имплозија. Првата советска бомба RDS-1, тестирана на 29 август 1949 година, беше направена според истиот дизајн.
Некои од неутроните ослободени за време на реакцијата на фисија бегаат од реакциската сфера или се заробени без да предизвикаат фисија. Ако се создадат услови под кои стапката на губење на неутрони е поголема од брзината на ослободување на нови неутрони за време на фисија, тогаш верижната реакција во овие услови ќе престане да биде самоодржлива, односно ќе престане. Ова ќе ослободи малку енергија, но тоа нема да биде доволно, а стапката на ослободување на нови неутрони ќе биде премногу мала за да предизвика ефективна експлозија. Затоа, за да се изврши нуклеарна експлозија потребно е да се создадат услови под кои загубата на неутрони би била минимална. Во овој поглед, особено се важни неутроните, кои се испуштаат од масата на фисилен материјал и не учествуваат во реакцијата на фисија.
Емисијата на неутрони од реакциската сфера се јавува преку надворешната површина на масата на ураниум (или плутониум). Следствено, стапката на губење на неутроните поради нивната емисија од масата на фисилен материјал ќе биде одредена од големината на површината на оваа маса. Од друга страна, процесот на фисија, како резултат на кој се ослободуваат многу нови неутрони, се случува низ целата маса на фисилната супстанција, и затоа брзината на ослободување на овие неутрони зависи од големината на оваа маса. Како што се зголемува волуменот на фисилен материјал, односот на неговата површина и масата се намалува; затоа, односот на бројот на изгубени (емитирани) неутрони кон бројот на нови неутрони ослободени за време на реакцијата на фисија ќе се намали.
Оваа точка е полесно да се разбере ако го земеме предвид цртежот од десната страна, на кој се прикажани две сферични парчиња фисилен материјал, од кои едното е поголемо од другото; и во двата случаи, процесот на фисија започнува со еден неутрон, прикажан на сликата како точка во круг. Се претпоставува дека при секој настан на фисија се ослободуваат три неутрони, односно еден неутрон е заробен.
Ако масата на ураниум или плутониум е мала, односно, ако односот на површината и волуменот е голем, тогаш бројот на неутрони изгубени како резултат на емисијата ќе биде толку голем што создавањето на верижна реакција на нуклеарна фисија, и затоа спроведувањето на нуклеарна експлозија ќе биде невозможно. Но, како што се зголемува масата на ураниум или плутониум, релативната загуба на неутрони се намалува и доаѓа момент кога верижната реакција може да стане самоодржлива. Количеството на фисилен материјал што одговара на овој момент се нарекува критична маса.
Така, за да се случи нуклеарна експлозија, нуклеарното оружје мора да содржи доволно количество ураниум или плутониум што ја надминува критичната маса во дадени услови. Во реалноста, критичната маса зависи, меѓу другото, од обликот на парчето фисилен материјал, неговиот состав и степенот на контаминација од туѓи нечистотии кои можат да апсорбираат неутрони без да претрпат фисија. Со опкружување на фисилниот материјал со соодветна обвивка - неутронски рефлектор, можно е да се намали загубата на неутроните поради нивната емисија, а со тоа и да се намали вредноста на критичната маса. Покрај тоа, елементите со висока густина и добра рефлексивност за високоенергетските неутрони, исто така, обезбедуваат одредена инерција на фисилната супстанција, одложувајќи го нејзиното проширување во моментот на експлозијата. Неутронскиот рефлектор, поради неговиот заштитен ефект и инерцијалните својства, овозможува поефикасно користење на фисилен материјал во нуклеарното оружје.
Тест бр. 5
Опција 1
Феноменот на радиоактивност, откриен од Бекерел, укажува дека...
Б. Атомот содржи електрони.
Б. Атомот има сложена структура.
D. Овој феномен е карактеристичен само за ураниумот.
Кој го предложи нуклеарниот модел на структурата на атомот?
Сликата покажува дијаграми од четири атоми. Црните точки се електрони. Кој дијаграм одговара на атом 2 4 Не?
Составот на атомот ги вклучува следните честички:
B. нуклеони и електрони.
B. протони и неутрони.
D. Неутрони и електрони.
Колкав е масениот број на јадрото на атом на манган? 25 55 Mn?
Во која од наведените реакции е прекршен законот за зачувување на полнежот?
B. 3 6 Li + 1 1 H→ 2 4 He + 2 3 He.
B. 2 3 Тој + 2 3 Тој→ 2 4 Тој + 1 1 N + 1 1 N.
G. 3 7 Li + 2 4 He → 5 10 V + 0 1 n.
^ Атомското јадро се состои од протони и неутрони. Помеѓу кои парови на честички во јадрото дејствуваат нуклеарните сили?
Б. Протон-неутрон.
Б. Неутронско-неутрон.
D. Во сите парови A-B.
Протонските и неутронските маси...
Б. Приближно исто.
Б. Во однос на 1:1836 година.
D. Приближно еднакво на нула.
Во јадрото на атом на калциум 20 40 Ca содржи ...
B. 40 неутрони и 20 електрони.
B. 20 протони и 40 електрони.
D. 20 протони и 20 неутрони.
^ Во кој уред е видлива трагата од движењето на брзо наелектризираната честичка во гас (како резултат на кондензација на презаситена пареа на јони)?
B. Во комората за облаци.
D. Во комора со меурчиња.
^ Одреди го вториот производ X во нуклеарна реакција: 13 27 Ал+ 0 1 n → 11 24 Na+X.
Атомското јадро се состои од Z протони и N неутрони. Слободна неутронска маса m n , слободен протон м стр . Кој од наведените услови е точен за масата на јадрото? м е ?
B. m g
B. m g > Zm p + Nm n.
D. За стабилни јадра, услов А, за радиоактивни јадра, состојба Б.
Да се пресмета ∆ m (дефект на маса) на атомското јадро 3 7 Ли (во аму).
A. ∆m ≈ 0,04. B. ∆m ≈ –0,04. B. ∆m =0. G. ∆m ≈ 0,2.
14 Во кои единици треба да се изрази вредноста на масата при пресметување на енергијата на врзување на атомските јадра со помош на формулата ∆E= ∆m*c 2 ?
A. Во килограми.
B. Во грамови.
B. Во единици на атомска маса.
G. Во џули.
^ Која е критичната маса во нуклеарниот реактор со ураниум?
Б. Минимална маса на ураниум при која може да дојде до верижна реакција во реакторот.
Б. Дополнителна маса на ураниум внесена во реакторот за да се стартува.
Г. Дополнителна маса на супстанција внесена во реакторот за да се запре во критични случаи.
^ Кој тип на радиоактивно зрачење е најопасен при надворешно зрачење на лице?
B. гама зрачење.
Б. Алфа зрачење.
^ Дополнителна задача.
Сите хемиски елементи постојат во форма на два или повеќе изотопи. Определи ја разликата во составот на изотопските јадра 17 35 Cl и 17 37 Cl.
B. изотопот 17 37 Cl има 2 протони помалку во јадрото од 17 35 Cl.
Б. изотоп 17 37 Cl има 2 неутрони повеќе во неговото јадро од 17 35 Cl.
G. изотоп 17 37 Cl има 2 неутрони помалку во неговото јадро од 17 35 Cl.
18. При алфа распаѓање на атомските јадра ...
масовниот број останува ист, а полнењето се зголемува за еден.
Б. Масовниот број се намалува за 4, но полнењето останува непроменето.
Б. Масовниот број се намалува за 4, а полнежот се зголемува за 2.
Г. Масовниот број се намалува за 4, полнењето исто така се намалува за 2.
^ 19. Енергијата се ослободува или се апсорбира во нуклеарна реакција. 3 6 Li+ 1 1 H→ 2 4 Не + 2 3 Не? Маси на јадра и честички во a. m се соодветно еднакви: m 3 6 Li=6,01513, m 1 1 Н= 1,00728, м 2 4 Не= 4,00260, м 2 3 Не = 3,01602.
А. Апсорбира бидејќи ∆m
B. Се издвојува затоа што ∆m
Б. Апсорбира бидејќи ∆m> 0.
D. Се издвојува затоа што. ∆m> 0.
20. Кога изотопот 5 10 B е бомбардиран со неутрони, алфа честичка се исфрла од добиеното јадро. Користејќи ги законите за зачувување на масениот број и полнеж, како и периодниот систем на елементи, запишете ја нуклеарната реакција.
Тест бр. 5
на тема „Структура на атомот и атомското јадро“
Опција 2
^ 1. Радиоактивното зрачење може да вклучува ...
A. Само електрони.
B. Само неутрони.
Б. Само алфа честички.
Д. Бета честички, алфа честички, гама кванти.
^ 2. Со помош на експерименти, Радерфорд открил дека ...
A. Позитивниот полнеж се распределува рамномерно низ целиот волумен на атомот.
Б. Позитивниот полнеж е концентриран во центарот на атомот и зафаќа многу мал волумен.
Б. Атомот содржи електрони.
D. Атомот нема внатрешна структура.
^ Сликата покажува дијаграми од четири атоми. Електроните се прикажани како црни точки.
Јадрото ги содржи следниве честички:
Б. Протони и електрони.
Б. Протони и неутрони
D. Неутрони и електрони.
^ 5. Колкав е полнежот на јадрото на атом на стронциум? 38 88 Сениор?
A. 88 B. 38 C. 50 D. 126.
Во која од наведените равенки за нуклеарна реакција е повреден законот за зачувување на масениот број?
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 Не
G. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 e
^ 6. Нуклеарни сили кои дејствуваат помеѓу нуклеоните ...
A. Тие ги надминуваат гравитационите сили многу пати и дејствуваат помеѓу наелектризираните честички.
Б. Тие се многукратно супериорни во однос на сите видови сили и дејствуваат на кое било растојание.
Б. Тие се многу пати супериорни во однос на сите други видови сили, но дејствуваат само на растојанија споредливи со големината на јадрото.
D. Многу пати ги надминуваат гравитационите сили и дејствуваат помеѓу било кои честички.
Протонските и електронските маси...
Б. Приближно исто.
Б. Наведен како 1: 1836 година.
D. Приближно еднакво на нула.
^ 8. Во јадрото на атом на железо 26 56 Fe содржи:
A. 26 неутрони и 56 протони.
B. 56 неутрони и 26 протони.
B. 26 протони и 56 електрони.
D. 26 протони и 30 неутрони.
Во кој уред потеклото на јонизирачка честичка се евидентира со појава на пулс на електрична струја како резултат на појава на самоодржливо празнење во гас?
B. Во Гајгеровиот бројач.
B. Во бројач за сцинтилација.
D. Во комора со меурчиња.
^ Одреди го вториот производ од нуклеарната реакција X:
A. Алфа честичка (2 4 He).
Б. Неутрон.
Б. Протон.
G. Електрон.
^ 12. Атомското јадро се состои од Z протони и N неутрони. Слободна неутронска маса m n , слободен протон m стр . Кој од наведените услови е точен за нуклеарната маса m Јас ?
A. m i Z*m p + m n ; B. m i = Z*m p + N*m n
D. За стабилни јадра, состојба А, за радиоактивни - состојба Б.
^ 13. Пресметај го масовниот дефект (∆ m) во a. пр. Атомски јадра 2 3 Не. Маси на честички и јадра, изразени во а. e.m., соодветно еднакви: m n = 1,00866; м стр = 1,00728;
м Јас = 3,01602.
A. ∆ m ≈ 0,072 B. ∆ m ≈ 0,0072 C. ∆ m ≈ -0,0072 D. ∆ m ≈ 0
^ 14. Во кои единици ќе се добие енергетската вредност при пресметување на енергијата на врзување на атомските јадра со помош на формулата ∆E=m*c 2 ?
A. Во електронволти (eV).
Б. Во мегаелектрон волти (MeV)
Б. Во џули.
G. V a. јадете.
^ 15. Во нуклеарен реактор, супстанции како што се графит или вода се користат како таканаречени модератори. Што треба да успорат и зошто?
A. Тие ги забавуваат неутроните за да ја намалат веројатноста за појава на реакција на нуклеарна фисија.
Б. Тие ги забавуваат неутроните за да ја зголемат веројатноста за појава на реакција на нуклеарна фисија.
Б. Тие ја успоруваат верижната реакција на фисија за полесно да се контролира реакторот.
Г. Тие ги забавуваат фрагментите од јадрата формирани како резултат на фисија на ураниум за практично користење на нивната кинетичка енергија.
^ 16. Кој тип на радиоактивно зрачење е најопасен за внатрешно зрачење на човекот?
A. Бета зрачење.
Б. Гама зрачење.
Б. Алфа зрачење.
D. Сите три типа на зрачење: алфа, бета, гама.
^ Дополнителна задача.
Сите хемиски елементи постојат во форма на два или повеќе изотопи. Одреди ја разликата во составот на јадрата на изотопите 10 20 Ne и 10 22 Ne
Б. изотопот 10 20 Ne има 2 протони помалку во јадрото од 10 22 Ne
Б. изотоп 10 22 Ne има 2 неутрони повеќе во неговото јадро од 10 20 Ne
G. изотопот 10 22 Ne има 2 неутрони помалку во јадрото од 10 20 Ne
18. При бета распаѓање на атомските јадра...
А. Масата на јадрото останува практично непроменета, па масениот број останува ист, но полнежот се зголемува.
Б. Масовниот број се зголемува за 1, а полнежот се намалува за 1.
Б. Масовниот број останува ист, но полнењето се намалува за 1.
D. Масовниот број се намалува за 1, полнењето останува непроменето.
19. Дали енергијата се ослободува или се апсорбира во нуклеарната реакција 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H? Масите на јадрата и честичките (во а.м.) се соодветно еднакви: m 7 14 N = 14,00307, m 2 4 He = 4,00260, m 8 17 O = 16,99913, m 1 1 H = 1,00728.
А. Апсорбира бидејќи ∆m
B. Се издвојува затоа што ∆m
Б. Апсорбира бидејќи ∆m> 0.
D. Се издвојува затоа што. ∆m> 0.
20. Користејќи ги законите за зачувување на масениот број и полнеж, како и периодниот систем на елементи, напишете нуклеарна реакција што се јавува при бомбардирање на 5 11 Б алфа честички и е придружена со исфрлање на неутроните
^ Формулар за одговор
за тест бр.5
на тема „Структура на атомот и атомското јадро“
Класа _____________
Опција _______| № газ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Одговори | |||||||||||||||||||||
| № дополнителни задачи | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Одговори | |||||||||||||||||||||
^ Формулар за одговор
за тест бр.5
на тема „Структура на атомот и атомското јадро“
Датум: _________________20__
Класа _____________
ЦЕЛОСНО ИМЕ ________________________________
Опција _______| № газ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Одговори | |||||||||||||||||||||
| № дополнителни задачи | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Одговори | |||||||||||||||||||||
^ Кодови за точни одговори.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
|
| ВО 1 | ВО | Г | ВО | Б | Г | А | Г | Б | Г | Б | А | Б | А | А | Б | ВО | ВО | Г | Б |
| НА 2 | Г | Б | ВО | ВО | Б | ВО | ВО | А | Г | Б | Б | А | А | ВО | ВО | ВО | ВО | А | Б |
број 20 5 10 V + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 He (1 ОПЦИЈА)
5 11 V + 2 4 Тој→ 7 14 N + 1 1 N (ОПЦИЈА 2)
^ Табела за претворање на бројот на точни одговори на задолжителни прашања во оцена на скала од пет точки.
Поминаа нешто повеќе од два месеци од крајот на најлошата војна во историјата на човештвото. И така, на 16 јули 1945 година, американската војска ја тестираше првата нуклеарна бомба, а уште еден месец подоцна, илјадници жители на јапонските градови загинаа во атомскиот пекол. Оттогаш, оружјето, како и средствата за нивно доставување до цели, континуирано се подобруваат повеќе од половина век.
Војската сакаше да има на располагање и супермоќна муниција што може со еден удар да избриша цели градови и земји од картата, како и ултра мала муниција што може да се смести во актовка. Таквата направа би ја однела диверзантската војна на досега невидено ниво. И со првиот и со вториот се појавија непремостливи тешкотии. Виновна е таканаречената критична маса. Сепак, прво прво.
Такво експлозивно јадро
За да ја разбереме работата на нуклеарните уреди и да разбереме што се нарекува критична маса, да се вратиме на нашето биро за момент. Од нашиот училишен курс по физика се сеќаваме на едно едноставно правило: како обвиненијата да се одвратат. Таму, во средно училиште, учениците се учат за структурата на атомското јадро, составено од неутрони, неутрални честички и позитивно наелектризирани протони. Но, како е ова можно? Позитивно наелектризираните честички се наоѓаат толку блиску една до друга, што одбивните сили мора да бидат колосални.
Науката не ја разбира целосно природата на интрануклеарните сили кои ги држат протоните заедно, иако својствата на овие сили се доста добро проучени. Силите дејствуваат само на многу блиски растојанија. Но, штом протоните ќе се разделат дури и малку во вселената, почнуваат да преовладуваат одбивни сили, а јадрото се распрснува на парчиња. И моќта на таквото проширување е навистина колосална. Познато е дека силата на возрасен маж не би била доволна за да ги задржи протоните на само едно јадро на атом на олово.
Од што се плашеше Радерфорд?
Јадрата на повеќето елементи во периодниот систем се стабилни. Меѓутоа, како што се зголемува атомскиот број, оваа стабилност се намалува. Тоа е прашање на големината на јадрото. Да го замислиме јадрото на атом на ураниум, кој се состои од 238 нуклиди, од кои 92 се протони. Да, протоните се во близок контакт еден со друг, а интрануклеарните сили сигурно ја зацементираат целата структура. Но, одбивната сила на протоните лоцирани на спротивните краеви на јадрото станува забележлива.
Што правеше Радерфорд? Тој ги бомбардираше атомите со неутрони (електрон нема да помине низ електронската обвивка на атомот, а позитивно наелектризираниот протон нема да може да се приближи до јадрото поради одбивни сили). Неутронот кој влегува во јадрото на атомот предизвика негово фисија. Две посебни половини и два или три слободни неутрони расфрлани на страните.
Ова распаѓање, поради огромните брзини на летечките честички, беше придружено со ослободување на огромна енергија. Постоеше гласина дека Радерфорд дури сакал да го скрие своето откритие, плашејќи се од можните последици за човештвото, но тоа најверојатно не е ништо повеќе од бајки.
Значи, каква врска има масата со тоа и зошто е критична?
Па што? Како можете да зрачите доволно радиоактивен метал со проток на протони за да создадете силна експлозија? А што е критична маса? Се работи за оние неколку слободни електрони кои летаат надвор од „бомбардираното“ атомско јадро; тие, пак, се судираат со други јадра и предизвикуваат нивна фисија. Ќе започне т.н.Сепак ќе биде исклучително тешко да се лансира.
Ајде да ја разјасниме скалата. Ако земеме јаболко на нашата маса како јадро на атом, тогаш за да го замислиме јадрото на соседниот атом, истото јаболко ќе треба да го носиме и да го ставиме на масата ниту во соседната соба, туку. во соседната куќа. Неутронот ќе биде со големина на јама од цреша.
За ослободените неутрони залудно да не одлетаат надвор од ураниумскиот ингот, а повеќе од 50% од нив да најдат цел во форма на атомски јадра, овој ингот мора да има соодветни димензии. Ова е она што се нарекува критична маса на ураниум - масата при која повеќе од половина од ослободените неутрони се судираат со други јадра.
Всушност, ова се случува во еден момент. Бројот на поделени јадра расте како лавина, нивните фрагменти брзаат во сите правци со брзина споредлива со брзината на светлината, кинејќи го воздухот, водата и кој било друг медиум. Од нивните судири со молекулите на животната средина, областа на експлозијата моментално се загрева до милиони степени, испуштајќи топлина што согорува сè во рок од неколку километри.
Нагло загреаниот воздух веднаш се зголемува во големина, создавајќи силен ударен бран кој ги разнесува зградите од нивните темели, превртува и уништува се што ќе им се најде на патот...ова е сликата на атомска експлозија.
Како изгледа ова во пракса?
Дизајнот на атомска бомба е изненадувачки едноставен. Има два инготи ураниум (или друг, од кои масата на секоја е нешто помала од критичната маса. Еден од инготите е направен во форма на конус, а другиот е топка со дупка во форма на конус. може да претпоставите, кога двете половини ќе се спојат, се добива топка, која достигнува критична маса Ова е стандардната наједноставна нуклеарна бомба Двете половини се поврзани со конвенционално полнење ТНТ (конусот се пука во топката).
Но, не треба да мислите дека некој може да состави таков уред „на колена“. Финтата е во тоа што ураниумот, за да експлодира бомба од него, мора да биде многу чист, присуството на нечистотии е практично нула.
Зошто нема атомска бомба со големина на кутија цигари
Сите од истата причина. Критичната маса на најчестиот изотоп, ураниум 235, е околу 45 кг. Експлозијата на толкаво количество нуклеарно гориво е веќе катастрофа. И невозможно е да се направи со помалку супстанција - едноставно нема да работи.
Од истата причина, не беше можно да се создадат супермоќни атомски полнежи од ураниум или други радиоактивни метали. За да може бомбата да биде многу моќна, таа беше направена од десетина инготи, кои при активирањето на детонирачките полнења брзаа кон центарот, поврзувајќи се како парчиња портокал.
Но, што всушност се случи? Ако поради некоја причина два елементи се сретнале илјадити дел од секундата порано од другите, критичната маса се достигнувала побрзо отколку што „пристигнале“ другите, а експлозијата не се случила со моќта на која сметале дизајнерите. Проблемот со супермоќното нуклеарно оружје беше решен само со доаѓањето на термонуклеарното оружје. Но, тоа е малку поинаква приказна.
Како функционира мирниот атом?
Нуклеарна централа во суштина е иста како нуклеарна бомба. Само во оваа „бомба“ горивните шипки (елементи на гориво) направени од ураниум се наоѓаат на одредено растојание едни од други, што не ги спречува да разменуваат неутронски „удари“.
Горивните шипки се направени во форма на шипки, меѓу кои има контролни прачки од материјал кој добро ги впива неутроните. Принципот на работа е едноставен:
- контролните (апсорбирачки) прачки се внесуваат во просторот помеѓу ураниумските прачки - реакцијата се забавува или целосно запира;
- контролните шипки се отстранети од зоната - радиоактивните елементи активно разменуваат неутрони, нуклеарната реакција продолжува поинтензивно.
Навистина, резултатот е истата атомска бомба, во која критичната маса се постигнува толку непречено и е регулирана толку јасно што не доведува до експлозија, туку само до загревање на течноста за ладење.
Иако, за жал, како што покажува практиката, човечкиот гениј не е секогаш способен да ја ограничи оваа огромна и деструктивна енергија - енергијата на распаѓањето на атомското јадро.
На следната годишнина од бадабумот на Хирошима и Нагасаки, решив да пребарувам на Интернет за прашања за нуклеарното оружје, каде зошто и како се создадени не ме интересираше (веќе знаев) - повеќе ме интересираше како 2 парчиња плутониум не се топат, туку прават голема експлозија.
Внимавајте на инженерите - почнуваат со сеалка, а завршуваат со атомска бомба.
Нуклеарната физика е една од најконтроверзните области на преподобните природни науки. Токму на овие простори човештвото фрла милијарди долари, фунти, франци и рубљи веќе половина век, како во печката за локомотива на задоцнет воз. Сега возот како да не доцни повеќе. Бесниот пламен од запалени средства и работни часови стивнаа. Ајде да се обидеме накратко да откриеме каков вид воз се нарекува „нуклеарна физика“.
Изотопи и радиоактивност
Како што знаете, сè што постои е составено од атоми. Атомите, пак, се состојат од електронски обвивки, кои живеат според сопствените закони кои предизвикуваат умот, и јадро. Класичната хемија воопшто не е заинтересирана за јадрото и неговиот личен живот. За неа, атомот се неговите електрони и нивната способност да разменуваат интеракција. И од хемиското јадро ви треба само неговата маса за да ги пресметате пропорциите на реагенсите. За возврат, нуклеарната физика не се грижи за електроните. Таа е заинтересирана за мала (100 илјади пати помала од радиусот на електронските орбити) дамка прашина во атомот, во која е концентрирана речиси целата маса.
Што знаеме за јадрото? Да, се состои од позитивно наелектризирани протони и неутрони кои немаат електричен полнеж. Сепак, ова не е сосема точно. Јадрото не е грст топчиња со две бои, како на илустрацијата од училишниот учебник. Овде функционираат сосема различни закони наречени силна интеракција, претворајќи ги и протоните и неутроните во некаков неразличен хаос. Сепак, полнежот на оваа збрка е точно еднаков на вкупниот полнеж на протоните вклучени во него, а масата речиси (повторувам, речиси) се совпаѓа со масата на неутроните и протоните што го сочинуваат јадрото.
Патем, бројот на протони на нејонизиран атом секогаш се совпаѓа со бројот на електрони кои имаат чест да го опкружуваат. Но, со неутроните, работата не е толку едноставна. Строго кажано, задачата на неутроните е да го стабилизираат јадрото, бидејќи без нив слично наелектризираните протони не би се здружиле дури ни за микросекунди.
Да го земеме водородот за дефинитивно. Најчестиот водород. Неговата структура е смешно едноставна - еден протон опкружен со еден орбитален електрон. Во универзумот има многу водород. Можеме да кажеме дека Универзумот се состои главно од водород.
Сега ајде внимателно да додадеме неутрон на протонот. Од хемиска гледна точка, сè уште е водород. Но, од гледна точка на физиката, повеќе не. Откако открија два различни водороди, физичарите се загрижија и веднаш дојдоа до идеја обичниот водород да се нарекува протиум, а водородот со неутрон на протон - деутериум.
Да бидеме храбри и да нахраниме друг неутрон во јадрото. Сега имаме уште еден водород, уште потежок - тритиум. Повторно, од хемиска гледна точка, тој практично не се разликува од другите два водорода (добро, освен што сега реагира малку помалку лесно). Сакам веднаш да ве предупредам - ниту еден напор, закана или убедување не може да додаде уште еден неутрон во јадрото на тритиум. Локалните закони се многу построги од човечките.
Значи, протиумот, деутериумот и тритиумот се изотопи на водородот. Нивната атомска маса е различна, но нивниот полнеж не е. Но, полнежот на јадрото е тој што ја одредува локацијата во периодниот систем на елементи. Затоа изотопите се нарекуваат изотопи. Во превод од грчки, тоа значи „да го заземам истото место“. Инаку, познатата тешка вода е истата вода, но со два атоми на деутериум наместо протиум. Според тоа, супертешката вода наместо протиум содржи тритиум.
Ајде повторно да ги погледнеме нашите хидрогени. Значи... Протиум е на место, деутериум е на место... Кој друг е ова? Каде отиде мојот тритиум и од каде хелиум-3? Во нашиот тритиум, на еден од неутроните очигледно му здодеа, реши да ја смени својата професија и стана протон. Притоа, генерирал електрон и антинеутрино. Загубата на тритиум е, се разбира, разочарувачка, но сега знаеме дека е нестабилна. Хранењето со неутрони не беше залудно.
Значи, како што разбирате, изотопите се стабилни и нестабилни. Околу нас има многу стабилни изотопи, но, фала богу, практично нема нестабилни. Односно, тие постојат, но во таква расфрлана состојба што треба да се добијат по цена на многу голем труд. На пример, ураниум-235, кој предизвика толку многу проблеми за Опенхајмер, сочинува само 0,7% од природниот ураниум.
Пола живот
Сè е едноставно овде. Полуживотот на нестабилен изотоп е временскиот период во кој точно половина од атомите на изотопот ќе се распаднат и ќе се претворат во некои други атоми. Тритиумот, веќе ни е познат, има полуживот од 12,32 години. Ова е прилично краткотраен изотоп, иако во споредба со франциум-223, кој има полуживот од 22,3 минути, тритиумот ќе изгледа како старешина со сива брада.
Никакви макроскопски надворешни фактори (притисок, температура, влажност, расположението на истражувачот, бројот на распределби, локацијата на ѕвездите) не влијаат на полуживотот. Квантната механика е бесчувствителна на такви глупости.
Популарна експлозивна механика
Суштината на секоја експлозија е брзото ослободување на енергија која претходно била во неслободна, врзана состојба. Ослободената енергија се троши, претежно се претвора во топлина (кинетичка енергија на нарушеното движење на молекулите), ударен бран (тука има и движење, но веќе нарачано, во насока од центарот на експлозијата) и зрачење - од меки инфрацрвени до тврди кванти со кратки бранови.
Во хемиска експлозија, сè е релативно едноставно. Енергетски корисна реакција се јавува кога одредени супстанции комуницираат едни со други. Во реакцијата учествуваат само горните електронски слоеви на некои атоми, а интеракцијата не оди подлабоко. Лесно е да се погоди дека во која било супстанција има многу повеќе скриена енергија. Но, без оглед на условите на експериментот, без разлика колку успешни реагенсите што ги избираме, без разлика како ги проверуваме пропорциите, хемијата нема да ни дозволи да навлеземе подлабоко во атомот. Хемиската експлозија е примитивен феномен, неефикасен и, од гледна точка на физиката, непристојно слаб.
Нуклеарната верижна реакција ви овозможува да копате малку подлабоко, внесувајќи ги во игра не само електроните, туку и јадрата. Ова звучи навистина значајно, можеби, само за физичар, но за останатото ќе дадам едноставна аналогија. Замислете џиновска тежина со наелектризирани честички прашина што треперат околу неа на растојание од неколку километри. Ова е атом, „тежината“ е јадрото, а „честичките прашина“ се електрони. Што и да правите со овие дамки прашина, тие нема да обезбедат ниту една стотинка од енергијата што може да се добие од голема тежина. Особено ако, поради некоја причина, се подели и масивни фрагменти се распрснуваат во различни насоки со голема брзина.
Нуклеарната експлозија го вклучува врзувачкиот потенцијал на тешките честички што го сочинуваат јадрото. Но, ова е далеку од границата: има многу повеќе скриена енергија во материјата. И името на оваа енергија е маса. Повторно, ова звучи малку необично за нефизичар, но масата е енергија, само екстремно концентрирана. Секоја честичка: електрон, протон, неутрон - сето тоа се ситни купчиња со неверојатно густа енергија, кои засега остануваат во мирување. Веројатно ја знаете формулата E=mc2, која многу ја сакаат писателите на шеги, уредниците на ѕидните весници и декораторите на училишните училници. Токму за тоа се работи, и тоа е она што ја поставува масата како ништо повеќе од форма на енергија. И, исто така, дава одговор на прашањето колку енергија може да се добие од супстанција до максимум.
Процесот на целосна транзиција на масата, односно врзаната енергија, во слободна енергија се нарекува уништување. Од латинскиот корен „нихил“ лесно е да се погоди неговата суштина - ова е трансформација во „ништо“, поточно, во зрачење. За јасност, еве неколку бројки.
Експлозија ТНТ еквивалентна енергија (J)
Ф-1 граната 60 грама 2,50*105
Бомба фрлена на Хирошима 16 килотони 6,70*1013
Уништување на еден грам материја 21,5 килотони 8,99*1013
Еден грам од која било материја (важна е само масата) при уништување ќе даде повеќе енергија од мала нуклеарна бомба. Во споредба со таквите враќања, вежбите на физичарите за нуклеарна фисија, а уште повеќе експериментите на хемичарите со активни реагенси, изгледаат смешно.
За уништување потребни се соодветни услови, имено, контакт на материјата со антиматерија. И, за разлика од „црвената жива“ или „филозофскиот камен“, антиматеријата е повеќе од реална - за честичките што ни се познати, слични античестички постојат и се изучувани, а експериментите за уништување на паровите „електрон + позитрон“ се постојано. спроведена во пракса. Но, за да се создаде оружје за уништување, неопходно е да се собере одреден значителен волумен на античестички, а исто така да се ограничи од контакт со која било материја до, всушност, борбена употреба. Ова, па-пах, сè уште е далечна перспектива.
Масовен дефект
Последното прашање што останува да се разбере во врска со механиката на експлозијата е од каде доаѓа енергијата: истата што се ослободува за време на верижната реакција? Овде повторно имаше некаква маса вклучена. Или подобро кажано, без негов „дефект“.
До минатиот век, научниците веруваа дека масата е зачувана под какви било услови и тие беа во право на свој начин. Така, го спуштивме металот во киселината - тој почна да меури во репликата и меурчињата од гас се упатија нагоре низ дебелината на течноста. Но, ако ги измерите реагенсите пред и по реакцијата, не заборавајќи на ослободениот гас, масата се конвергира. И тоа секогаш ќе биде така се додека работиме со килограми, метри и хемиски реакции.
Но, штом ќе навлезете во полето на микрочестичките, масата исто така претставува изненадување. Излегува дека масата на атомот можеби не е точно еднаква на збирот на масите на честичките што го сочинуваат. Кога тешко јадро (на пример, ураниум) се дели на делови, „фрагментите“ тежат вкупно помалку од јадрото пред фисија. „Разликата“, наречена и масовен дефект, е одговорна за врзувачките енергии во јадрото. И токму оваа разлика оди во топлина и зрачење за време на експлозијата, сите според истата едноставна формула: E=mc2.
Ова е интересно: се случува енергетски поволно да се делат тешките јадра и да се комбинираат лесните. Првиот механизам работи во ураниумска или плутониумска бомба, вториот во хидрогенска бомба. Но, не можете да направите бомба од железо, колку и да се трудите: таа е точно во средината на оваа линија.
Нуклеарна бомба
Следејќи ја историската низа, прво да ги разгледаме нуклеарните бомби и да го спроведеме нашиот мал „проект Менхетен“. Нема да ви досадувам со здодевните методи на одвојување на изотопи и математички пресметки на теоријата на верижна реакција на фисија. Јас и ти имаме ураниум, плутониум, други материјали, упатства за склопување и потребна количина научна љубопитност.
Сите изотопи на ураниум се нестабилни до еден или друг степен. Но, ураниум-235 е во посебна позиција. За време на спонтано распаѓање на јадрото на ураниум-235 (исто така наречено алфа распаѓање), се формираат два фрагменти (јадра од други, многу полесни елементи) и неколку неутрони (обично 2-3). Ако неутронот формиран за време на распаѓањето удри во јадрото на друг атом на ураниум, ќе има обичен еластичен судир, неутронот ќе отскокне и ќе продолжи со потрагата по авантура. Но, по некое време ќе троши енергија (совршено еластични судири се случуваат само меѓу сферични коњи во вакуум), а следното јадро ќе испадне дека е стапица - неутронот ќе се апсорбира од него. Патем, физичарите го нарекуваат таков неутронски термички.
Погледнете ја листата на познати изотопи на ураниум. Меѓу нив нема изотоп со атомска маса 236. Знаете ли зошто? Таквото јадро живее дел од микросекунди, а потоа се распаѓа, ослободувајќи огромна количина на енергија. Ова се нарекува присилно распаѓање. Некако е незгодно да се нарече изотоп со таков животен век изотоп.
Енергијата ослободена за време на распаѓањето на јадрото на ураниум-235 е кинетичка енергија на фрагменти и неутрони. Ако ја пресметате вкупната маса на производите на распаѓање на јадрото на ураниумот, а потоа ја споредите со масата на првобитното јадро, ќе излезе дека овие маси не се совпаѓаат - првобитното јадро било поголемо. Овој феномен се нарекува масен дефект, а неговото објаснување е содржано во формулата E0=mс2. Кинетичката енергија на фрагментите поделена со квадратот на брзината на светлината ќе биде точно еднаква на масената разлика. Фрагментите се забавуваат во кристалната решетка од ураниум, генерирајќи радијација на Х-зраци, а неутроните, откако патувале, се апсорбираат од други јадра на ураниум или го напуштаат лиењето ураниум, каде што се случуваат сите настани.
Ако лиењето ураниум е мало, тогаш повеќето неутрони ќе го напуштат без да имаат време да се забави. Но, ако секој чин на присилно распаѓање предизвикува барем уште еден сличен чин поради емитираниот неутрон, ова е веќе самоодржлива верижна реакција на фисија.
Соодветно на тоа, ако ја зголемите големината на леењето, зголемениот број на неутрони ќе предизвика акти на принудна фисија. И во одреден момент верижната реакција ќе стане неконтролирана. Но, ова е далеку од нуклеарна експлозија. Само многу „валкана“ термална експлозија, која ќе ослободи голем број многу активни и токсични изотопи.
Сосема логично прашање е: колку ураниум-235 е потребен за верижната реакција на фисија да стане лавина? Всушност, не е толку едноставно. Својствата на фисилниот материјал и односот волумен-површина играат улога овде. Замислете еден тон ураниум-235 (ќе направам резервација веднаш - ова е многу), кој постои во форма на тенка и многу долга жица. Да, неутронот што лета по него, се разбира, ќе предизвика чин на принудно распаѓање. Но, делот од неутроните што летаат по жицата ќе биде толку мал што е едноставно смешно да се зборува за самоодржлива верижна реакција.
Затоа, се договоривме да ја пресметаме критичната маса за сферично леење. За чист ураниум-235, критичната маса е 50 kg (ова е топка со радиус од 9 cm). Разбирате дека таквата топка нема да трае долго, но нема да трае ниту оние кои ја фрлаат.
Ако топка со помала маса е опкружена со неутронски рефлектор (берилиумот е совршен за него), и во топката се внесе неутронски модераторски материјал (вода, тешка вода, графит, истиот берилиум), тогаш критичната маса ќе стане многу помали. Со користење на најефективните рефлектори и модератори на неутрони, критичната маса може да се зголеми на 250 грама. Ова, на пример, може да се постигне со ставање на заситен раствор на сол на ураниум-235 во тешка вода во сферичен контејнер со берилиум.
Критична маса не постои само за ураниум-235. Исто така, постојат голем број на изотопи способни за верижни реакции на фисија. Главниот услов е дека производите на распаѓање на јадрото мора да предизвикаат акти на распаѓање на други јадра.
Значи, имаме две хемисферични одлеаноци од ураниум со тежина од по 40 кг. Сè додека останат на почитувана дистанца еден од друг, сè ќе биде мирно. Што ако почнете полека да ги движите? Спротивно на популарното верување, ништо слично на печурките нема да се случи. Едноставно, парчињата ќе почнат да се загреваат како што ќе се доближат, а потоа, ако не се вразумите на време, ќе станат црвенило. На крајот, тие едноставно ќе се стопат и се шират, а сите што ги преместиле одливот ќе умре од неутронско зрачење. А тие што го гледаа ова со интерес ќе си ги залепат перките.
Што ако е побрзо? Побрзо ќе се стопат. Уште побрзо? Уште побрзо ќе се стопат. Кул? Дури и ако го ставите во течен хелиум, нема да има ништо добро. Што ако пукате едно парче во друго? ЗА! Моментот на вистината. Само што дојдовме до дизајн на топови од ураниум. Сепак, немаме со што посебно да се гордееме; оваа шема е наједноставната и најнеуметничката од сите можни. Да, и хемисферите ќе мора да бидат напуштени. Како што покажа практиката, тие немаат тенденција непречено да се држат заедно. Најмало изобличување - и добивате многу скап „прдеж“, по што ќе треба да се исчистите долго време.
Подобро е да се направи кратка цевка со дебели ѕидови од ураниум-235 со маса од 30-40 кг, на чиј отвор ќе прикачиме челично барел со висока цврстина од истиот калибар, наполнето со цилиндар од истиот ураниум со приближно иста маса. Ајде да ја опкружиме целта на ураниум со берилиум-неутронски рефлектор. Сега, ако испукате „куршум“ од ураниум во „цевка“ од ураниум, „цевката“ ќе биде полна. Односно, ќе има нуклеарна експлозија. Треба само сериозно да пукате, така што брзината на муцката на ураниумскиот проектил е најмалку 1 km/s. Во спротивно пак ќе има прдеж, но погласно. Факт е дека кога проектилот и целта се приближуваат еден до друг, тие се загреваат толку многу што почнуваат интензивно да испаруваат од површината, забавени од идниот тек на гас. Покрај тоа, ако брзината е недоволна, тогаш постои шанса проектилот едноставно да не ја достигне целта, туку да испари на патот.
Забрзувањето на празно со тежина од неколку десетици килограми до таква брзина и на растојание од неколку метри е исклучително тешка задача. Затоа нема да ви треба барут, туку моќен експлозив способен да создаде соодветен притисок на гасот во бурето за многу кратко време. И нема да мора да го чистите бурето подоцна, не грижете се.
Бомбата Mk-I „Little Boy“ фрлена на Хирошима е дизајнирана токму според дизајнот на топот.
Има, се разбира, ситни детали кои не ги земавме предвид во нашиот проект, но воопшто не згрешивме против самиот принцип.
Значи. Ја детониравме ураниумската бомба. Се восхитувавме на печурката. Сега ќе го експлодираме плутониумот. Само не влечете цел, проектил, буре и друго ѓубре овде. Овој трик нема да работи со плутониум. Дури и ако пукаме едно парче во друго со брзина од 5 km/s, суперкритичното склопување сè уште нема да работи. Плутониум-239 ќе има време да се загрее, да испари и да уништи сè наоколу. Неговата критична маса е нешто повеќе од 6 кг. Можете да замислите колку е поактивен во однос на фаќањето неутрони.
Плутониумот е необичен метал. Во зависност од температурата, притисокот и нечистотиите, постои во шест модификации на кристалната решетка. Постојат дури и модификации во кои се собира кога се загрева. Преминот од една во друга фаза може да се случи нагло, додека густината на плутониумот може да се промени за 25%.Ајде, како и сите нормални херои, да тргнеме на заобиколен пат. Да се потсетиме дека критичната маса се одредува, особено, со односот на волуменот и површината. Во ред, имаме топка со субкритична маса која има минимална површина за даден волумен. Да речеме 6 килограми. Радиусот на топката е 4,5 cm Што ако оваа топка е компресирана од сите страни? Густината ќе се зголеми пропорционално на коцката на линеарната компресија, а површината ќе се намали пропорционално на нејзиниот квадрат. И тоа се случува: атомите на плутониум ќе станат погусти, односно ќе се скрати растојанието за сопирање на неутронот, што значи дека веројатноста за негова апсорпција ќе се зголеми. Но, повторно, сè уште нема да работи да се компресира со потребната брзина (околу 10 km/s). Ќорсокак? Но не.
На 300°C започнува таканаречената делта фаза - најлабава. Ако плутониумот се допингува со галиум, се загрева до оваа температура, а потоа полека се лади, делта фазата може да постои на собна температура. Но, нема да биде стабилно. При висок притисок (од редот на десетици илјади атмосфери), ќе се случи нагло преминување во многу густа алфа фаза.
Да ставиме топче од плутониум во голема (со дијаметар од 23 cm) и тешка (120 kg) шуплива топка направена од ураниум-238. Не грижете се, нема критична маса. Но, совршено ги рефлектира брзите неутрони. И уште ќе ни бидат од корист.Мислите дека го разнесоа? Без разлика како е. Плутониумот е проклето каприциозен ентитет. Ќе мора да работиме уште малку. Ајде да направиме две хемисфери од плутониум во делта фаза. Ајде да формираме сферична празнина во центарот. И во оваа празнина ќе ја сместиме квинтесенцијата на мислата за нуклеарно оружје - иницијаторот на неутроните. Ова е мала шуплива берилиумска топка со дијаметар од 20 и дебелина од 6 мм. Внатре има уште едно берилиумско топче со дијаметар од 8 мм. На внатрешната површина на шупливата топка има длабоки жлебови. Целата работа е великодушно обложена со никел и позлатена. Полониум-210 е поставен во жлебовите, кој активно испушта алфа честички. Ова е такво чудо на технологијата. Како работи? Само една секунда. Имаме уште неколку работи да направиме.
Ајде да ја опкружиме обвивката од ураниум со друга, направена од алуминиумска легура со бор. Неговата дебелина е околу 13 см. Севкупно, нашата „матриошка“ сега порасна до половина метар дебела и доби тежина од 6 до 250 кг.
Сега да направиме имплозивни „леќи“. Замислете фудбалска топка. Класичен, кој се состои од 20 шестоаголници и 12 петаголници. Ќе направиме таква „топка“ од експлозив, а секој од сегментите ќе биде опремен со неколку електрични детонатори. Дебелината на сегментот е околу половина метар. Исто така, има многу суптилности во производството на „леќи“, но ако ги опишеме, нема да има доволно простор за сè друго. Главната работа е максималната точност на објективот. Најмалата грешка - и целото склопување ќе биде здробено од дејството на минирање на експлозивот. Комплетниот склоп сега има дијаметар од околу еден и пол метар и маса од 2,5 тони. Дизајнот е завршен со електрично коло чија задача е да ги детонира детонаторите во строго дефинирана низа со точност во микросекунда.
Сите. Пред нас е коло за имплозија на плутониум.
И сега - најинтересниот дел.
За време на детонацијата, експлозивот го компресира склопот, а алуминиумскиот „туркач“ го спречува распаѓањето на експлозивниот бран да се шири навнатре по неговиот преден дел. Поминувајќи низ ураниум со контра брзина од околу 12 km/s, бранот на компресија ќе го збие и него и плутониумот. Плутониумот при притисок во зоната на компресија од редот на стотици илјади атмосфери (ефектот на фокусирање на фронтот на експлозијата) нагло ќе скокне во алфа фазата. За 40 микросекунди, склопот ураниум-плутониум опишан овде ќе стане не само суперкритичен, туку неколку пати поголем од критичната маса.
Откако стигна до иницијаторот, бранот на компресија ќе ја уништи целата своја структура во монолит. Во овој случај, златно-никелската изолација ќе биде уништена, полониум-210 ќе навлезе во берилиумот поради дифузија, алфа честичките што се испуштаат од него и минуваат низ берилиумот ќе предизвикаат колосален проток на неутрони, предизвикувајќи верижна реакција на фисија низ целата територија. волумен на плутониум, а протокот на „брзите“ неутрони генериран распаѓање на плутониумот ќе предизвика експлозија на ураниум-238. Готово, израснавме втора печурка, не полоша од првата.
Пример за дизајн на имплозија на плутониум е бомбата Mk-III „Fatman“ фрлена на Нагасаки.
Сите трикови опишани овде се потребни за да се присили максималниот број атомски јадра на плутониум да реагираат. Главната задача е да се задржи полнењето во компактна состојба што е можно подолго и да се спречи неговото расејување во плазма облак, во кој верижната реакција веднаш ќе престане. Овде, секоја добиена микросекунда е зголемување на еден или два килотони моќ.
Термонуклеарна бомба
Постои општо верување дека нуклеарната бомба е осигурувач за термонуклеарна. Во принцип, сè е многу покомплицирано, но суштината е правилно доловена. Оружјето засновано на принципите на термонуклеарно спојување овозможило да се постигне таква моќ на експлозија што под никакви околности не може да се постигне со верижна реакција на фисија. Но, единствениот извор на енергија досега што може да „запали“ реакција на термонуклеарна фузија е нуклеарна експлозија.
Се сеќавате како вие и јас го „храневме“ јадрото на водородот со неутрони? Значи, ако се обидете да поврзете два протони заедно на овој начин, ништо нема да успее. Протоните нема да се држат заедно поради Кулоновите одбивни сили. Или ќе се разлетаат, или ќе дојде до бета распаѓање и еден од протоните ќе стане неутрон. Но, хелиум-3 постои. Благодарение на еден неутрон, кој ги прави протоните покомпатибилни едни со други.
Во принцип, врз основа на составот на јадрото на хелиум-3, можеме да заклучиме дека е сосема можно да се собере едно јадро на хелиум-3 од јадрата на протиум и деутериум. Теоретски, тоа е точно, но таква реакција може да се случи само во длабочините на големите и жешки ѕвезди. Покрај тоа, во длабочините на ѕвездите, хелиумот може да се собере дури и само од протони, претворајќи некои од нив во неутрони. Но, ова се веќе прашања на астрофизиката, а опцијата што може да се постигне за нас е спојување на две јадра на деутериум или деутериум и тритиум.
Нуклеарната фузија бара еден многу специфичен услов. Ова е многу висока (109 K) температура. Само со просечна кинетичка енергија на јадра од 100 килоелектронволти тие можат да се приближат еден до друг до растојание на кое силната интеракција почнува да ја надминува Кулоновата интеракција.
Сосема легитимно прашање - зошто да ја оградите оваа градина? Факт е дека при фузија на светлосни јадра се ослободува енергија од редот од 20 MeV. Се разбира, со присилната фисија на јадрото на ураниум, оваа енергија е 10 пати поголема, но има едно предупредување - со најголемите трикови, полнење на ураниум со моќност од дури 1 мегатон е невозможно. Дури и за понапредна плутониумска бомба, остварливиот излез на енергија не е повеќе од 7-8 килотони по килограм плутониум (со теоретски максимум 18 килотони). И не заборавајте дека јадрото на ураниум е речиси 60 пати потешко од две јадра на деутериум. Ако го земеме предвид специфичниот енергетски принос, тогаш термонуклеарната фузија е забележливо напред.
И уште нешто - за термонуклеарно полнење нема ограничувања на критичната маса. Тој едноставно го нема. Сепак, постојат и други ограничувања, но повеќе за нив подолу.
Во принцип, започнувањето на термонуклеарна реакција како извор на неутрони е прилично едноставно. Многу е потешко да се лансира како извор на енергија. Овде се соочуваме со таканаречениот Lawson критериум, кој ја одредува енергетската корист од термонуклеарната реакција. Ако производот од густината на јадрата што реагираат и времето на нивно задржување на растојанието на фузија е поголемо од 1014 sec/cm3, енергијата обезбедена од фузијата ќе ја надмине енергијата внесена во системот.
Сите термонуклеарни програми беа посветени на постигнување на овој критериум.
Првиот дизајн на термонуклеарна бомба што му се случи на Едвард Телер беше нешто слично на обидот да се создаде плутониумска бомба со помош на дизајн на топови. Тоа е, се чини дека сè е точно, но не функционира. Уредот на „класичниот супер“ - течен деутериум во кој е потопена плутониумска бомба - беше навистина класичен, но далеку од супер.
Идејата за експлозија на нуклеарно полнење во течен деутериум се покажа како ќорсокак од самиот почеток. Во такви услови, повеќе или помалку излез на енергија од термонуклеарна фузија може да се постигне со детонирање на нуклеарно полнење со моќност од 500 kt. И воопшто немаше потреба да се зборува за постигнување на критериумот на Лосон.
Идејата за опкружување на полнење на нуклеарно активирање со слоеви на термонуклеарно гориво прошарано со ураниум-238 како топлински изолатор и засилувач на експлозија, исто така, се појави кај Телер. И не само тој. Првите советски термонуклеарни бомби беа изградени токму според овој дизајн. Принципот беше прилично едноставен: нуклеарното полнење го загрева термонуклеарното гориво до температурата на која започнува фузијата, а брзите неутрони генерирани за време на фузијата експлодираат слоеви на ураниум-238. Сепак, ограничувањето остана исто - на температурата што може да ја обезбеди нуклеарниот активирач, само мешавина од евтин деутериум и неверојатно скап тритиум може да влезе во реакцијата на фузија.
Телер подоцна дошол до идеја да го користи соединението литиум-6 деутерид. Ова решение овозможи да се напуштат скапите и незгодни криогени контејнери со течен деутериум. Покрај тоа, како резултат на зрачење со неутрони, литиум-6 беше претворен во хелиум и тритиум, кој влезе во реакција на фузија со деутериум.
Недостаток на оваа шема беше ограничената моќност - само ограничен дел од термонуклеарното гориво што го опкружуваше активирањето имаше време да влезе во реакцијата на фузија. Остатокот, колку и да го имаше, се спушти на одводот. Максималната моќност на полнење добиена при користење на „пуф“ беше 720 kt (бомба на „British Orange Herald“). Очигледно, ова беше „таванот“.
Веќе разговаравме за историјата на развојот на шемата Телер-Улам. Сега да ги разбереме техничките детали за ова коло, кое исто така се нарекува "двостепено" или "коло за компресија на зрачење".
Наша задача е да го загрееме термонуклеарното гориво и да го држиме во одреден волумен за да го исполниме критериумот Лосон. Оставајќи ги настрана американските вежби со криогени шеми, да го земеме нам веќе познат литиум-6 деутерид како термонуклеарно гориво.
Ќе го избереме ураниум-238 како контејнерски материјал за термонуклеарното полнење. Садот има цилиндрична форма. По оската на контејнерот, внатре во него ќе поставиме цилиндрична прачка од ураниум-235, која има субкритична маса.
Забелешка: неутронската бомба, која беше сензационална во своето време, е истата шема на Телер-Улам, но без ураниумска прачка долж оската на контејнерот. Поентата е да се обезбеди моќен проток на брзи неутрони, но да се спречи согорувањето на целото термонуклеарно гориво, кое ќе троши неутрони.
Преостанатиот слободен простор на контејнерот ќе го пополниме со литиум-6 деутерид. Ајде да поставиме контејнер на едниот крај од телото на идната бомба (ова ќе биде втората фаза), а на другиот крај ќе монтираме обично полнење на плутониум со моќност од неколку килотони (првата фаза). Помеѓу нуклеарното и термонуклеарното полнење ќе поставиме преграда од ураниум-238, што ќе спречи предвремено загревање на литиум-6 деутерид. Ајде да го пополниме преостанатиот слободен простор во телото на бомбата со цврст полимер. Во принцип, термонуклеарната бомба е подготвена.
Кога ќе се детонира нуклеарно полнење, 80% од енергијата се ослободува во форма на рендгенски зраци. Брзината на неговото ширење е многу поголема од брзината на ширење на фрагменти од фисија на плутониум. По стотинки од микросекунда, екранот од ураниум испарува, а рендгенското зрачење почнува интензивно да се апсорбира од ураниумот од контејнерот со термонуклеарно полнење. Како резултат на таканаречената аблација (отстранување на масата од површината на загреан сад), се јавува реактивна сила која го компресира садот 10 пати. Овој ефект се нарекува имплозија на зрачење или компресија на зрачење. Во овој случај, густината на термонуклеарното гориво се зголемува 1000 пати. Како резултат на колосалниот притисок на радијационата имплозија, централната прачка на ураниум-235 исто така е компресирана, иако во помала мера, и оди во суперкритична состојба. Во тоа време, термонуклеарната единица е бомбардирана од брзи неутрони од нуклеарна експлозија. Откако ќе поминат низ деутерид литиум-6, тие се забавуваат и интензивно се апсорбираат од ураниумската прачка.
Во шипката започнува верижна реакција на фисија, што брзо доведува до нуклеарна експлозија во контејнерот. Бидејќи литиум-6 деутеридот е подложен на аблативна компресија однадвор и притисок на нуклеарна експлозија одвнатре, неговата густина и температура се зголемуваат уште повеќе. Овој момент е почеток на реакцијата на синтезата. Неговото понатамошно одржување се определува со тоа колку долго контејнерот ќе ги задржува термонуклеарните процеси во себе, спречувајќи топлинска енергија да избега надвор. Токму тоа го одредува постигнувањето на критериумот Лоусон. Термонуклеарното гориво изгорува од оската на цилиндерот до нејзиниот раб. Температурата на фронтот за согорување достигнува 300 милиони Келвини. Целосниот развој на експлозијата додека не изгори термонуклеарното гориво и контејнерот не се уништи трае неколку стотици наносекунди - дваесет милиони пати побрзо отколку што ви требаа да ја прочитате оваа фраза.
Сигурното функционирање на двостепеното коло зависи од прецизното склопување на контејнерот и спречувањето на предвремено загревање.
Моќта на термонуклеарното полнење за колото Телер-Улам зависи од моќноста на нуклеарниот активирач, што обезбедува ефективна компресија со зрачење. Меѓутоа, сега постојат повеќестепени кола во кои енергијата од претходната фаза се користи за компресија на следната. Пример за тристепена шема е веќе споменатата „Мајка Кузкина“ од 100 мегатони.
Се вчитува...