Underholdende kjernefysikk (13 bilder). Atomangrep: kritisk masse av en kjernefysisk ladning Kritisk masse i en kjernefysisk uranreaktor
En mystisk enhet som er i stand til å frigjøre gigajoule med energi over en ubeskrivelig kort periode, er omgitt av skummel romantikk. Unødvendig å si, over hele verden ble arbeidet med atomvåpen dypt klassifisert, og selve bomben var overgrodd med en masse legender og myter. La oss prøve å håndtere dem i rekkefølge.
Andrey Suvorov
Ingenting vekker interesse som atombomben
august 1945. Ernest Orlando Lawrence ved atombombelaboratoriet
1954 Åtte år etter eksplosjonen ved Bikini-atollen oppdaget japanske forskere høye nivåer av stråling i fisk fanget i lokale farvann
Kritisk masse
Alle har hørt at det er en viss kritisk masse som må nås for at en kjernefysisk kjedereaksjon skal begynne. Men for at en reell atomeksplosjon skal skje, er ikke kritisk masse alene nok – reaksjonen vil stoppe nesten øyeblikkelig, før merkbar energi rekker å frigjøres. For en fullskala eksplosjon på flere kiloton eller titalls kilotonn må to eller tre, eller enda bedre fire eller fem, kritiske masser samles opp samtidig.
Det virker åpenbart at du må lage to eller flere deler av uran eller plutonium og koble dem til i det nødvendige øyeblikket. For å være rettferdig må det sies at fysikere tenkte det samme da de tok på seg konstruksjonen av en atombombe. Men virkeligheten gjorde sine egne justeringer.
Poenget er at hvis vi hadde veldig rent uran-235 eller plutonium-239, så kunne vi gjøre dette, men forskerne måtte forholde seg til ekte metaller. Ved å anrike naturlig uran, kan du lage en blanding som inneholder 90 % uran-235 og 10 % uran-238; forsøk på å kvitte seg med resten av uran-238 fører til en veldig rask prisøkning på dette materialet (det kalles høyt anriket uran). Plutonium-239, som produseres i en atomreaktor fra uran-238 ved fisjon av uran-235, inneholder nødvendigvis en blanding av plutonium-240.
Isotopene uranium235 og plutonium239 kalles partall-odde fordi kjernene i atomene deres inneholder et partall protoner (92 for uran og 94 for plutonium) og et oddetall nøytroner (henholdsvis 143 og 145). Alle oddetallskjerner av tunge grunnstoffer har en felles egenskap: de spalter sjelden spontant (vitenskapsmenn sier: "spontant"), men spalter lett når et nøytron treffer kjernen.
Uran-238 og plutonium-240 er jevne. De, tvert imot, fisjoner praktisk talt ikke med nøytroner med lav og moderat energi, som flyr ut fra spaltbare kjerner, men de spalter spontant hundrevis eller titusenvis av ganger oftere, og danner en nøytronbakgrunn. Denne bakgrunnen gjør det svært vanskelig å lage atomvåpen fordi det gjør at reaksjonen starter for tidlig før de to delene av ladningen møtes. På grunn av dette, i en innretning forberedt for eksplosjon, må deler av den kritiske massen være plassert langt nok fra hverandre og koblet sammen med høy hastighet.
Kanonbombe
Bomben som ble sluppet over Hiroshima 6. august 1945 ble imidlertid laget nøyaktig i henhold til skjemaet beskrevet ovenfor. To av delene, målet og kulen, var laget av høyanriket uran. Målet var en sylinder med en diameter på 16 cm og en høyde på 16 cm. I midten var det et hull med en diameter på 10 cm. Kulen ble laget i samsvar med dette hullet. Totalt inneholdt bomben 64 kg uran.
Målet var omgitt av et skall, hvis indre lag var laget av wolframkarbid, det ytre laget av stål. Hensikten med skallet var todelt: å holde kulen når den stakk inn i målet, og å reflektere i det minste en del av nøytronene som rømte fra uranet tilbake. Tatt i betraktning nøytronreflektoren var 64 kg 2,3 kritiske masser. Hvordan fungerte dette, siden hvert av stykkene var underkritiske? Faktum er at ved å fjerne midtdelen fra sylinderen, reduserer vi dens gjennomsnittlige tetthet og verdien av den kritiske massen øker. Dermed kan massen til denne delen overstige den kritiske massen for et solid metallstykke. Men det er umulig å øke massen til kulen på denne måten, fordi den må være solid.
Både målet og kulen ble satt sammen av deler: målet fra flere lavhøyde ringer, og kulen fra seks skiver. Årsaken er enkel - uranblokkene måtte være små i størrelse, fordi under fremstillingen (støping, pressing) av emnet, skulle den totale mengden uran ikke nærme seg den kritiske massen. Kulen var innkapslet i en tynnvegget rustfri stålkappe, med en wolframkarbidhette som ligner på en målkappe.
For å rette kulen til midten av målet bestemte de seg for å bruke løpet til en konvensjonell 76,2 mm luftvernkanon. Dette er grunnen til at denne typen bombe noen ganger kalles en kanonmontert bombe. Løpet ble boret fra innsiden til 100 mm for å romme et så uvanlig prosjektil. Løpets lengde var 180 cm. Vanlig røykfritt krutt ble lastet inn i ladekammeret, som avfyrte en kule med en hastighet på omtrent 300 m/s. Og den andre enden av løpet ble presset inn i et hull i målskallet.
Dette designet hadde mange mangler.
Det var uhyrlig farlig: når kruttet først ble lastet inn i ladekammeret, ville enhver ulykke som kunne antennes få bomben til å eksplodere med full kraft. På grunn av dette ble pyroxylin ladet i luften da flyet nærmet seg målet.
I tilfelle en flyulykke kan urandeler samles uten krutt, rett og slett fra et sterkt støt på bakken. For å unngå dette var diameteren på kulen en brøkdel av en millimeter større enn diameteren på boringen i løpet.
Hvis bomben falt i vann, på grunn av moderering av nøytroner i vann, kunne reaksjonen begynne selv uten å koble sammen delene. Riktignok er det usannsynlig med en atomeksplosjon i dette tilfellet, men en termisk eksplosjon vil oppstå, med sprøyting av uran over et stort område og radioaktiv forurensning.
Lengden på en bombe av denne designen oversteg to meter, og dette er praktisk talt uoverkommelig. Tross alt ble en kritisk tilstand nådd, og reaksjonen begynte da det fortsatt var en god halv meter før kula stoppet!
Til slutt var denne bomben veldig bortkastet: mindre enn 1 % av uranet hadde tid til å reagere i den!
Kanonbomben hadde nøyaktig én fordel: den kunne ikke unnlate å virke. De skulle ikke engang teste henne! Men amerikanerne måtte teste plutoniumbomben: designen var for ny og kompleks.
Plutonium fotball
Da det viste seg at selv en bitteliten (mindre enn 1 %) innblanding av plutonium-240 umuliggjør kanonmonteringen av en plutoniumbombe, ble fysikere tvunget til å lete etter andre måter å få kritisk masse på. Og nøkkelen til plutoniumeksplosiver ble funnet av mannen som senere ble den mest berømte "atomspionen" - den britiske fysikeren Klaus Fuchs.
Ideen hans, senere kalt "implosjon", var å danne en konvergerende sfærisk sjokkbølge fra en divergerende, ved å bruke såkalte eksplosive linser. Denne sjokkbølgen ville komprimere plutoniumbiten slik at dens tetthet doblet seg.
Hvis en reduksjon i tetthet forårsaker en økning i den kritiske massen, bør en økning i tetthet redusere den! Dette gjelder spesielt for plutonium. Plutonium er et veldig spesifikt materiale. Når et stykke plutonium avkjøles fra smeltepunktet til romtemperatur, gjennomgår det fire faseoverganger. Ved sistnevnte (ca. 122 grader) hopper tettheten med 10%. I dette tilfellet sprekker enhver støping uunngåelig. For å unngå dette dopes plutonium med noe treverdig metall, da blir den løse tilstanden stabil. Aluminium kan brukes, men i 1945 ble det fryktet at alfapartikler som ble sendt ut fra plutoniumkjerner når de forfaller, ville slå frie nøytroner ut av aluminiumskjernene, noe som øker den allerede merkbare nøytronbakgrunnen, så gallium ble brukt i den første atombomben.
Fra en legering som inneholdt 98 % plutonium-239, 0,9 % plutonium-240 og 0,8 % gallium, ble det laget en kule med en diameter på kun 9 cm og en vekt på ca. 6,5 kg. I midten av kulen var det et hulrom med en diameter på 2 cm, og det besto av tre deler: to halvdeler og en sylinder med en diameter på 2 cm. Denne sylinderen fungerte som en plugg som en initiator kunne settes inn i. det indre hulrommet - en nøytronkilde som ble utløst da bomben eksploderte. Alle tre delene måtte nikkelbelegges, fordi plutonium oksideres veldig aktivt av luft og vann og er ekstremt farlig hvis det kommer inn i menneskekroppen.
Kulen var omgitt av en nøytronreflektor laget av naturlig uran238, 7 cm tykk og veide 120 kg. Uran er en god reflektor av raske nøytroner, og ved montering var systemet bare litt underkritisk, så i stedet for en plutoniumplugg ble det satt inn en kadmiumplugg som absorberte nøytroner. Reflektoren tjente også til å holde alle delene av den kritiske forsamlingen under reaksjonen, ellers ville det meste av plutonium fly fra hverandre uten å ha tid til å delta i kjernefysiske reaksjonen.
Deretter kom et 11,5-centimeters lag av aluminiumslegering som veide 120 kg. Formålet med laget er det samme som antirefleksjon på objektivlinser: å sikre at eksplosjonsbølgen trenger inn i uran-plutonium-enheten og ikke reflekteres fra den. Denne refleksjonen oppstår på grunn av den store forskjellen i tetthet mellom sprengstoffet og uran (ca. 1:10). I tillegg, i en sjokkbølge, etter kompresjonsbølgen, er det en sjeldenfaksjonsbølge, den såkalte Taylor-effekten. Aluminiumslaget svekket rarfaksjonsbølgen, noe som reduserte effekten av eksplosivet. Aluminium måtte dopes med bor, som absorberte nøytroner som ble sendt ut fra kjernene til aluminiumsatomer under påvirkning av alfapartikler produsert under nedbrytningen av uran-238.
Til slutt var det de samme "eksplosive linsene" utenfor. Det var 32 av dem (20 sekskantede og 12 femkantede), de dannet en struktur som ligner på en fotball. Hver linse besto av tre deler, med den midterste laget av et spesielt "sakte" eksplosiv, og de ytre og indre av "raske" eksplosiver. Den ytre delen var sfærisk på utsiden, men innvendig hadde den en konisk fordypning, som på en formet ladning, men formålet var annerledes. Denne kjeglen var fylt med et sakte eksplosiv, og ved grensesnittet ble sprengbølgen brutt som en vanlig lysbølge. Men likheten her er veldig betinget. Faktisk er formen på denne kjeglen en av de virkelige hemmelighetene til atombomben.
På midten av 40-tallet fantes det ingen datamaskiner i verden som det ville være mulig å beregne formen på slike linser på, og viktigst av alt, det var ikke en gang en passende teori. Derfor ble de utført utelukkende ved prøving og feiling. Mer enn tusen eksplosjoner måtte utføres - og ikke bare utføres, men fotograferes med spesielle høyhastighetskameraer, som registrerer parametrene til eksplosjonsbølgen. Da en mindre versjon ble testet, viste det seg at eksplosiver ikke skaleres så lett, og det var nødvendig å i stor grad korrigere de gamle resultatene.
Nøyaktigheten til skjemaet måtte opprettholdes med en feil på mindre enn en millimeter, og sammensetningen og ensartetheten til sprengstoffet måtte opprettholdes med største forsiktighet. Deler kunne kun lages ved støping, så ikke alle eksplosiver var egnet. Det raske eksplosivet var en blanding av RDX og TNT, med dobbelt så mye RDX. Sakte - samme TNT, men med tilsetning av inert bariumnitrat. Hastigheten på detonasjonsbølgen i det første sprengstoffet er 7,9 km/s, og i det andre - 4,9 km/s.
Detonatorer ble montert i midten av den ytre overflaten av hver linse. Alle de 32 detonatorene måtte skyte samtidig med uhørt presisjon - mindre enn 10 nanosekunder, det vil si milliarddeler av et sekund! Sjokkbølgefronten skal altså ikke ha blitt forvrengt med mer enn 0,1 mm. De parende overflatene til linsene måtte justeres med samme presisjon, men feilen i produksjonen var ti ganger større! Jeg måtte tukle og bruke mye toalettpapir og tape for å kompensere for unøyaktighetene. Men systemet begynte å ha liten likhet med den teoretiske modellen.
Det var nødvendig å finne opp nye detonatorer: de gamle ga ikke riktig synkronisering. De ble laget på grunnlag av ledninger som eksploderte under en kraftig impuls av elektrisk strøm. For å utløse dem trengte man et batteri med 32 høyspentkondensatorer og like mange høyhastighetsutladere – en for hver detonator. Hele systemet, inkludert batterier og en lader for kondensatorer, veide nesten 200 kg i den første bomben. Men sammenlignet med vekten på eksplosivene, som tok 2,5 tonn, var dette ikke mye.
Til slutt ble hele strukturen innelukket i en sfærisk kropp av duraluminium, bestående av et bredt belte og to deksler - øvre og nedre, alle disse delene ble satt sammen med bolter. Bombens design gjorde det mulig å sette den sammen uten en plutoniumkjerne. For å sette inn plutoniumet på plass sammen med en del av uranreflektoren, ble toppdekselet på huset skrudd av og en eksplosiv linse fjernet.
Krigen med Japan nærmet seg slutten, og amerikanerne hadde det travelt. Men implosjonsbomben måtte testes. Denne operasjonen fikk kodenavnet "Trinity" ("Trinity"). Ja, atombomben skulle demonstrere kraft som tidligere kun var tilgjengelig for gudene.
Strålende suksess
Teststedet ble valgt i delstaten New Mexico, på et sted med det pittoreske navnet Jornadadel Muerto (Dødens vei) - territoriet var en del av Alamagordo-artilleriområdet. Bomben begynte å bli satt sammen 11. juli 1945. Den fjortende juli ble hun løftet til toppen av et spesialbygget 30 m høyt tårn, ledninger ble koblet til detonatorene og de siste forberedelsene startet, med en stor mengde måleutstyr. 16. juli 1945, klokken halv seks om morgenen, ble apparatet detonert.
Temperaturen i midten av eksplosjonen når flere millioner grader, så glimtet fra en atomeksplosjon er mye lysere enn solen. Ildkulen varer i flere sekunder, begynner deretter å stige, mørkere, blir fra hvit til oransje, deretter rød, og den nå berømte kjernefysiske soppen dannes. Den første soppskyen steg til en høyde på 11 km.
Eksplosjonsenergien var mer enn 20 kt TNT-ekvivalent. Det meste av måleutstyret ble ødelagt fordi fysikere regnet med 510 tonn og plasserte utstyret for nærme. Ellers var det en suksess, en strålende suksess!
Men amerikanerne ble møtt med uventet radioaktiv forurensning av området. Plommen av radioaktivt nedfall strakte seg 160 km mot nordøst. En del av befolkningen måtte evakueres fra den lille byen Bingham, men minst fem lokale innbyggere fikk doser på opptil 5.760 røntgener.
Det viste seg at for å unngå forurensning, må bomben detoneres i tilstrekkelig høy høyde, minst halvannen kilometer, deretter spres de radioaktive forfallsproduktene over et område på hundretusener eller til og med millioner av kvadrater. kilometer og oppløst i den globale strålingsbakgrunnen.
Den andre bomben av denne designen ble sluppet på Nagasaki 9. august, 24 dager etter denne testen og tre dager etter bombingen av Hiroshima. Siden den gang har nesten alle atomvåpen brukt implosjonsteknologi. Den første sovjetiske bomben RDS-1, testet 29. august 1949, ble laget etter samme design.
Noen av nøytronene som frigjøres under en fisjonsreaksjon slipper ut av reaksjonssfæren eller fanges opp uten å produsere fisjon. Hvis du skaper forhold der tapshastigheten av nøytroner er større enn hastigheten for frigjøring av nye nøytroner under fisjon, vil kjedereaksjonen under disse forholdene slutte å være selvopprettholdende, det vil si at den stopper. Dette vil frigjøre noe energi, men det vil ikke være nok, og frigjøringshastigheten for nye nøytroner vil være for lav til å forårsake en effektiv eksplosjon. Derfor, for å utføre en kjernefysisk eksplosjon, er det nødvendig å skape forhold der tapet av nøytroner vil være minimalt. I denne forbindelse er nøytroner spesielt viktige, som sendes ut fra massen av spaltbart materiale og ikke deltar i fisjonsreaksjonen.
Emisjonen av nøytroner fra reaksjonssfæren skjer gjennom den ytre overflaten av uranmassen (eller plutonium). Følgelig vil hastigheten for tap av nøytroner på grunn av deres utslipp fra massen av spaltbart materiale bestemmes av størrelsen på overflaten til denne massen. På den annen side skjer fisjonsprosessen, som et resultat av at mange nye nøytroner frigjøres, gjennom hele massen av det spaltbare stoffet, og derfor avhenger hastigheten for frigjøring av disse nøytronene av størrelsen på denne massen. Når volumet av spaltbart materiale øker, reduseres forholdet mellom overflateareal og masse; derfor vil forholdet mellom antall tapte (emitterte) nøytroner og antall nye nøytroner som frigjøres under fisjonsreaksjonen avta.
Dette punktet er lettere å forstå hvis vi tar for oss tegningen til høyre, som viser to sfæriske deler av spaltbart materiale, hvorav den ene er større enn den andre; i begge tilfeller begynner fisjonsprosessen med ett nøytron, vist på figuren som et punkt i en sirkel. Det antas at under hver fisjonshendelse frigjøres tre nøytroner, det vil si at ett nøytron fanges opp.
Hvis massen av uran eller plutonium er liten, det vil si hvis forholdet mellom overflateareal og volum er stort, vil antallet nøytroner som går tapt som følge av utslipp være så stort at dannelsen av en kjernefysisk fisjonskjedereaksjon, og derfor vil implementeringen av en atomeksplosjon være umulig. Men når massen av uran eller plutonium øker, avtar det relative tapet av nøytroner, og det kommer et punkt da kjedereaksjonen kan bli selvopprettholdende. Mengden spaltbart materiale som tilsvarer dette momentet kalles kritisk masse.
For at en atomeksplosjon skal kunne skje, må atomvåpenet inneholde en tilstrekkelig mengde uran eller plutonium som overstiger den kritiske massen under gitte forhold. I realiteten avhenger den kritiske massen blant annet av formen på stykket spaltbart materiale, dets sammensetning og graden av forurensning av fremmede urenheter som kan absorbere nøytroner uten å gjennomgå fisjon. Ved å omgi det spaltbare materialet med et passende skall - en nøytronreflektor, er det mulig å redusere tapet av nøytroner på grunn av deres utslipp, og derfor redusere verdien av den kritiske massen. I tillegg gir elementer med høy tetthet og god reflektivitet for høyenerginøytroner også en viss treghet til det spaltbare stoffet, og forsinker dets ekspansjon i eksplosjonsøyeblikket. Nøytronreflektoren, på grunn av sin skjermingseffekt og treghetsegenskaper, muliggjør mer effektiv bruk av spaltbart materiale i atomvåpen.
Test nr. 5
valg 1
Fenomenet radioaktivitet, oppdaget av Becquerel, indikerer at...
B. Et atom inneholder elektroner.
B. Et atom har en kompleks struktur.
D. Dette fenomenet er bare karakteristisk for uran.
Hvem foreslo kjernefysisk modell for strukturen til atomet?
Figuren viser diagrammer over fire atomer. Svarte prikker er elektroner. Hvilket diagram tilsvarer et atom 2 4 Ikke?
Sammensetningen av et atom inkluderer følgende partikler:
B. nukleoner og elektroner.
B. protoner og nøytroner.
D. Nøytroner og elektroner.
Hva er massetallet til kjernen til et manganatom? 25 55 Mn?
I hvilken av de følgende reaksjonene er loven om bevaring av ladning brutt?
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.
^ Atomkjernen består av protoner og nøytroner. Mellom hvilke par av partikler inne i kjernen virker kjernekrefter?
B. Proton-nøytron.
B. Nøytron-nøytron.
D. I alle parene A-B.
Proton- og nøytronmasser...
B. Omtrent det samme.
B. I forhold til 1:1836.
D. Omtrent lik null.
I kjernen til et kalsiumatom 20 40 Ca inneholder...
B. 40 nøytroner og 20 elektroner.
B. 20 protoner og 40 elektroner.
D. 20 protoner og 20 nøytroner.
^ I hvilken enhet er sporet av bevegelsen til en hurtigladet partikkel i en gass synlig (som følge av kondensering av overmettet damp på ioner)?
B. I skykammeret.
D. I et boblekammer.
^ Bestem det andre produktet X i en kjernefysisk reaksjon: 13 27 Al+ 0 1 n → 11 24 Na+X.
Atomkjernen består av Z-protoner og N nøytroner. Fri nøytronmasse m n , fritt proton m s . Hvilken av de følgende betingelsene er sanne for massen til kjernen? m g ?
B. m g
B. m g > Zm p + Nm n.
D. For stabile kjerner, tilstand A, for radioaktive kjerner, tilstand B.
Beregn ∆ m (massedefekt) til atomkjernen 3 7 Li (i amu).
A. ∆m ≈ 0,04. B. ∆m ≈ –0,04. B. ∆m =0. G. ∆m ≈ 0,2.
14 I hvilke enheter skal masseverdien uttrykkes når man beregner bindingsenergien til atomkjerner ved hjelp av formelen ∆E= ∆m*c 2 ?
A. I kilo.
B. I gram.
B. I atommasseenheter.
G. I joule.
^ Hva er den kritiske massen i en kjernefysisk uranreaktor?
B. Minimumsmasse av uran som det kan oppstå en kjedereaksjon ved i reaktoren.
B. Ytterligere masse uran introdusert i reaktoren for å starte den.
D. Ytterligere masse av stoff introdusert i reaktoren for å stoppe den i kritiske tilfeller.
^ Hvilken type radioaktiv stråling er farligst under ekstern bestråling av en person?
B. gammastråling.
B. Alfastråling.
^ Ekstra oppgave.
Alle kjemiske elementer eksisterer i form av to eller flere isotoper. Bestem forskjellen i sammensetningen av isotopkjerner 17 35 Cl og 17 37 Cl.
B. isotopen 17 37 Cl har 2 færre protoner i kjernen enn 17 35 Cl.
B. isotop 17 37 Cl har 2 flere nøytroner i kjernen enn 17 35 Cl.
G. isotop 17 37 Cl har 2 færre nøytroner i kjernen enn 17 35 Cl.
18. Under alfa-forfall av atomkjerner...
massetallet forblir det samme, og ladningen øker med én.
B. Massetallet synker med 4, men ladningen forblir uendret.
B. Massetallet synker med 4 og ladningen øker med 2.
D. Massetallet synker med 4, ladningen reduseres også med 2.
^ 19. Energi frigjøres eller absorberes i en kjernefysisk reaksjon. 3 6 Li+ 1 1 H→ 2 4 Ikke + 2 3 Ikke? Masser av kjerner og partikler i en. m. er henholdsvis like: m 3 6 Li=6,01513, m 1 1 Н= 1,00728, m 2 4 Ikke= 4,00260, m 2 3 Ikke =3,01602.
A. Absorbert fordi ∆m
B. skiller seg ut fordi ∆m
B. Absorbert pga ∆m> 0.
D. skiller seg ut fordi. ∆m> 0.
20. Når 5 10 B isotopen blir bombardert med nøytroner, blir en alfapartikkel kastet ut fra den resulterende kjernen. Bruk lovene for bevaring av massetall og ladning, samt det periodiske systemet for grunnstoffer, skriv ned kjernereaksjonen.
Test nr. 5
om emnet "Struktur av atomet og atomkjernen"
Alternativ 2
^ 1. Radioaktiv stråling kan omfatte...
A. Bare elektroner.
B. Kun nøytroner.
B. Kun alfa-partikler.
D. Beta-partikler, alfapartikler, gamma-kvanter.
^ 2. Ved hjelp av eksperimenter fant Rutherford ut at...
A. Den positive ladningen er jevnt fordelt over hele volumet av atomet.
B. Den positive ladningen er konsentrert i sentrum av atomet og opptar et veldig lite volum.
B. Et atom inneholder elektroner.
D. Et atom har ingen indre struktur.
^ Figuren viser diagrammer over fire atomer. Elektroner er avbildet som svarte prikker.
Kjernen inneholder følgende partikler:
B. Protoner og elektroner.
B. Protoner og nøytroner
D. Nøytroner og elektroner.
^ 5. Hva er ladningen til kjernen til et strontiumatom? 38 88 Sr?
A. 88 B. 38 C. 50 D. 126.
I hvilke av de følgende kjernereaksjonsligningene er loven om bevaring av massetall brutt?
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 Ikke
G. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 e
^ 6. Kjernekrefter som virker mellom nukleoner...
A. De overskrider gravitasjonskreftene mange ganger og virker mellom ladede partikler.
B. De er mange ganger overlegne alle typer krefter og virker på hvilken som helst avstand.
B. De er mange ganger overlegne alle andre typer krefter, men virker bare på avstander som kan sammenlignes med størrelsen på kjernen.
D. Mange ganger overskrider gravitasjonskrefter og virker mellom eventuelle partikler.
Proton- og elektronmasser...
B. Omtrent det samme.
B. Referert til som 1: 1836.
D. Omtrent lik null.
^ 8. I kjernen til et jernatom 26 56 Fe inneholder:
A. 26 nøytroner og 56 protoner.
B. 56 nøytroner og 26 protoner.
B. 26 protoner og 56 elektroner.
D. 26 protoner og 30 nøytroner.
I hvilken enhet er opprinnelsen til en ioniserende partikkel registrert ved forekomsten av en elektrisk strømpuls som et resultat av forekomsten av en selvutladning i en gass?
B. I en geigerteller.
B. I en scintillasjonsteller.
D. I et boblekammer.
^ Bestem det andre produktet av X-kjernereaksjonen:
A. Alfa-partikkel (2 4 He).
B. Neutron.
B. Proton.
G. Elektron.
^ 12. Atomkjernen består av Z-protoner og N nøytroner. Fri nøytronmasse m n , fri proton m s . Hvilken av de følgende betingelsene er sanne for atommassen m Jeg ?
A. m i Z*m p + m n; B. mi = Z*m p + N*m n
D. For stabile kjerner, tilstand A, for radioaktive - tilstand B.
^ 13. Beregn massedefekten (∆ m) i en. e.m. Atomkjerner 2 3 Ikke. Masser av partikler og kjerner, uttrykt i en. e.m., henholdsvis lik: m n = 1,00866; m s = 1,00728;
m Jeg = 3,01602.
A. ∆ m ≈ 0,072 B. ∆ m ≈ 0,0072 C. ∆ m ≈ -0,0072 D. ∆ m ≈ 0
^ 14. I hvilke enheter vil energiverdien fås ved beregning av bindingsenergien til atomkjerner ved bruk av formelen ∆E=m*c 2 ?
A. I elektronvolt (eV).
B. I megaelektronvolt (MeV)
B. I joule.
G.V a. spise.
^ 15. I en atomreaktor brukes stoffer som grafitt eller vann som såkalte moderatorer. Hva bør de bremse og hvorfor?
A. De bremser nøytroner for å redusere sannsynligheten for at en kjernefisjonsreaksjon inntreffer.
B. De bremser nøytroner for å øke sannsynligheten for at en kjernefysisk reaksjon inntreffer.
B. De bremser fisjonskjedereaksjonen for å gjøre det lettere å kontrollere reaktoren.
D. De bremser fragmenter av kjerner dannet som et resultat av fisjon av uran for praktisk bruk av deres kinetiske energi.
^ 16. Hvilken type radioaktiv stråling er farligst for intern bestråling av en person?
A. Betastråling.
B. Gammastråling.
B. Alfastråling.
D. Alle tre typer stråling: alfa, beta, gamma.
^ Ekstra oppgave.
Alle kjemiske elementer eksisterer i form av to eller flere isotoper. Bestem forskjellen i sammensetningen av kjernene til isotopene 10 20 Ne og 10 22 Ne
B. isotopen 10 20 Ne har 2 færre protoner i kjernen enn 10 22 Ne
B. isotop 10 22 Ne har 2 flere nøytroner i kjernen enn 10 20 Ne
G. isotopen 10 22 Ne har 2 færre nøytroner i kjernen enn 10 20 Ne
18. Under beta-nedbrytning av atomkjerner...
A. Massen til kjernen forblir praktisk talt uendret, så massetallet forblir det samme, men ladningen øker.
B. Massetallet øker med 1 og ladningen reduseres med 1.
B. Massetallet forblir det samme, men ladningen reduseres med 1.
D. Massetallet synker med 1, ladningen forblir uendret.
19. Frigjøres eller absorberes energi i kjernereaksjonen 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H? Massene av kjerner og partikler (i a.m.) er henholdsvis like: m 7 14 N = 14,00307, m 2 4 He = 4,00260, m 8 17 O = 16,99913, m 1 1 H = 1,00728.
A. Absorbert fordi ∆m
B. skiller seg ut fordi ∆m
B. Absorbert pga ∆m> 0.
D. skiller seg ut fordi. ∆m> 0.
20. Bruk lovene for bevaring av massetall og ladning, så vel som det periodiske systemet for grunnstoffer, skriv en kjernefysisk reaksjon som skjer under bombardementet av 5 11 B-alfa-partikler og er ledsaget av utslag av nøytroner
^ Svarskjema
til prøve nr. 5
om emnet "Struktur av atomet og atomkjernen"
Klasse ____________
Alternativ _______| № ass | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Svar | |||||||||||||||||||||
| № ytterligere oppgaver | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Svar | |||||||||||||||||||||
^ Svarskjema
til prøve nr. 5
om emnet "Struktur av atomet og atomkjernen"
Dato: ____________________20__
Klasse ____________
FULLT NAVN ________________________________
Alternativ _______| № ass | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Svar | |||||||||||||||||||||
| № ytterligere oppgaver | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Svar | |||||||||||||||||||||
^ Riktige svarkoder.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
|
| I 1 | I | G | I | B | G | EN | G | B | G | B | EN | B | EN | EN | B | I | I | G | B |
| AT 2 | G | B | I | I | B | I | I | EN | G | B | B | EN | EN | I | I | I | I | EN | B |
nr. 20 5 10 V + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 He (1 VALG)
5 11 V + 2 4 He→ 7 14 N + 1 1 N (ALTERNATIV 2)
^ Tabell for å konvertere antall riktige svar på obligatoriske spørsmål til en vurdering på en fempunktsskala.
Litt mer enn to måneder har gått siden slutten av den verste krigen i menneskehetens historie. Og så, 16. juli 1945, testet det amerikanske militæret den første atombomben, og enda en måned senere døde tusenvis av innbyggere i japanske byer i atominfernoet. Siden den gang har våpen, så vel som midlene for å levere dem til mål, blitt kontinuerlig forbedret i mer enn et halvt århundre.
Militæret ønsket å ha til disposisjon både superkraftig ammunisjon som kunne feie hele byer og land av kartet med ett slag, samt ultraliten ammunisjon som kunne få plass i en koffert. En slik innretning ville ta sabotasjekrigføring til et hittil enestående nivå. Både med den første og den andre oppsto uoverstigelige vanskeligheter. Den såkalte kritiske massen har skylden. Men først ting først.
En så eksplosiv kjerne
For å forstå driften av kjernefysiske enheter og forstå hva som kalles kritisk masse, la oss gå tilbake til skrivebordet vårt et øyeblikk. Fra skolens fysikkkurs husker vi en enkel regel: som ladninger frastøter. Der, på videregående skole, får elevene undervisning om strukturen til atomkjernen, bestående av nøytroner, nøytrale partikler og positivt ladede protoner. Men hvordan er dette mulig? Positivt ladede partikler er plassert så nær hverandre at frastøtende krefter må være kolossale.
Vitenskapen forstår ikke helt naturen til de intranukleære kreftene som holder protoner sammen, selv om egenskapene til disse kreftene har blitt studert ganske godt. Styrker virker kun på svært nære avstander. Men så snart protonene skilles litt i rommet, begynner frastøtende krefter å råde, og kjernen spres i stykker. Og kraften i en slik utvidelse er virkelig kolossal. Det er kjent at styrken til en voksen mann ikke ville være nok til å holde protonene til bare én enkelt kjerne av et blyatom.
Hva var Rutherford redd for?
Kjernene til de fleste grunnstoffene i det periodiske systemet er stabile. Men når atomnummeret øker, avtar denne stabiliteten. Det er et spørsmål om kjernestørrelse. La oss forestille oss kjernen til et uranatom, bestående av 238 nuklider, hvorav 92 er protoner. Ja, protoner er i nær kontakt med hverandre, og intranukleære krefter sementerer hele strukturen pålitelig. Men den frastøtende kraften til protoner som ligger i motsatte ender av kjernen blir merkbar.
Hva gjorde Rutherford? Han bombarderte atomer med nøytroner (et elektron ville ikke passere gjennom elektronskallet til et atom, og et positivt ladet proton ville ikke være i stand til å nærme seg kjernen på grunn av frastøtende krefter). Et nøytron som kommer inn i kjernen til et atom forårsaket dets fisjon. To separate halvdeler og to eller tre frie nøytroner spredt til sidene.
Dette forfallet, på grunn av de enorme hastighetene til de flygende partiklene, ble ledsaget av frigjøring av enorm energi. Det gikk et rykte om at Rutherford til og med ønsket å skjule oppdagelsen sin, redd for dens mulige konsekvenser for menneskeheten, men dette er mest sannsynlig ikke annet enn eventyr.
Så hva har masse å gjøre med det og hvorfor er det kritisk?
Hva så? Hvordan kan du bestråle nok radioaktivt metall med en strøm av protoner til å skape en kraftig eksplosjon? Og hva er kritisk masse? Det handler om de få frie elektronene som flyr ut av den "bombede" atomkjernen; de på sin side kolliderer med andre kjerner og forårsaker fisjon. Den såkalte vil begynne, men det vil være ekstremt vanskelig å lansere den.
La oss avklare skalaen. Hvis vi tar et eple på bordet vårt som kjernen til et atom, så for å forestille oss kjernen til et naboatom, må det samme eplet bæres og legges på bordet ikke engang i neste rom, men.. i neste hus. Nøytronet vil være på størrelse med en kirsebærgrop.
For at de frigjorte nøytronene ikke skal fly forgjeves utenfor uranblokken, og for at mer enn 50 % av dem skal finne et mål i form av atomkjerner, må denne barren ha passende dimensjoner. Dette er det som kalles den kritiske massen til uran - massen der mer enn halvparten av nøytronene som frigjøres kolliderer med andre kjerner.
Faktisk skjer dette på et øyeblikk. Antallet delte kjerner vokser som et snøskred, fragmentene deres suser i alle retninger med hastigheter som kan sammenlignes med lysets hastighet, og river opp luft, vann og et hvilket som helst annet medium. Fra deres kollisjoner med miljømolekyler, varmes eksplosjonsområdet øyeblikkelig opp til millioner av grader, og avgir varme som forbrenner alt innen noen få kilometer.
Den kraftig oppvarmede luften øker øyeblikkelig i størrelse, og skaper en kraftig sjokkbølge som blåser bygninger av fundamentene deres, velter og ødelegger alt i veien... dette er bildet av en atomeksplosjon.
Hvordan ser dette ut i praksis?
Utformingen av en atombombe er overraskende enkel. Det er to blokker av uran (eller en annen, massen av hver av dem er litt mindre enn den kritiske massen. En av barrene er laget i form av en kjegle, den andre er en kule med et kjegleformet hull. Som du kan gjette, når begge halvdelene kombineres, oppnås en ball som når en kritisk masse Dette er den enkleste standard atombomben De to halvdelene er forbundet med en konvensjonell TNT-ladning (kjeglen skytes inn i ballen).
Men du bør ikke tro at noen kan sette sammen en slik enhet "på knærne." Trikset er at uran, for at en bombe skal eksplodere fra det, må være veldig rent, tilstedeværelsen av urenheter er praktisk talt null.
Hvorfor det ikke finnes en atombombe på størrelse med en sigarettpakke
Alt av samme grunn. Den kritiske massen til den vanligste isotopen, uran 235, er omtrent 45 kg. Eksplosjonen av en slik mengde kjernebrensel er allerede en katastrofe. Og det er umulig å lage det med mindre av stoffet - det vil rett og slett ikke fungere.
Av samme grunn var det ikke mulig å lage superkraftige atomladninger fra uran eller andre radioaktive metaller. For at bomben skulle være veldig kraftig, ble den laget av et dusin barrer, som, når detonerende ladninger ble detonert, skyndte seg til midten og koblet sammen som appelsinskiver.
Men hva skjedde egentlig? Hvis to elementer av en eller annen grunn møttes en tusendels sekund tidligere enn de andre, ble den kritiske massen nådd raskere enn de andre "kom", og eksplosjonen skjedde ikke med kraften som designerne regnet med. Problemet med supermektige atomvåpen ble løst først med ankomsten av termonukleære våpen. Men det er en litt annen historie.
Hvordan fungerer et fredelig atom?
Et atomkraftverk er i hovedsak det samme som en atombombe. Bare i denne "bomben" er drivstoffstavene (drivstoffelementene) laget av uran plassert i en viss avstand fra hverandre, noe som ikke hindrer dem i å utveksle nøytron-"slag".
Drivstoffstaver er laget i form av stenger, mellom hvilke det er kontrollstaver laget av et materiale som absorberer nøytroner godt. Driftsprinsippet er enkelt:
- kontroll (absorberende) stenger introduseres i rommet mellom uranstavene - reaksjonen bremses eller stopper helt;
- kontrollstenger fjernes fra sonen - radioaktive elementer utveksler aktivt nøytroner, kjernereaksjonen fortsetter mer intenst.
Faktisk er resultatet den samme atombomben, der den kritiske massen oppnås så jevnt og er regulert så tydelig at det ikke fører til en eksplosjon, men bare til oppvarming av kjølevæsken.
Selv om, dessverre, som praksis viser, ikke alltid menneskelig geni er i stand til å dempe denne enorme og destruktive energien - energien fra forfallet av atomkjernen.
På neste årsdagen for badabum på Hiroshima og Nagasaki, bestemte jeg meg for å søke på Internett på spørsmål om atomvåpen, hvor hvorfor og hvordan de ble opprettet var av liten interesse for meg (jeg visste allerede) - jeg var mer interessert i hvordan 2 biter av plutonium smelter ikke, men lager et stort smell.
Hold øye med ingeniørene – de starter med en seeder og slutter med en atombombe.
Kjernefysikk er et av de mest kontroversielle områdene innen de ærverdige naturvitenskapene. Det er i dette området menneskeheten har kastet milliarder av dollar, pund, franc og rubler i et halvt århundre, som i lokomotivovnen til et sent tog. Nå ser ikke toget ut til å være sent lenger. De rasende flammene av brennende midler og arbeidstimer stilnet. La oss prøve å kort finne ut hva slags tog dette kalles "kjernefysikk".
Isotoper og radioaktivitet
Som du vet, er alt som eksisterer bygd opp av atomer. Atomer består på sin side av elektronskall, som lever i henhold til sine egne lover, og en kjerne. Klassisk kjemi er overhodet ikke interessert i kjernen og dens personlige liv. For henne er et atom dets elektroner og deres evne til å utveksle interaksjon. Og fra kjemikjernen trenger du bare massen for å beregne proporsjonene til reagensene. På sin side bryr ikke kjernefysikk seg om elektroner. Hun er interessert i en liten (100 tusen ganger mindre enn radiusen til elektronbaner) støvflekk inne i et atom, der nesten all massen er konsentrert.
Hva vet vi om kjernen? Ja, den består av positivt ladede protoner og nøytroner som ikke har noen elektrisk ladning. Dette er imidlertid ikke helt sant. Kjernen er ikke en håndfull kuler i to farger, som på illustrasjonen fra skoleboka. Det er helt andre lover på jobb her som kalles sterk interaksjon, som gjør både protoner og nøytroner til en slags søl som ikke kan skilles. Ladningen til dette rotet er imidlertid nøyaktig lik den totale ladningen til protonene som er inkludert i den, og massen faller nesten (jeg gjentar, nesten) sammen med massen til nøytronene og protonene som utgjør kjernen.
Forresten, antallet protoner til et ikke-ionisert atom faller alltid sammen med antallet elektroner som har æren av å omgi det. Men med nøytroner er ikke saken så enkel. Strengt tatt er nøytronenes oppgave å stabilisere kjernen, siden uten dem ville tilsvarende ladede protoner ikke komme overens selv på mikrosekunder.
La oss ta hydrogen for bestemthet. Det vanligste hydrogenet. Strukturen er latterlig enkel - ett proton omgitt av ett orbitalt elektron. Det er mye hydrogen i universet. Vi kan si at universet hovedsakelig består av hydrogen.
La oss nå forsiktig legge til et nøytron til protonet. Fra et kjemisk synspunkt er det fortsatt hydrogen. Men fra et fysikksynspunkt, ikke lenger. Etter å ha oppdaget to forskjellige hydrogener, ble fysikere bekymret og kom umiddelbart på ideen om å kalle vanlig hydrogenprotium, og hydrogen med et nøytron ved et proton - deuterium.
La oss være dristige og mate et annet nøytron til kjernen. Nå har vi et annet hydrogen, enda tyngre - tritium. Igjen, fra et kjemisk synspunkt er det praktisk talt ikke forskjellig fra de to andre hydrogenene (vel, bortsett fra at det nå reagerer litt mindre lett). Jeg vil advare deg med en gang - ingen anstrengelser, trusler eller overtalelse kan legge til et annet nøytron til tritiumkjernen. De lokale lovene er mye strengere enn menneskelige.
Så, protium, deuterium og tritium er isotoper av hydrogen. Atommassen deres er forskjellig, men ladningen er det ikke. Men det er ladningen til kjernen som bestemmer plasseringen i grunnstoffenes periodiske system. Det er derfor isotoper kalles isotoper. Oversatt fra gresk betyr det «oppta samme sted». Det velkjente tungtvannet er forresten det samme vannet, men med to deuteriumatomer i stedet for protium. Følgelig inneholder supertungt vann tritium i stedet for protium.
La oss ta en titt på hydrogenene våre igjen. Så... Protium er på plass, deuterium er på plass... Hvem andre er dette? Hvor ble det av tritiumet mitt og hvor kom helium-3 fra? I vårt tritium ble en av nøytronene tydelig lei seg, bestemte seg for å endre yrke og ble et proton. Ved å gjøre det genererte den et elektron og en antinøytrino. Tapet av tritium er selvfølgelig skuffende, men vi vet nå at det er ustabilt. Matingen av nøytroner var ikke forgjeves.
Så, som du forstår, er isotoper stabile og ustabile. Det er nok av stabile isotoper rundt oss, men gudskjelov er det praktisk talt ingen ustabile. Det vil si at de eksisterer, men i en så spredt tilstand at de må skaffes til bekostning av svært mye arbeid. For eksempel utgjør uran-235, som forårsaket så mye trøbbel for Oppenheimer, bare 0,7 % av naturlig uran.
Halvt liv
Alt er enkelt her. Halveringstiden til en ustabil isotop er tidsperioden hvor nøyaktig halvparten av atomene i isotopen vil forfalle og bli til noen andre atomer. Tritium, som allerede er kjent for oss, har en halveringstid på 12,32 år. Dette er en ganske kortvarig isotop, men sammenlignet med francium-223, som har en halveringstid på 22,3 minutter, vil tritium virke som en gråskjegget eldstemann.
Ingen makroskopiske eksterne faktorer (trykk, temperatur, fuktighet, stemningen til forskeren, antall tildelinger, plasseringen av stjerner) påvirker halveringstiden. Kvantemekanikk er ufølsom for slikt tull.
Populær eksplosjonsmekanikk
Essensen av enhver eksplosjon er den raske frigjøringen av energi som tidligere var i en ikke-fri, bundet tilstand. Den frigjorte energien forsvinner, overveiende til varme (den kinetiske energien til uordnet bevegelse av molekyler), en sjokkbølge (her er det også bevegelse, men allerede ordnet, i retning fra sentrum av eksplosjonen) og stråling - fra myk infrarød til hard kortbølgekvanta.
I en kjemisk eksplosjon er alt relativt enkelt. En energetisk gunstig reaksjon oppstår når visse stoffer interagerer med hverandre. Bare de øvre elektroniske lagene til noen atomer deltar i reaksjonen, og interaksjonen går ikke dypere. Det er lett å gjette at det er mye mer skjult energi i ethvert stoff. Men uansett betingelsene for eksperimentet, uansett hvor vellykkede reagensene vi velger, uansett hvordan vi sjekker proporsjonene, vil ikke kjemien la oss gå dypere inn i atomet. En kjemisk eksplosjon er et primitivt fenomen, ineffektivt og fra et fysikksynspunkt usømmelig svakt.
Kjernefysisk kjedereaksjon lar deg grave litt dypere, og bringe i spill ikke bare elektroner, men også kjerner. Dette høres virkelig viktig ut, kanskje bare for en fysiker, men for resten vil jeg gi en enkel analogi. Se for deg en gigantisk vekt med elektrifiserte støvpartikler som flagrer rundt seg i en avstand på flere kilometer. Dette er et atom, "vekten" er kjernen, og "støvpartiklene" er elektroner. Uansett hva du gjør med disse støvflekkene, vil de ikke gi enda en hundredel av energien som kan oppnås fra en tung vekt. Spesielt hvis den av en eller annen grunn deler seg, og massive fragmenter spres i forskjellige retninger med stor hastighet.
En atomeksplosjon involverer bindingspotensialet til de tunge partiklene som utgjør kjernen. Men dette er langt fra grensen: det er mye mer skjult energi i materien. Og navnet på denne energien er masse. Igjen, dette høres litt uvanlig ut for en ikke-fysiker, men masse er energi, bare ekstremt konsentrert. Hver partikkel: elektron, proton, nøytron - alle disse er små klumper av utrolig tett energi, som foreløpig forblir i ro. Du kjenner sikkert til formelen E=mc2, som er så elsket av spøkeskribenter, veggavisredaktører og skoleklasseromsdekoratører. Det er nettopp dette det handler om, og det er det som utgir masse som noe annet enn en form for energi. Og det gir også svaret på spørsmålet om hvor mye energi som maksimalt kan oppnås fra et stoff.
Prosessen med fullstendig overgang av masse, det vil si bundet energi, til fri energi kalles utslettelse. Fra den latinske roten "nihil" er det lett å gjette essensen - dette er transformasjonen til "ingenting", eller rettere sagt, til stråling. For klarhetens skyld, her er noen tall.
Eksplosjon TNT-ekvivalent energi (J)
F-1 granat 60 gram 2,50*105
Bombe falt på Hiroshima 16 kilotonn 6,70*1013
Utslettelse av ett gram materie 21,5 kilotonn 8,99*1013
Ett gram av en hvilken som helst materie (bare masse er viktig) ved utslettelse vil gi mer energi enn en liten atombombe. Sammenlignet med slike avkastninger, virker øvelsene til fysikere på kjernefysisk fisjon, og enda mer eksperimentene til kjemikere med aktive reagenser, latterlige.
For utslettelse er det nødvendig med passende forhold, nemlig kontakt mellom materie og antimaterie. Og, i motsetning til «rødt kvikksølv» eller «de vises stein», er antimaterie mer enn ekte - for partiklene som er kjent for oss, eksisterer lignende antipartikler og har blitt studert, og eksperimenter på utslettelse av "elektron + positron"-par har blitt gjentatte ganger utført i praksis. Men for å lage et utslettelsesvåpen, er det nødvendig å samle sammen et visst betydelig volum av antipartikler, og også å begrense dem fra kontakt med noe som helst opp til faktisk kampbruk. Dette, pah-pah, er fortsatt et fjernt perspektiv.
Massefeil
Det siste spørsmålet som gjenstår å forstå angående mekanikken til en eksplosjon er hvor energien kommer fra: den samme som frigjøres under kjedereaksjonen? Her var det igjen en del masse involvert. Eller rettere sagt, uten dens "defekt".
Fram til forrige århundre trodde forskerne at masse er bevart under alle forhold, og de hadde rett på sin egen måte. Så vi senket metallet ned i syren - det begynte å boble i retorten og gassbobler fosset oppover gjennom væskens tykkelse. Men hvis du veier reagensene før og etter reaksjonen, uten å glemme gassen som frigjøres, konvergerer massen. Og slik vil det alltid være så lenge vi opererer med kilo, meter og kjemiske reaksjoner.
Men så snart du fordyper deg i feltet mikropartikler, presenterer massen også en overraskelse. Det viser seg at massen til et atom kanskje ikke er nøyaktig lik summen av massene til partiklene som utgjør det. Når en tung kjerne (for eksempel uran) deles i deler, veier "fragmentene" mindre totalt enn kjernen før fisjon. "Forskjellen", også kalt massedefekten, er ansvarlig for bindingsenergiene i kjernen. Og det er denne forskjellen som går inn i varme og stråling under eksplosjonen, alt etter den samme enkle formelen: E=mc2.
Dette er interessant: det har seg slik at det er energetisk fordelaktig å dele tunge kjerner og kombinere lette. Den første mekanismen fungerer i en uran- eller plutoniumbombe, den andre i en hydrogenbombe. Men du kan ikke lage en bombe av jern, uansett hvor hardt du prøver: den er midt i denne linjen.
Atombombe
Etter den historiske sekvensen, la oss først vurdere atombomber og gjennomføre vårt lille "Manhattan-prosjekt". Jeg vil ikke kjede deg med kjedelige metoder for isotopseparasjon og matematiske beregninger av teorien om fisjonskjedereaksjon. Du og jeg har uran, plutonium, andre materialer, monteringsanvisninger og den nødvendige mengden vitenskapelig nysgjerrighet.
Alle isotoper av uran er ustabile i en eller annen grad. Men uran-235 er i en særstilling. Under det spontane forfallet av uran-235-kjernen (også kalt alfa-forfall), dannes to fragmenter (kjerner av andre, mye lettere grunnstoffer) og flere nøytroner (vanligvis 2-3). Hvis nøytronet som dannes under forfallet treffer kjernen til et annet uranatom, vil det være en vanlig elastisk kollisjon, nøytronet vil sprette av og fortsette jakten på eventyr. Men etter en tid vil det kaste bort energi (perfekt elastiske kollisjoner forekommer bare blant sfæriske hester i et vakuum), og den neste kjernen vil vise seg å være en felle - nøytronet vil bli absorbert av det. Forresten, fysikere kaller en slik nøytron termisk.
Se på listen over kjente isotoper av uran. Blant dem er det ingen isotop med atommasse 236. Vet du hvorfor? En slik kjerne lever i en brøkdel av mikrosekunder og forfaller deretter, og frigjør en enorm mengde energi. Dette kalles tvungen forfall. Det er på en eller annen måte vanskelig å kalle en isotop med en slik levetid for en isotop.
Energien som frigjøres under nedbrytningen av uran-235-kjernen er den kinetiske energien til fragmenter og nøytroner. Hvis du beregner den totale massen av forfallsproduktene til urankjernen, og deretter sammenligner den med massen til den opprinnelige kjernen, viser det seg at disse massene ikke er sammenfallende - den opprinnelige kjernen var større. Dette fenomenet kalles en massedefekt, og forklaringen er inneholdt i formelen E0=mс2. Den kinetiske energien til fragmentene delt på kvadratet av lyshastigheten vil være nøyaktig lik masseforskjellen. Fragmentene bremses ned i krystallgitteret av uran, og genererer røntgenstråling, og nøytronene, etter å ha reist, absorberes av andre urankjerner eller forlater uranstøpingen, der alle hendelser finner sted.
Hvis uranstøpingen er liten, vil de fleste nøytronene forlate den uten å ha tid til å bremse. Men hvis hver handling av tvungen forfall forårsaker minst en lignende handling på grunn av det utsendte nøytronet, er dette allerede en selvopprettholdende kjedereaksjon av fisjon.
Følgelig, hvis du øker størrelsen på støpingen, vil et økende antall nøytroner forårsake tvungen fisjon. Og på et tidspunkt vil kjedereaksjonen bli ukontrollerbar. Men dette er langt fra en atomeksplosjon. Bare en veldig "skitten" termisk eksplosjon, som vil frigjøre et stort antall veldig aktive og giftige isotoper.
Et helt logisk spørsmål er: hvor mye uran-235 skal til for at fisjonskjedereaksjonen skal bli et snøskred? Det er faktisk ikke så enkelt. Egenskapene til det spaltbare materialet og volum-til-overflate-forholdet spiller en rolle her. Se for deg et tonn uran-235 (jeg tar en reservasjon med en gang - dette er mye), som eksisterer i form av en tynn og veldig lang ledning. Ja, et nøytron som flyr langs den, vil selvfølgelig forårsake en handling av tvungen forfall. Men andelen nøytroner som flyr langs ledningen vil være så liten at det rett og slett er latterlig å snakke om en selvopprettholdende kjedereaksjon.
Derfor ble vi enige om å beregne den kritiske massen for en sfærisk støping. For rent uran-235 er den kritiske massen 50 kg (dette er en ball med en radius på 9 cm). Du forstår at en slik ball ikke vil vare lenge, men heller ikke de som kaster den.
Hvis en kule med mindre masse er omgitt av en nøytronreflektor (beryllium er perfekt for det), og et nøytronmoderatormateriale (vann, tungtvann, grafitt, samme beryllium) introduseres i ballen, vil den kritiske massen bli mye mindre. Ved å bruke de mest effektive reflektorene og nøytronmoderatorene kan den kritiske massen økes til 250 gram. Dette kan for eksempel oppnås ved å plassere en mettet løsning av uran-235 salt i tungt vann i en sfærisk berylliumbeholder.
Kritisk masse eksisterer ikke bare for uran-235. Det finnes også en rekke isotoper som er i stand til fisjonskjedereaksjoner. Hovedbetingelsen er at nedbrytningsproduktene til en kjerne må forårsake forfallshandlinger av andre kjerner.
Så vi har to halvkuleformede uranstøpegods som veier 40 kg hver. Så lenge de holder seg på respektfull avstand fra hverandre, vil alt være rolig. Hva om du begynner å bevege dem sakte? I motsetning til hva mange tror, vil ingenting sopplignende skje. Det er bare at bitene vil begynne å varmes opp når de kommer nærmere, og så, hvis du ikke tar til fornuft i tide, vil de bli rødglødende. Til slutt vil de ganske enkelt smelte og spre seg, og alle som flyttet støpene vil dø av nøytronbestråling. Og de som fulgte interessert med på dette, limer finnene sammen.
Hva om det er raskere? De vil smelte raskere. Enda raskere? De vil smelte enda raskere. Kul? Selv om du legger det i flytende helium, vil det ikke gjøre noe godt. Hva om du skyter en brikke på en annen? OM! Sannhetens øyeblikk. Vi har nettopp kommet opp med en urankanondesign. Vi har imidlertid ikke noe spesielt å være stolte av; dette opplegget er det enkleste og mest kunstløse av alle mulige. Ja, og halvkulene må forlates. De, som praksis har vist, har ikke en tendens til å henge sammen jevnt. Den minste forvrengningen - og du får en veldig dyr "frut", hvoretter du må rydde opp i lang tid.
Det er bedre å lage et kort, tykkvegget rør av uran-235 med en masse på 30-40 kg, til åpningen som vi vil feste en høyfast ståltønne av samme kaliber, ladet med en sylinder av samme uran med omtrent samme masse. La oss omgi uranmålet med en berylliumnøytronreflektor. Nå, hvis du skyter en "kule" av uran mot et "uran"-rør, vil "røret" være fullt. Det vil si at det blir en atomeksplosjon. Du trenger bare å skyte seriøst, slik at munningshastigheten til uranprosjektilet er minst 1 km/s. Ellers blir det en fjert igjen, men høyere. Faktum er at når prosjektilet og målet nærmer seg hverandre, varmes de opp så mye at de begynner å intensivt fordampe fra overflaten, bremset ned av motgående gassstrømmer. Dessuten, hvis hastigheten er utilstrekkelig, er det en sjanse for at prosjektilet rett og slett ikke når målet, men vil fordampe underveis.
Å akselerere et emne som veier flere titalls kilo til en slik hastighet, og over en avstand på et par meter, er en ekstremt vanskelig oppgave. Derfor trenger du ikke krutt, men et kraftig eksplosiv som er i stand til å skape riktig gasstrykk i løpet på veldig kort tid. Og du trenger ikke å rense tønnen senere, ikke bekymre deg.
Mk-I "Little Boy"-bomben som ble sluppet på Hiroshima ble designet nøyaktig i henhold til kanondesignet.
Det er selvfølgelig små detaljer som vi ikke tok hensyn til i prosjektet vårt, men vi syndet ikke i det hele tatt mot selve prinsippet.
Så. Vi detonerte uranbomben. Vi beundret soppen. Nå skal vi eksplodere plutoniumet. Bare ikke dra et mål, et prosjektil, en tønne og annet søppel hit. Dette trikset fungerer ikke med plutonium. Selv om vi skyter en brikke inn i en annen med en hastighet på 5 km/s, vil en superkritisk montering fortsatt ikke fungere. Plutonium-239 vil ha tid til å varme opp, fordampe og ødelegge alt rundt. Dens kritiske masse er litt mer enn 6 kg. Du kan forestille deg hvor mye mer aktiv den er når det gjelder å fange nøytroner.
Plutonium er et uvanlig metall. Avhengig av temperatur, trykk og urenheter finnes det i seks modifikasjoner av krystallgitteret. Det er til og med modifikasjoner der den krymper når den varmes opp. Overganger fra en fase til en annen kan skje brått, mens tettheten av plutonium kan endres med 25% La oss, som alle vanlige helter, ta en omvei. La oss huske at den kritiske massen bestemmes, spesielt av forholdet mellom volum og overflate. Ok, vi har en kule med subkritisk masse som har et minimum overflateareal for et gitt volum. La oss si 6 kilo. Kulens radius er 4,5 cm Hva om denne ballen er komprimert fra alle sider? Tettheten vil øke proporsjonalt med kuben av lineær kompresjon, og overflaten vil avta proporsjonalt med kvadratet. Og dette er hva som skjer: plutoniumatomene vil bli tettere, det vil si at stoppavstanden til nøytronet vil bli forkortet, noe som betyr at sannsynligheten for absorpsjonen vil øke. Men igjen, det vil fortsatt ikke fungere å komprimere med den nødvendige hastigheten (ca. 10 km/s). Blindvei? Men nei.
Ved 300°C begynner den såkalte deltafasen – den løseste. Hvis plutonium dopes med gallium, varmes opp til denne temperaturen og deretter sakte avkjøles, kan deltafasen eksistere ved romtemperatur. Men det blir ikke stabilt. Ved høyt trykk (i størrelsesorden titusenvis av atmosfærer) vil det skje en brå overgang til en svært tett alfafase.
La oss plassere en plutoniumkule i en stor (diameter 23 cm) og tung (120 kg) hul kule laget av uran-238. Ikke bekymre deg, den har ikke kritisk masse. Men det reflekterer raske nøytroner perfekt. Og de vil fortsatt være nyttige for oss Tror du de sprengte den? Uansett hvordan det er. Plutonium er en jævla lunefull enhet. Vi må jobbe litt mer. La oss lage to halvkuler av plutonium i deltafasen. La oss danne et sfærisk hulrom i midten. Og i dette hulrommet vil vi plassere kvintessensen av atomvåpentanken - nøytroninitiatoren. Dette er en liten hul berylliumkule med en diameter på 20 og en tykkelse på 6 mm. Inni den er en annen berylliumkule med en diameter på 8 mm. Det er dype spor på den indre overflaten av hulkulen. Det hele er sjenerøst nikkelbelagt og gullbelagt. Polonium-210 er plassert i sporene, som aktivt avgir alfapartikler. Dette er et slikt mirakel av teknologi. Hvordan virker det? Bare et sekund. Vi har fortsatt noen ting å gjøre.
La oss omgi uranskallet med et annet, laget av en aluminiumslegering med bor. Tykkelsen er ca 13 cm. Totalt har vår "matryoshka" nå vokst opp til en halv meter tykk og har gått opp i vekt fra 6 til 250 kg.
La oss nå lage implosjons "linser". Tenk deg en fotball. Klassisk, bestående av 20 sekskanter og 12 femkanter. Vi vil lage en slik "ball" av eksplosiver, og hvert av segmentene vil være utstyrt med flere elektriske detonatorer. Tykkelsen på segmentet er omtrent en halv meter. Det er også mange finesser i produksjonen av "linser", men hvis vi beskriver dem, vil det ikke være nok plass til alt annet. Det viktigste er maksimal objektivnøyaktighet. Den minste feil - og hele forsamlingen vil bli knust av sprengningsaksjonen til eksplosivet. Den komplette enheten har nå en diameter på omtrent halvannen meter og en masse på 2,5 tonn. Designet fullføres av en elektrisk krets som har som oppgave å detonere detonatorene i en strengt definert sekvens med mikrosekunders nøyaktighet.
Alle. Foran oss er en plutoniumimplosjonskrets.
Og nå - den mest interessante delen.
Under detonasjon komprimerer eksplosivet sammenstillingen, og "skyveren" av aluminium forhindrer at forfallet av eksplosjonsbølgen sprer seg innover etter fronten. Etter å ha passert uran med en mothastighet på ca. 12 km/s, vil kompresjonsbølgen komprimere både den og plutoniumet. Plutonium ved trykk i kompresjonssonen i størrelsesorden hundretusenvis av atmosfærer (effekten av å fokusere eksplosjonsfronten) vil hoppe brått inn i alfafasen. På 40 mikrosekunder vil uran-plutonium-sammenstillingen som er beskrevet her ikke bare bli superkritisk, men flere ganger større enn den kritiske massen.
Etter å ha nådd initiatoren, vil kompresjonsbølgen knuse hele strukturen til en monolitt. I dette tilfellet vil gull-nikkel-isolasjonen bli ødelagt, polonium-210 vil trenge inn i beryllium på grunn av diffusjon, alfa-partiklene som sendes ut av det og passerer gjennom beryllium vil forårsake en kolossal strøm av nøytroner, og utløse en fisjonskjedereaksjon gjennom hele volum av plutonium, og strømmen av "raske" nøytroner generert forfallet av plutonium vil forårsake en eksplosjon av uran-238. Ferdig, vi har dyrket en annen sopp, ikke verre enn den første.
Et eksempel på en plutoniumimplosjonsdesign er Mk-III "Fatman"-bomben som ble sluppet på Nagasaki.
Alle triksene beskrevet her er nødvendige for å tvinge maksimalt antall plutoniumatomkjerner til å reagere. Hovedoppgaven er å holde ladningen i en kompakt tilstand så lenge som mulig og forhindre at den sprer seg inn i en plasmasky, der kjedereaksjonen vil stoppe umiddelbart. Her er hvert mikrosekund som er vunnet en økning på ett eller to kilotonn kraft.
Termonukleær bombe
Det er en vanlig oppfatning at en atombombe er en sikring for en termonukleær. I prinsippet er alt mye mer komplisert, men essensen fanges riktig. Våpen basert på prinsippene for termonukleær fusjon har gjort det mulig å oppnå en slik eksplosjonskraft som under ingen omstendigheter kan oppnås ved en fisjonskjedereaksjon. Men den eneste energikilden så langt som kan "tenne" en termonukleær fusjonsreaksjon er en atomeksplosjon.
Husker du hvordan du og jeg "matet" hydrogenkjernen med nøytroner? Så hvis du prøver å koble to protoner sammen på denne måten, vil ingenting fungere. Protonene vil ikke holde seg sammen på grunn av Coulomb frastøtende krefter. Enten vil de fly fra hverandre, eller så vil det oppstå beta-forfall og ett av protonene blir et nøytron. Men helium-3 finnes. Takket være et enkelt nøytron, som gjør protoner mer kompatible med hverandre.
I prinsippet, basert på sammensetningen av helium-3-kjernen, kan vi konkludere med at det er fullt mulig å sette sammen en helium-3-kjerne fra kjernene til protium og deuterium. Teoretisk sett er dette sant, men en slik reaksjon kan bare skje i dypet av store og varme stjerner. Dessuten, i dypet av stjerner, kan helium samles selv fra protoner alene, og gjøre noen av dem til nøytroner. Men dette er allerede spørsmål om astrofysikk, og alternativet som er oppnåelig for oss er å slå sammen to deuteriumkjerner eller deuterium og tritium.
Kjernefysisk fusjon krever en veldig spesifikk betingelse. Dette er en veldig høy (109 K) temperatur. Bare med en gjennomsnittlig kinetisk energi av kjerner på 100 kiloelektronvolt er de i stand til å nærme seg hverandre til en avstand der den sterke interaksjonen begynner å overvinne Coulomb-interaksjonen.
Et helt legitimt spørsmål - hvorfor gjerde denne hagen? Faktum er at under fusjonen av lette kjerner frigjøres energi i størrelsesorden 20 MeV. Selvfølgelig, med tvungen fisjon av en urankjerne, er denne energien 10 ganger større, men det er ett forbehold - med de største triksene er en uranladning med en kraft på enda 1 megaton umulig. Selv for en mer avansert plutoniumbombe er den oppnåelige energiproduksjonen ikke mer enn 7-8 kilotonn per kilo plutonium (med et teoretisk maksimum på 18 kilotonn). Og ikke glem at en urankjerne er nesten 60 ganger tyngre enn to deuteriumkjerner. Hvis vi vurderer det spesifikke energiutbyttet, er termonukleær fusjon merkbart foran.
Og en ting til - for en termonukleær ladning er det ingen begrensninger på den kritiske massen. Han har det rett og slett ikke. Det er imidlertid andre restriksjoner, men mer om dem nedenfor.
I prinsippet er det ganske enkelt å starte en termonukleær reaksjon som en kilde til nøytroner. Det er mye vanskeligere å lansere det som en energikilde. Her står vi overfor det såkalte Lawson-kriteriet, som bestemmer energifordelen ved en termonukleær reaksjon. Hvis produktet av tettheten til de reagerende kjernene og tiden for deres retensjon ved fusjonsavstanden er større enn 1014 sek/cm3, vil energien som gis av fusjonen overstige energien som er introdusert i systemet.
Alle termonukleære programmer var dedikert til å oppnå dette kriteriet.
Den første termonukleære bombedesignen som kom til Edward Teller, var noe som ligner på et forsøk på å lage en plutoniumbombe ved å bruke en kanondesign. Det vil si at alt ser ut til å være riktig, men det fungerer ikke. Enheten til den "klassiske super" - flytende deuterium som en plutoniumbombe er nedsenket i - var faktisk klassisk, men langt fra super.
Ideen om å eksplodere en atomladning i flytende deuterium viste seg å være en blindvei helt fra begynnelsen. Under slike forhold kunne en mer eller mindre produksjon av termonukleær fusjonsenergi oppnås ved å detonere en atomladning med en kraft på 500 kt. Og det var ikke nødvendig å snakke om å oppnå Lawsons kriterium i det hele tatt.
Ideen om å omgi en kjernefysisk utløserladning med lag av termonukleært brensel ispedd uran-238 som varmeisolator og eksplosjonsforsterker oppstod også for Teller. Og ikke bare ham. De første sovjetiske termonukleære bombene ble bygget nøyaktig i henhold til dette designet. Prinsippet var ganske enkelt: en kjernefysisk ladning varmer opp det termonukleære brenselet til temperaturen der fusjon begynner, og raske nøytroner generert under fusjon eksploderer lag av uran-238. Begrensningen forble imidlertid den samme - ved temperaturen som en kjernefysisk utløser kunne gi, kunne bare en blanding av billig deuterium og utrolig dyrt tritium gå inn i fusjonsreaksjonen.
Teller kom senere på ideen om å bruke forbindelsen litium-6 deuteride. Denne løsningen gjorde det mulig å forlate dyre og upraktiske kryogene beholdere med flytende deuterium. I tillegg, som et resultat av bestråling med nøytroner, ble litium-6 omdannet til helium og tritium, som gikk inn i en fusjonsreaksjon med deuterium.
Ulempen med denne ordningen var den begrensede kraften - bare en begrenset del av det termonukleære brenselet rundt utløseren hadde tid til å gå inn i fusjonsreaksjonen. Resten, uansett hvor mye det var, gikk i vasken. Maksimal ladeeffekt oppnådd ved bruk av "puff" var 720 kt (British Orange Herald bombe). Tilsynelatende var dette "taket".
Vi har allerede snakket om historien til utviklingen av Teller-Ulam-ordningen. La oss nå forstå de tekniske detaljene til denne kretsen, som også kalles "to-trinns" eller "strålingskompresjonskrets".
Vår oppgave er å varme det termonukleære brenselet og holde det i et visst volum for å oppfylle Lawson-kriteriet. Bortsett fra amerikanske øvelser med kryogene skjemaer, la oss ta litium-6 deuterid, som allerede er kjent for oss, som termonukleært brensel.
Vi vil velge uran-238 som beholdermateriale for den termonukleære ladningen. Beholderen er sylindrisk i form. Langs beholderens akse, inne i den, vil vi plassere en sylindrisk stang laget av uran-235, som har en subkritisk masse.
Merk: nøytronbomben, som var oppsiktsvekkende i sin tid, er det samme Teller-Ulam-skjemaet, men uten uranstang langs beholderens akse. Poenget er å gi en kraftig strøm av raske nøytroner, men å forhindre utbrenning av alt termonukleært brensel, som vil forbruke nøytroner.
Vi vil fylle den gjenværende ledige plassen i beholderen med litium-6 deuterid. La oss plassere en beholder i den ene enden av kroppen til den fremtidige bomben (dette vil være det andre trinnet), og i den andre enden vil vi montere en vanlig plutoniumladning med en kraft på flere kilotonn (det første trinnet). Mellom kjernefysiske og termonukleære ladninger vil vi installere en skillevegg laget av uran-238, som vil forhindre for tidlig oppvarming av litium-6 deuterid. La oss fylle den gjenværende ledige plassen inne i bombekroppen med solid polymer. I prinsippet er den termonukleære bomben klar.
Når en atomladning detoneres, frigjøres 80 % av energien i form av røntgenstråler. Spredningshastigheten er mye høyere enn spredningshastigheten til plutoniumfisjonsfragmenter. Etter hundredeler av et mikrosekund fordamper uranskjermen, og røntgenstråling begynner å bli intensivt absorbert av uranet i den termonukleære ladningsbeholderen. Som et resultat av såkalt ablasjon (fjerning av masse fra overflaten av en oppvarmet beholder) oppstår en reaktiv kraft som komprimerer beholderen 10 ganger. Denne effekten kalles strålingsimplosjon eller strålingskompresjon. I dette tilfellet øker tettheten til termonukleært brensel 1000 ganger. Som et resultat av det kolossale trykket av strålingsimplosjon, komprimeres også den sentrale stangen av uran-235, men i mindre grad, og går inn i en superkritisk tilstand. På dette tidspunktet blir den termonukleære enheten bombardert av raske nøytroner fra en atomeksplosjon. Etter å ha passert gjennom litium-6 deuterid, bremser de ned og blir intensivt absorbert av uranstaven.
En fisjonskjedereaksjon begynner i stangen, som raskt fører til en atomeksplosjon inne i beholderen. Siden litium-6 deuterid utsettes for ablativ kompresjon fra utsiden og trykket fra en atomeksplosjon fra innsiden, øker dens tetthet og temperatur enda mer. Dette øyeblikket er begynnelsen på syntesereaksjonen. Det videre vedlikeholdet avgjøres av hvor lenge beholderen vil beholde termonukleære prosesser inne i seg selv, og forhindrer at termisk energi slipper ut utenfor. Det er nettopp dette som avgjør oppnåelsen av Lawson-kriteriet. Det termonukleære brenselet brenner ut fra sylinderaksen til kanten. Temperaturen på forbrenningsfronten når 300 millioner Kelvin. Den fulle utviklingen av eksplosjonen til det termonukleære brenselet brenner ut og beholderen er ødelagt tar et par hundre nanosekunder – tjue millioner ganger raskere enn det tok deg å lese denne setningen.
Pålitelig drift av totrinnskretsen avhenger av den nøyaktige monteringen av beholderen og forebygging av for tidlig oppvarming.
Kraften til den termonukleære ladningen for Teller-Ulam-kretsen avhenger av kraften til den nukleære utløseren, som sikrer effektiv kompresjon ved stråling. Nå er det imidlertid flertrinnskretser der energien fra forrige trinn brukes til å komprimere den neste. Et eksempel på en tre-trinns ordning er den allerede nevnte 100-megaton "Kuzkina-moren".
Laster inn...