Qiziqarli yadro fizikasi (13 ta fotosurat). Yadro hujumi: yadro zaryadining kritik massasi uran yadro reaktoridagi kritik massa
Ta'riflab bo'lmaydigan qisqa vaqt ichida gigajoul energiyani chiqarishga qodir sirli qurilma dahshatli romantika bilan o'ralgan. Aytishga hojat yo'q, butun dunyoda yadro quroli bo'yicha ishlar chuqur tasniflangan va bombaning o'zi ko'plab afsonalar va afsonalar bilan to'lib ketgan. Keling, ular bilan tartibda shug'ullanishga harakat qilaylik.
Andrey Suvorov
Hech narsa atom bombasi kabi qiziqish uyg'otmaydi
1945 yil avgust. Ernest Orlando Lourens atom bombasi laboratoriyasida
1954 yil Bikini atolidagi portlashdan sakkiz yil o'tib, yapon olimlari mahalliy suvlarda tutilgan baliqlarda yuqori radiatsiya darajasini aniqladilar.
Kritik massa
Yadro zanjiri reaktsiyasi boshlanishi uchun ma'lum bir tanqidiy massaga erishish kerakligi haqida hamma eshitgan. Ammo haqiqiy yadroviy portlash sodir bo'lishi uchun faqat kritik massaning o'zi etarli emas - reaktsiya sezilarli energiya ajralib chiqish vaqtiga qadar deyarli bir zumda to'xtaydi. To'liq miqyosda bir necha kiloton yoki o'nlab kiloton, ikki yoki uch yoki yaxshiroq to'rt yoki beshta portlash uchun bir vaqtning o'zida tanqidiy massa to'planishi kerak.
Ko'rinib turibdiki, siz uran yoki plutoniydan ikki yoki undan ortiq qismlarni yasashingiz va ularni kerakli vaqtda ulashingiz kerak. Adolat uchun shuni aytish kerakki, fiziklar yadroviy bomba yasashda ham xuddi shunday fikrda edilar. Ammo haqiqat o'z tuzatishlarini kiritdi.
Gap shundaki, agar bizda juda toza uran-235 yoki plutoniy-239 bo'lsa, biz buni qila olardik, ammo olimlar haqiqiy metallar bilan shug'ullanishlari kerak edi. Tabiiy uranni boyitish orqali siz 90% uran-235 va 10% uran-238 ni o'z ichiga olgan aralashmani yaratishingiz mumkin; uran-238 ning qolgan qismidan xalos bo'lishga urinishlar ushbu materialning narxining juda tez ko'tarilishiga olib keladi (u yuqori deyiladi). boyitilgan uran). Yadro reaktorida uran-238 dan uran-235 ning parchalanishi natijasida hosil bo'lgan plutoniy-239, albatta, plutoniy-240 aralashmasini o'z ichiga oladi.
Uran235 va plutoniy239 izotoplari juft-toq deb ataladi, chunki ularning atomlari yadrolarida juft sonli proton (uran uchun 92 va plutoniy uchun 94) va toq sonli neytronlar (mos ravishda 143 va 145) mavjud. Og'ir elementlarning barcha juft toq yadrolari umumiy xususiyatga ega: ular kamdan-kam hollarda o'z-o'zidan bo'linadi (olimlar: "o'z-o'zidan"), lekin neytron yadroga urilganda oson bo'linadi.
Uran-238 va plutoniy-240 juft-juftdir. Ular, aksincha, bo'linuvchi yadrolardan uchib chiqadigan past va o'rtacha energiyali neytronlar bilan deyarli bo'linmaydilar, lekin ular o'z-o'zidan yuzlab yoki o'n minglab marta tez-tez bo'linib, neytron fonini hosil qiladi. Bu fon yadroviy qurol yaratishni juda qiyinlashtiradi, chunki u zaryadning ikki qismi uchrashgunga qadar reaksiyaning erta boshlanishiga olib keladi. Shu sababli, portlash uchun tayyorlangan qurilmada tanqidiy massaning qismlari bir-biridan etarlicha uzoqda joylashgan bo'lishi va yuqori tezlikda ulanishi kerak.
To'p bombasi
Biroq, 1945 yil 6 avgustda Xirosimaga tashlangan bomba aynan yuqorida tavsiflangan sxema bo'yicha qilingan. Uning ikkita qismi, nishon va o'q yuqori darajada boyitilgan urandan qilingan. Nishon diametri 16 sm va balandligi 16 sm bo'lgan silindr edi.Uning markazida diametri 10 sm bo'lgan teshik bor edi.O'q shu teshikka mos ravishda qilingan. Umuman olganda, bombada 64 kg uran bor edi.
Nishon qobiq bilan o'ralgan bo'lib, uning ichki qatlami volfram karbididan, tashqi qatlami po'latdan yasalgan. Chig'anoqning maqsadi ikki xil edi: o'q nishonga yopishib qolganda ushlab turish va urandan qochib ketgan neytronlarning hech bo'lmaganda bir qismini aks ettirish. Neytron reflektorini hisobga olgan holda, 64 kg 2,3 kritik massa edi. Bu qanday amalga oshdi, chunki har bir qism subkritik edi? Haqiqat shundaki, o'rta qismni silindrdan olib tashlash orqali biz uning o'rtacha zichligini kamaytiramiz va kritik massaning qiymati ortadi. Shunday qilib, bu qismning massasi qattiq metall bo'lagi uchun kritik massadan oshib ketishi mumkin. Ammo o'qning massasini bu tarzda oshirish mumkin emas, chunki u qattiq bo'lishi kerak.
Nishon ham, o'q ham bo'laklardan yig'ilgan: nishon bir nechta past balandlikdagi halqalardan va o'q oltita yuvgichdan. Sababi oddiy - uran quymalari kichik o'lchamda bo'lishi kerak edi, chunki ignabargli ishlab chiqarish (quyma, presslash) paytida uranning umumiy miqdori kritik massaga yaqinlashmasligi kerak. O'q yupqa devorli zanglamaydigan po'latdan yasalgan ko'ylagi bilan o'ralgan bo'lib, nishon ko'ylagiga o'xshash volfram karbid qopqog'i bilan qoplangan.
O'qni nishon markaziga yo'naltirish uchun ular an'anaviy 76,2 mm zenit qurolining barrelidan foydalanishga qaror qilishdi. Shuning uchun bu turdagi bomba ba'zan to'p bilan yig'ilgan bomba deb ataladi. Bunday g'ayrioddiy o'qni joylashtirish uchun barrel ichkaridan 100 mm gacha zerikdi. Barrel uzunligi 180 sm edi.O'zining zaryadlash kamerasiga oddiy tutunsiz porox yuklangan bo'lib, u taxminan 300 m/s tezlikda o'q otdi. Va barrelning boshqa uchi nishon qobig'idagi teshikka bosildi.
Ushbu dizayn juda ko'p kamchiliklarga ega edi.
Bu juda xavfli edi: porox zaryadlash kamerasiga o'rnatilgandan so'ng, uni yoqishi mumkin bo'lgan har qanday baxtsiz hodisa bomba to'liq quvvatda portlashga olib keladi. Shu sababli, samolyot nishonga yaqinlashganda havoda piroksilin zaryadlangan.
Samolyot halokatiga uchragan taqdirda, uran qismlari poroxsiz, shunchaki erga kuchli ta'sir qilish natijasida birlashishi mumkin. Bunga yo'l qo'ymaslik uchun o'qning diametri bochkadagi teshik diametridan bir millimetrdan kattaroq edi.
Agar bomba suvga tushib qolsa, suvdagi neytronlarning mo''tadilligi tufayli reaktsiya qismlarni ulamasdan ham boshlanishi mumkin. To'g'ri, bu holda yadro portlashi ehtimoldan yiroq emas, lekin uranning katta maydonga sepilishi va radioaktiv ifloslanish bilan termal portlash sodir bo'ladi.
Ushbu dizayndagi bomba uzunligi ikki metrdan oshdi va bu deyarli engib bo'lmaydi. Axir, tanqidiy holatga erishildi va reaktsiya o'q to'xtashiga hali yarim metr qolganda boshlandi!
Nihoyat, bu bomba juda isrof edi: uranning 1% dan kamrog'i unda reaksiyaga kirishishga ulgurdi!
To'p bombasining aniq bir afzalligi bor edi: u ishlamay qolishi mumkin emas edi. Ular hatto uni sinab ko'rmoqchi emas edilar! Ammo amerikaliklar plutoniy bombasini sinab ko'rishlari kerak edi: uning dizayni juda yangi va murakkab edi.
Plutonium futbol to'pi
Plutoniy-240 ning ozgina (1% dan kam!) aralashmasi ham plutoniy bombasini to'pni yig'ishni imkonsiz qilishi ma'lum bo'lgach, fiziklar kritik massaga ega bo'lishning boshqa usullarini izlashga majbur bo'lishdi. Va plutoniy portlovchi moddalarining kalitini keyinchalik eng mashhur "yadro josusi" bo'lgan odam - ingliz fizigi Klaus Fuchs topdi.
Keyinchalik "portlash" deb nomlangan uning g'oyasi portlovchi linzalardan foydalangan holda bir-biridan uzoqlashuvchi to'lqindan bir-biriga yaqinlashuvchi sferik zarba to'lqinini hosil qilish edi. Ushbu zarba to'lqini plutoniy bo'lagini siqib chiqaradi, shunda uning zichligi ikki baravar ko'payadi.
Agar zichlikning pasayishi kritik massaning oshishiga olib keladigan bo'lsa, unda zichlikning oshishi uni kamaytirishi kerak! Bu, ayniqsa, plutoniy uchun to'g'ri keladi. Plutoniy juda o'ziga xos materialdir. Plutoniyning bir qismi erish nuqtasidan xona haroratiga qadar sovutilganda, u to'rt fazali o'tishni boshdan kechiradi. Ikkinchisida (taxminan 122 daraja), uning zichligi 10% ga oshadi. Bunday holda, har qanday quyma muqarrar ravishda yorilib ketadi. Bunga yo'l qo'ymaslik uchun plutoniyga ba'zi uch valentli metallar qo'shiladi, keyin bo'sh holat barqaror bo'ladi. Alyuminiydan foydalanish mumkin, ammo 1945 yilda plutoniy yadrolaridan chiqarilgan alfa zarralari parchalanishi natijasida alyuminiy yadrolaridan erkin neytronlarni urib, allaqachon sezilarli neytron fonini oshiradi, deb qo'rqishgan, shuning uchun galyum birinchi atom bombasida ishlatilgan.
98% plutoniy-239, 0,9% plutoniy-240 va 0,8% galliy bo'lgan qotishmadan diametri atigi 9 sm va og'irligi taxminan 6,5 kg bo'lgan shar yasaldi. To'pning markazida diametri 2 sm bo'lgan bo'shliq mavjud bo'lib, u uch qismdan iborat edi: ikkita yarmi va diametri 2 sm bo'lgan silindr.Bu silindr tiqin bo'lib xizmat qilgan, u orqali inisiatorni kiritish mumkin edi. ichki bo'shliq - bomba portlaganda ishga tushirilgan neytron manbai. Barcha uch qism nikel bilan qoplangan bo'lishi kerak edi, chunki plutoniy havo va suv bilan juda faol oksidlanadi va agar u inson tanasiga kirsa, o'ta xavflidir.
To'p qalinligi 7 sm va og'irligi 120 kg bo'lgan tabiiy uran238 dan yasalgan neytron reflektor bilan o'ralgan edi. Uran tez neytronlarning yaxshi reflektoridir va yig'ilganda tizim biroz subkritik edi, shuning uchun plutoniy vilkasi o'rniga neytronlarni o'zlashtiradigan kadmiy vilkasi o'rnatilgan. Reflektor, shuningdek, reaksiya paytida muhim yig'ilishning barcha qismlarini ushlab turish uchun xizmat qildi, aks holda plutoniyning ko'p qismi yadroviy reaktsiyada qatnashishga ulgurmasdan uchib ketadi.
Keyinchalik 120 kg og'irlikdagi alyuminiy qotishmasining 11,5 santimetrli qatlami keldi. Qatlamning maqsadi ob'ektiv linzalardagi antireflektsiya bilan bir xil: portlash to'lqinining uran-plutoniy birikmasiga kirib borishini va undan aks etmasligini ta'minlash. Ushbu aks etish portlovchi va uran o'rtasidagi zichlikdagi katta farq tufayli yuzaga keladi (taxminan 1:10). Bundan tashqari, zarba to'lqinida, siqilish to'lqinidan keyin Teylor effekti deb ataladigan noyob to'lqin paydo bo'ladi. Alyuminiy qatlami portlovchi moddaning ta'sirini kamaytiradigan kam uchraydigan to'lqinni zaiflashtirdi. Alyuminiyni uran-238 parchalanishi paytida hosil bo'lgan alfa zarralari ta'sirida alyuminiy atomlarining yadrolaridan chiqarilgan neytronlarni o'ziga singdiruvchi bor bilan doping qilish kerak edi.
Nihoyat, tashqarida o'sha "portlovchi linzalar" bor edi. Ulardan 32 tasi (20 olti burchakli va 12 beshburchak) bo'lib, ular futbol to'piga o'xshash tuzilish hosil qilgan. Har bir linza uch qismdan iborat bo'lib, o'rta qismi maxsus "sekin" portlovchi moddadan, tashqi va ichki qismi esa "tezkor" portlovchi moddadan qilingan. Tashqi qismi tashqi tomondan sharsimon edi, lekin uning ichida, xuddi shaklli zaryadda bo'lgani kabi, konussimon depressiya bor edi, lekin uning maqsadi boshqacha edi. Bu konus sekin portlovchi bilan to'ldirilgan va interfeysda portlash to'lqini oddiy yorug'lik to'lqini kabi singan. Ammo bu erda o'xshashlik juda shartli. Aslida, bu konusning shakli yadro bombasining haqiqiy sirlaridan biridir.
40-yillarning o'rtalarida dunyoda bunday linzalarning shaklini hisoblash mumkin bo'lgan kompyuterlar yo'q edi va eng muhimi, hatto mos keladigan nazariya ham yo'q edi. Shuning uchun ular faqat sinov va xato orqali amalga oshirildi. Mingdan ortiq portlashlarni amalga oshirish kerak edi - bu nafaqat amalga oshirilgan, balki portlash to'lqinining parametrlarini yozib olgan maxsus yuqori tezlikdagi kameralar bilan suratga olingan. Kichikroq versiya sinovdan o'tkazilganda, portlovchi moddalar unchalik osonlik bilan miqyosi yo'qligi ma'lum bo'ldi va eski natijalarni sezilarli darajada tuzatish kerak edi.
Shaklning aniqligi millimetrdan kam bo'lgan xato bilan saqlanishi kerak edi va portlovchi moddaning tarkibi va bir xilligi juda ehtiyotkorlik bilan saqlanishi kerak edi. Qismlarni faqat quyish yo'li bilan qilish mumkin edi, shuning uchun barcha portlovchi moddalar mos emas edi. Tez portlovchi modda RDX va TNT aralashmasi bo'lib, RDX miqdoridan ikki baravar ko'p edi. Sekin - bir xil TNT, lekin inert bariy nitrat qo'shilishi bilan. Birinchi portlovchi moddada portlash to'lqinining tezligi 7,9 km/s, ikkinchisida esa 4,9 km/s.
Detonatorlar har bir linzaning tashqi yuzasining markaziga o'rnatilgan. Barcha 32 detonator bir vaqtning o'zida misli ko'rilmagan aniqlik bilan o't ochishi kerak edi - 10 nanosekunddan kamroq, ya'ni soniyaning milliarddan bir qismi! Shunday qilib, zarba to'lqini jabhasi 0,1 mm dan ortiq buzilmasligi kerak edi. Linzalarning birlashtiruvchi yuzalarini bir xil aniqlik bilan tekislash kerak edi, lekin ularni ishlab chiqarishdagi xato o'n baravar ko'p edi! Noto'g'riliklarni qoplash uchun ko'plab hojatxona qog'ozi va lentalarni maydalashim va sarflashim kerak edi. Ammo tizim nazariy modelga juda oz o'xshash bo'la boshladi.
Yangi detonatorlarni ixtiro qilish kerak edi: eskilari to'g'ri sinxronizatsiyani ta'minlamadi. Ular elektr tokining kuchli impulsi ostida portlagan simlar asosida yaratilgan. Ularni ishga tushirish uchun 32 ta yuqori voltli kondansatkichli akkumulyator va bir xil miqdordagi yuqori tezlikda zaryadsizlantiruvchi qurilmalar kerak edi - har bir detonator uchun bittadan. Butun tizim, shu jumladan batareyalar va kondansatkichlar uchun zaryadlovchi, birinchi bombada deyarli 200 kg og'irlikda edi. Biroq, 2,5 tonnani olgan portlovchi moddalarning og'irligi bilan solishtirganda, bu unchalik ko'p emas edi.
Nihoyat, butun tuzilma keng kamar va ikkita qopqoqdan iborat bo'lgan duralumin sharsimon korpusga o'ralgan - yuqori va pastki, bu qismlarning barchasi murvat bilan yig'ilgan. Bomba dizayni uni plutoniy yadrosisiz yig'ish imkonini berdi. Plutoniyni uran reflektorining bir qismi bilan birga joyiga qo'yish uchun korpusning yuqori qopqog'i ochildi va bitta portlovchi linza olib tashlandi.
Yaponiya bilan urush nihoyasiga yetayotgan edi, amerikaliklar esa shoshayotgan edi. Ammo portlovchi bomba sinovdan o'tkazilishi kerak edi. Ushbu operatsiyaga "Trinity" ("Uchlik") kod nomi berildi. Ha, atom bombasi ilgari faqat xudolar uchun mavjud bo'lgan kuchni namoyish qilishi kerak edi.
Ajoyib muvaffaqiyat
Sinov maydoni Nyu-Meksiko shtatida, Jornadadel Muerto (O'lim yo'li) nomli go'zal joyda tanlangan - hudud Alamagordo artilleriya poligonining bir qismi edi. Bomba 1945 yil 11 iyulda yig'ila boshlandi. O'n to'rtinchi iyulda u maxsus qurilgan 30 m balandlikdagi minora tepasiga ko'tarildi, detonatorlarga simlar ulandi va katta hajmdagi o'lchash moslamalarini o'z ichiga olgan tayyorgarlikning yakuniy bosqichi boshlandi. 1945 yil 16 iyul kuni ertalab soat besh yarimda qurilma portlatilgan.
Portlash markazidagi harorat bir necha million darajaga etadi, shuning uchun yadroviy portlashning chaqnashi Quyoshdan ancha yorqinroq. Olovli shar bir necha soniya davom etadi, keyin ko'tarila boshlaydi, qorayadi, oqdan to'q sariqqa, so'ngra qip-qizil rangga aylanadi va hozirda mashhur yadro qo'ziqorini hosil bo'ladi. Birinchi qo'ziqorin buluti 11 km balandlikka ko'tarildi.
Portlash energiyasi trotil ekvivalenti 20 kt dan ortiq edi. Fiziklar 510 tonnani hisoblab, asbob-uskunalarni juda yaqin joylashtirgani uchun o‘lchash asboblarining aksariyati vayron bo‘lgan. Aks holda bu muvaffaqiyat, ajoyib muvaffaqiyat edi!
Ammo amerikaliklar bu hududning kutilmagan radioaktiv ifloslanishiga duch kelishdi. Radioaktiv yog'ingarchiliklar shim.-sharqqa qarab 160 km ga cho'zilgan. Aholining bir qismi Bingham kichik shaharchasidan evakuatsiya qilinishi kerak edi, ammo kamida beshta mahalliy aholi 5760 rentgen dozasini oldi.
Ma'lum bo'lishicha, ifloslanishning oldini olish uchun bomba etarlicha baland balandlikda, kamida bir yarim kilometr masofada portlatilishi kerak, keyin radioaktiv parchalanish mahsulotlari yuz minglab, hatto millionlab kvadrat maydonlarga tarqaladi. kilometr va global radiatsiya fonida erigan.
Ushbu dizayndagi ikkinchi bomba Nagasakiga 9 avgust kuni, bu sinovdan 24 kun o'tib va Xirosima bombardimon qilinganidan uch kun o'tib tashlangan. O'shandan beri deyarli barcha atom qurollari portlash texnologiyasidan foydalangan. 1949 yil 29 avgustda sinovdan o'tgan birinchi sovet bombasi RDS-1 xuddi shu dizayn bo'yicha qilingan.
Bo'linish reaktsiyasi paytida ajralib chiqadigan neytronlarning bir qismi reaksiya sferasidan chiqib ketadi yoki parchalanish hosil qilmasdan tutiladi. Agar siz neytronlarni yo'qotish tezligi bo'linish paytida yangi neytronlarning ajralib chiqish tezligidan katta bo'lgan sharoitlarni yaratsangiz, u holda bu sharoitda zanjir reaktsiyasi o'z-o'zini ushlab turishni to'xtatadi, ya'ni to'xtaydi. Bu biroz energiya chiqaradi, ammo bu etarli bo'lmaydi va yangi neytronlarning chiqish tezligi samarali portlashni keltirib chiqarish uchun juda past bo'ladi. Shuning uchun yadro portlashini amalga oshirish uchun neytronlarning yo'qolishi minimal bo'ladigan sharoitlarni yaratish kerak. Shu munosabat bilan, ayniqsa, neytronlar muhim ahamiyatga ega bo'lib, ular bo'linuvchi material massasidan ajralib chiqadi va bo'linish reaktsiyasida qatnashmaydi.
Reaksiya sferasidan neytronlarning chiqishi uran (yoki plutoniy) massasining tashqi yuzasi orqali sodir bo'ladi. Binobarin, neytronlarning parchalanuvchi material massasidan chiqishi tufayli yo'qotish tezligi ushbu massa sirtining o'lchamiga qarab belgilanadi. Boshqa tomondan, parchalanish jarayoni, buning natijasida ko'plab yangi neytronlar ajralib chiqadi, bo'linuvchi moddaning butun massasi bo'ylab sodir bo'ladi va shuning uchun bu neytronlarning ajralib chiqish tezligi ushbu massaning hajmiga bog'liq. Parchalanuvchi material hajmining oshishi bilan uning sirt maydonining massaga nisbati kamayadi; shuning uchun yo'qolgan (chiqarilgan) neytronlar sonining bo'linish reaktsiyasi paytida chiqarilgan yangi neytronlar soniga nisbati kamayadi.
Agar biz o'ng tomonda bo'linadigan materialning ikkita sharsimon qismini ko'rsatadigan, ulardan biri ikkinchisidan kattaroq chizmani ko'rib chiqsak, bu fikrni tushunish osonroq bo'ladi; ikkala holatda ham parchalanish jarayoni bir neytron bilan boshlanadi, rasmda aylanadagi nuqta sifatida ko'rsatilgan. Har bir bo'linish hodisasida uchta neytron ajralib chiqadi, ya'ni bitta neytron tutiladi.
Agar uran yoki plutoniyning massasi kichik bo'lsa, ya'ni sirt maydonining hajmga nisbati katta bo'lsa, u holda emissiya natijasida yo'qolgan neytronlar soni shunchalik katta bo'ladiki, yadro bo'linish zanjiri reaktsiyasini yaratish va shuning uchun yadroviy portlashni amalga oshirish mumkin bo'lmaydi. Ammo uran yoki plutoniyning massasi ortishi bilan neytronlarning nisbiy yo'qotilishi kamayadi va zanjir reaktsiyasi o'z-o'zidan davom etishi mumkin bo'lgan nuqta keladi. Ushbu momentga to'g'ri keladigan parchalanuvchi material miqdori kritik massa deb ataladi.
Shunday qilib, yadroviy portlash sodir bo'lishi uchun yadro qurolida ma'lum sharoitlarda kritik massadan oshib ketadigan etarli miqdorda uran yoki plutoniy bo'lishi kerak. Haqiqatda, kritik massa, boshqa narsalar qatori, parchalanuvchi materialning shakliga, uning tarkibiga va neytronlarni parchalanmasdan o'zlashtira oladigan begona aralashmalar bilan ifloslanish darajasiga bog'liq. Parchalanuvchi materialni tegishli qobiq - neytron reflektori bilan o'rab, ularning emissiyasi tufayli neytronlarning yo'qolishini kamaytirish va shuning uchun kritik massa qiymatini kamaytirish mumkin. Bundan tashqari, yuqori zichlikdagi va yuqori energiyali neytronlar uchun yaxshi aks ettiruvchi elementlar ham parchalanuvchi moddaning bir oz inertsiyasini ta'minlaydi va portlash paytida uning kengayishini kechiktiradi. Neytron reflektor o'zining ekranlovchi ta'siri va inertial xususiyatlari tufayli yadroviy qurollarda parchalanuvchi materiallardan samaraliroq foydalanish imkonini beradi.
Test № 5
Variant 1
Bekkerel tomonidan kashf etilgan radioaktivlik hodisasi shuni ko'rsatadiki...
B. Atomda elektronlar mavjud.
B. Atom murakkab tuzilishga ega.
D. Bu hodisa faqat uranga xosdir.
Atom tuzilishining yadroviy modelini kim taklif qilgan?
Rasmda to'rtta atomning diagrammasi ko'rsatilgan. Qora nuqtalar elektronlardir. Qaysi diagramma atomga mos keladi 2 4 Yo'qmi?
Atom tarkibiga quyidagi zarrachalar kiradi:
B. nuklonlar va elektronlar.
B. protonlar va neytronlar.
D. Neytronlar va elektronlar.
Marganets atomi yadrosining massa soni qancha? 25 55 Mn?
Quyidagi reaksiyalardan qaysi birida zaryadning saqlanish qonuni buziladi?
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.
^ Atom yadrosi proton va neytronlardan iborat. Yadro kuchlari yadro ichidagi qaysi juft zarrachalar orasida harakat qiladi?
B. Proton-neytron.
B. Neytron-neytron.
D. Barcha juftliklarda A-B.
Proton va neytron massalari...
B. Taxminan bir xil.
B. 1:1836 ga nisbatan.
D. Taxminan nolga teng.
Kaltsiy atomining yadrosida 20 40 Ca o'z ichiga ...
B. 40 neytron va 20 elektron.
B. 20 proton va 40 elektron.
D. 20 proton va 20 neytron.
^ Gazdagi tez zaryadlangan zarracha harakatining izi qaysi qurilmada ko'rinadi (o'ta to'yingan bug'ning ionlarda kondensatsiyasi natijasida)?
B. Bulutli kamerada.
D. Ko‘pikli kamerada.
^ Yadro reaktsiyasidagi ikkinchi mahsulot X ni aniqlang: 13 27 Al+ 0 1 n → 11 24 Na+X.
Atom yadrosi Z proton va N neytrondan iborat. Erkin neytron massasi m n , erkin proton m p . Quyidagi shartlardan qaysi biri yadro massasi uchun to'g'ri? m g ?
B. m g
B. m g > Zm p + Nm n.
D. Barqaror yadrolar uchun A shart, radioaktiv yadrolar uchun B shart.
Atom yadrosining ∆ m (massa nuqsoni) ni hisoblang 3 7 Li (amuda).
A. ∆m ≈ 0,04. B. ∆m ≈ –0,04. B. ∆m =0. G. ∆m ≈ 0,2.
14 ∆E= ∆m*c formula yordamida atom yadrolarining bog’lanish energiyasini hisoblashda massa qiymatini qaysi birliklarda ifodalash kerak? 2 ?
A. Kilogrammlarda.
B. Gramlarda.
B. Atom massa birliklarida.
G. Joulda.
^ Uran yadro reaktoridagi kritik massa qancha?
B. Reaktorda zanjir reaktsiyasi sodir bo'lishi mumkin bo'lgan uranning minimal massasi.
B. Reaktorni ishga tushirish uchun unga kiritilgan qo'shimcha uran massasi.
D. Jiddiy holatlarda uni to'xtatish uchun reaktorga kiritilgan moddaning qo'shimcha massasi.
^ Odamning tashqi nurlanishida qaysi turdagi radioaktiv nurlanish eng xavfli hisoblanadi?
B. gamma nurlanishi.
B. Alfa nurlanishi.
^ Qo'shimcha vazifa.
Barcha kimyoviy elementlar ikki yoki undan ortiq izotoplar shaklida mavjud. Izotop yadrolari tarkibidagi farqni aniqlang 17 35 Cl va 17 37 Cl.
B. 17 37 Cl izotopi yadrosida 17 35 Cl dan 2 ta kam proton bor.
B. 17 37 Cl izotopi yadrosida 17 35 Cl dan 2 ta koʻproq neytronga ega.
G. izotopi 17 37 Cl yadrosida 17 35 Cl dan 2 ta kam neytron mavjud.
18. Atom yadrolarining alfa yemirilishi paytida...
massa soni bir xil bo'lib qoladi va zaryad bir marta ortadi.
B. Massa soni 4 ga kamayadi, lekin zaryad o'zgarishsiz qoladi.
B. Massa soni 4 ga kamayadi, zaryad esa 2 ga ortadi.
D. Massa soni 4 ga kamayadi, zaryad ham 2 ga kamayadi.
^ 19. Yadro reaksiyasida energiya ajralib chiqadi yoki yutiladi. 3 6 Li+ 1 1 H→ 2 4 + emas 2 3 Yo'qmi? A dagi yadro va zarrachalarning massalari. m. mos ravishda teng: m 3 6 Li=6,01513, m 1 1 N= 1,00728, m 2 4 Emas= 4,00260, m 2 3 =3.01602 emas.
A. singdirilgan, chunki ∆m
B. ajralib turadi, chunki ∆m
B. singdirilgan, chunki ∆m> 0.
D. ajralib turadi, chunki. ∆m> 0.
20. 5 10 B izotopi neytronlar bilan bombardimon qilinganda hosil bo‘lgan yadrodan alfa zarracha chiqariladi. Massa soni va zaryadining saqlanish qonunlaridan, shuningdek elementlarning davriy sistemasidan foydalanib, yadro reaksiyasini yozing.
Test № 5
“Atom va atom yadrosining tuzilishi” mavzusida
Variant 2
^ 1. Radioaktiv nurlanish tarkibiga...
A. Faqat elektronlar.
B. Faqat neytronlar.
B. Faqat alfa zarralari.
D. Beta zarralar, alfa zarralar, gamma kvantlar.
^ 2. Tajribalar yordamida Rezerford shuni aniqladiki...
A. Musbat zaryad atomning butun hajmiga teng taqsimlangan.
B. Musbat zaryad atom markazida to'plangan va juda kichik hajmni egallaydi.
B. Atomda elektronlar mavjud.
D. Atom ichki tuzilishga ega emas.
^ Rasmda to'rtta atomning diagrammasi ko'rsatilgan. Elektronlar qora nuqta sifatida tasvirlangan.
Yadro quyidagi zarralarni o'z ichiga oladi:
B. Protonlar va elektronlar.
B. Protonlar va neytronlar
D. Neytronlar va elektronlar.
^ 5. Stronsiy atomi yadrosining zaryadi qanday? 38 88 Sr?
A. 88 B. 38 C. 50 D. 126.
Quyidagi yadro reaksiyasi tenglamalarining qaysi birida massa sonining saqlanish qonuni buzilgan?
B. 7 14 N + 2 4 U → 8 17 O + 1 1 H
V. 7 14 N + 1 1 N → 5 11 V + 2 4 emas
G. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 e
^ 6. Nuklonlar orasida harakat qiluvchi yadro kuchlari...
A. Ular tortishish kuchlaridan ko'p marta oshib, zaryadlangan zarralar orasida harakat qiladilar.
B. Ular barcha turdagi kuchlardan ko'p marta ustundir va har qanday masofada harakat qiladi.
B. Ular boshqa barcha turdagi kuchlardan ko'p marta ustundir, lekin faqat yadro kattaligi bilan taqqoslanadigan masofalarda harakat qiladi.
D. Ko'p marta tortishish kuchlaridan oshib, har qanday zarralar orasida harakat qiladi.
Proton va elektron massalari...
B. Taxminan bir xil.
B. 1: 1836 deb nomlanadi.
D. Taxminan nolga teng.
^ 8. Temir atomining yadrosida 26 56 Fe o'z ichiga oladi:
A. 26 neytron va 56 proton.
B. 56 neytron va 26 proton.
B. 26 proton va 56 elektron.
D. 26 proton va 30 neytron.
Gazda o'z-o'zidan razryadning paydo bo'lishi natijasida elektr toki impulsining paydo bo'lishi bilan ionlashtiruvchi zarrachaning kelib chiqishi qaysi qurilmada qayd etilgan?
B. Geiger hisoblagichida.
B. Ssintillyatsion hisoblagichda.
D. Ko‘pikli kamerada.
^ X yadro reaksiyasining ikkinchi mahsulotini aniqlang:
A. Alfa zarracha (2 4 He).
B. Neytron.
B. Proton.
G. Elektron.
^ 12. Atom yadrosi Z proton va N neytrondan iborat. Erkin neytron massasi m n , erkin proton m p . Quyidagi shartlardan qaysi biri yadro massasi m uchun to‘g‘ri I ?
A. m i Z*m p + m n; B. m i = Z*m p + N*m n
D. Barqaror yadrolar uchun A shart, radioaktivlar uchun B shart.
^ 13. a dagi massa nuqsonini (∆ m) hisoblang. e.m.Atom yadrolari 2 3 Yo'q. Zarralar va yadrolarning massalari, a bilan ifodalangan. e.m., mos ravishda teng: m n = 1,00866; m p = 1,00728;
m I = 3,01602.
A. ∆ m ≈ 0,072 B. ∆ m ≈ 0,0072 C. ∆ m ≈ -0,0072 D. ∆ m ≈ 0
^ 14. ∆E=m*c formula yordamida atom yadrolarining bog’lanish energiyasini hisoblashda energiya qiymati qanday birliklarda olinadi. 2 ?
A. Elektron voltlarda (eV).
B. Megaelektron voltlarda (MeV)
B. Joulda.
G. V a. yemoq.
^ 15. Yadro reaktorida moderatorlar sifatida grafit yoki suv kabi moddalar ishlatiladi. Ular nima sekinlashishi kerak va nima uchun?
A. Yadro boʻlinish reaksiyasining yuzaga kelish ehtimolini kamaytirish uchun ular neytronlarni sekinlashtiradi.
B. Yadro boʻlinish reaksiyasining yuzaga kelish ehtimolini oshirish uchun ular neytronlarni sekinlashtiradi.
B. Ular reaktorni boshqarishni osonlashtirish uchun boʻlinish zanjiri reaksiyasini sekinlashtiradi.
D. Uranning boʻlinishi natijasida hosil boʻlgan yadro boʻlaklarini kinetik energiyasidan amaliy foydalanish uchun sekinlashtiradi.
^ 16. Insonning ichki nurlanishi uchun qaysi turdagi radioaktiv nurlanish eng xavfli hisoblanadi?
A. Beta nurlanish.
B. Gamma nurlanishi.
B. Alfa nurlanishi.
D. Barcha uch turdagi nurlanish: alfa, beta, gamma.
^ Qo'shimcha vazifa.
Barcha kimyoviy elementlar ikki yoki undan ortiq izotoplar shaklida mavjud. 10 20 Ne va 10 22 Ne izotoplari yadrolari tarkibidagi farqni aniqlang.
B. 10 20 Ne izotopi yadrosida 10 22 Ne dan 2 ta kam protonga ega.
B. 10 22 Ne izotopi yadrosida 10 20 Ney dan 2 ta koʻproq neytronga ega.
G. 10 22 Ne izotopi yadrosida 10 20 Ne dan 2 ta kam neytronga ega.
18. Atom yadrolarining beta-yemirilishi davrida...
A. Yadroning massasi deyarli o'zgarmaydi, shuning uchun massa soni bir xil bo'lib qoladi, lekin zaryad ortadi.
B. Massa soni 1 ga ortadi va zaryad 1 ga kamayadi.
B. Massa soni bir xil bo'lib qoladi, lekin zaryad 1 ga kamayadi.
D. Massa soni 1 ga kamayadi, zaryad o'zgarishsiz qoladi.
19. 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H yadro reaksiyasida energiya ajralib chiqadimi yoki yutiladimi? Yadro va zarrachalarning massalari (a.m.da) mos ravishda teng: 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. singdirilgan, chunki ∆m
B. ajralib turadi, chunki ∆m
B. singdirilgan, chunki ∆m> 0.
D. ajralib turadi, chunki. ∆m> 0.
20. Massa soni va zaryadining saqlanish qonunlaridan, shuningdek elementlarning davriy sistemasidan foydalanib, 5 11 B alfa zarrachalarini bombardimon qilish jarayonida yuzaga keladigan va neytronlarning urib tushishi bilan kechadigan yadro reaksiyasini yozing.
^ Javob shakli
№5 test uchun
“Atom va atom yadrosining tuzilishi” mavzusida
Sinf _____________
Variant _______| № eshak | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Javob | |||||||||||||||||||||
| № qo'shimcha vazifalar | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Javob | |||||||||||||||||||||
^ Javob shakli
№5 test uchun
“Atom va atom yadrosining tuzilishi” mavzusida
Sana: ___________________20__
Sinf _____________
TO'LIQ ISM ________________________________
Variant _______| № eshak | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Javob | |||||||||||||||||||||
| № qo'shimcha vazifalar | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Javob | |||||||||||||||||||||
^ To'g'ri javob kodlari.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
|
| IN 1 | IN | G | IN | B | G | A | G | B | G | B | A | B | A | A | B | IN | IN | G | B |
| AT 2 | G | B | IN | IN | B | IN | IN | A | G | B | B | A | A | IN | IN | IN | IN | A | B |
No 20 5 10 V + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 He (1 variant)
5 11 V + 2 4 U→ 7 14 N + 1 1 N (2-VARİANT)
^ Majburiy savollarga to'g'ri javoblar sonini besh balli shkala bo'yicha reytingga aylantirish uchun jadval.
Insoniyat tarixidagi eng dahshatli urush tugaganiga ikki oydan sal ko'proq vaqt o'tdi. Shunday qilib, 1945 yil 16 iyulda Amerika harbiylari birinchi yadroviy bombani sinovdan o'tkazdi va yana bir oy o'tgach, Yaponiya shaharlarining minglab aholisi atom do'zaxida halok bo'ldi. O'shandan beri qurollar, shuningdek, ularni nishonga etkazish vositalari yarim asrdan ko'proq vaqt davomida doimiy ravishda takomillashtirildi.
Harbiylar o'z ixtiyorida butun shaharlar va mamlakatlarni bir zarba bilan xaritadan olib tashlaydigan o'ta kuchli o'q-dorilar bilan bir qatorda portfelga sig'adigan o'ta kichik o'q-dorilarga ega bo'lishni xohlashdi. Bunday qurilma sabotaj urushini shu paytgacha misli ko'rilmagan darajaga olib chiqadi. Birinchisi ham, ikkinchisi ham engib bo'lmas qiyinchiliklarga duch keldi. Kritik massa deb ataladigan narsa aybdor. Biroq, birinchi narsa.
Bunday portlovchi yadro
Yadro qurilmalarining ishlashini tushunish va tanqidiy massa deb ataladigan narsani tushunish uchun bir lahzaga stolimizga qaytaylik. Maktabimiz fizika kursidan biz oddiy qoidani eslaymiz: zaryadlar qaytaruvchi kabi. U yerda o‘rta maktabda o‘quvchilarga neytronlar, neytral zarralar va musbat zaryadlangan protonlardan tashkil topgan atom yadrosining tuzilishi haqida ma’lumot beriladi. Lekin bu qanday mumkin? Ijobiy zaryadlangan zarralar bir-biriga juda yaqin joylashganki, itaruvchi kuchlar juda katta bo'lishi kerak.
Ilm-fan protonlarni birlashtirgan yadro ichidagi kuchlarning mohiyatini to'liq tushunmaydi, garchi bu kuchlarning xususiyatlari juda yaxshi o'rganilgan. Kuchlar faqat juda yaqin masofalarda harakat qiladi. Ammo protonlar kosmosda ozgina bo'linishi bilanoq, itaruvchi kuchlar ustunlik qila boshlaydi va yadro bo'laklarga bo'linadi. Va bunday kengayishning kuchi haqiqatan ham ulkan. Ma'lumki, katta yoshli odamning kuchi qo'rg'oshin atomining faqat bitta yadrosining protonlarini ushlab turish uchun etarli emas.
Ruterford nimadan qo'rqardi?
Davriy sistemadagi aksariyat elementlarning yadrolari barqarordir. Biroq, atom raqami oshgani sayin, bu barqarorlik pasayadi. Bu yadro hajmi masalasi. Keling, 238 ta nukliddan tashkil topgan uran atomining yadrosini tasavvur qilaylik, shundan 92 tasi proton. Ha, protonlar bir-biri bilan yaqin aloqada va yadro ichidagi kuchlar butun tuzilishni ishonchli tarzda mustahkamlaydi. Ammo yadroning qarama-qarshi uchlarida joylashgan protonlarning itarilish kuchi sezilarli bo'ladi.
Ruterford nima qilardi? U atomlarni neytronlar bilan bombardimon qildi (elektron atomning elektron qobig'idan o'tmaydi, musbat zaryadlangan proton esa itaruvchi kuchlar tufayli yadroga yaqinlasha olmaydi). Atom yadrosiga kirgan neytron uning bo'linishiga sabab bo'ldi. Ikki alohida yarmi va ikki yoki uchta erkin neytron tomonlarga tarqalgan.
Bu parchalanish, uchuvchi zarralarning ulkan tezligi tufayli, ulkan energiyaning chiqishi bilan birga bo'ldi. Ruterford hatto insoniyat uchun mumkin bo'lgan oqibatlaridan qo'rqib, o'z kashfiyotini yashirishni xohlayotgani haqida mish-mishlar tarqaldi, ammo bu, ehtimol, ertaklardan boshqa narsa emas.
Xo'sh, massaning bunga qanday aloqasi bor va nima uchun bu juda muhim?
Nima bo'libdi? Qanday qilib kuchli portlash hosil qilish uchun yetarlicha radioaktiv metallni protonlar oqimi bilan nurlantirish mumkin? Va tanqidiy massa nima? Bularning barchasi "bombalangan" atom yadrosidan uchib chiqadigan bir nechta erkin elektronlar haqidadir; ular, o'z navbatida, boshqa yadrolar bilan to'qnashadi va ularning bo'linishiga olib keladi. Deb ataladigan narsa boshlanadi, ammo uni ishga tushirish juda qiyin bo'ladi.
Keling, o'lchovni aniqlaylik. Agar biz stolimizdagi olmani atomning yadrosi sifatida olsak, qo'shni atomning yadrosini tasavvur qilish uchun xuddi shu olmani hatto qo'shni xonada ham stolga olib borish va qo'yish kerak bo'ladi. . keyingi uyda. Neytron gilos chuqurining o'lchamida bo'ladi.
Chiqarilgan neytronlar uran quymasidan tashqarida behuda uchib ketmasligi va ularning 50% dan ortig'i atom yadrolari shaklida nishon topishi uchun bu quyma tegishli o'lchamlarga ega bo'lishi kerak. Bu uranning kritik massasi deb ataladi - chiqarilgan neytronlarning yarmidan ko'pi boshqa yadrolar bilan to'qnashadigan massa.
Aslida, bu bir zumda sodir bo'ladi. Ajratilgan yadrolar soni ko'chki kabi o'sib boradi, ularning bo'laklari yorug'lik tezligi bilan taqqoslanadigan tezlikda barcha yo'nalishlarda yuguradi, havo, suv va boshqa har qanday muhitni yirtib tashlaydi. Ularning atrof-muhit molekulalari bilan to'qnashuvi natijasida portlash maydoni bir zumda millionlab darajagacha qiziydi va bir necha kilometr ichida hamma narsani yoqib yuboradigan issiqlik chiqaradi.
Keskin isitiladigan havo bir zumda kattalashib, kuchli zarba to'lqinini yuzaga keltiradi, bu esa binolarni poydevoridan uchirib yuboradi, yo'lidagi barcha narsalarni ag'daradi va yo'q qiladi ... bu atom portlashining rasmidir.
Bu amalda qanday ko'rinadi?
Atom bombasining dizayni hayratlanarli darajada sodda. Uranning ikkita quymasi mavjud (yoki boshqasi, har birining massasi kritik massadan bir oz kamroq. Quymalardan biri konus shaklida qilingan, ikkinchisi konussimon teshikli shar. Sifatida). Siz taxmin qilishingiz mumkinki, ikkala yarmi birlashtirilganda kritik massaga yetadigan to'p olinadi.Bu standart eng oddiy yadro bombasi Ikki yarmi an'anaviy TNT zaryadi yordamida ulanadi (konus to'pga o'q otilgan).
Ammo hech kim bunday qurilmani "tizzalarida" yig'ishi mumkin deb o'ylamasligingiz kerak. Hiyla shundaki, uran undan bomba portlashi uchun juda toza bo'lishi kerak, aralashmalarning mavjudligi deyarli nolga teng.
Nima uchun sigaret qutisidek atom bombasi yo'q
Hammasi bir xil sababga ko'ra. Eng keng tarqalgan uran 235 izotopining kritik massasi taxminan 45 kg ni tashkil qiladi. Bunday miqdordagi yadro yoqilg'isining portlashi allaqachon falokatdir. Va uni kamroq modda bilan qilish mumkin emas - bu shunchaki ishlamaydi.
Xuddi shu sababga ko'ra, uran yoki boshqa radioaktiv metallardan o'ta kuchli atom zaryadlarini yaratish mumkin emas edi. Bomba juda kuchli bo'lishi uchun u o'nlab quymalardan yasalgan bo'lib, ular portlovchi zaryadlar portlatilganda markazga shoshilib, apelsin tilimlari kabi bog'langan.
Lekin aslida nima bo'ldi? Agar biron sababga ko'ra ikkita element boshqalardan ko'ra soniyaning mingdan bir qismi oldin uchrashgan bo'lsa, kritik massaga boshqalardan ko'ra tezroq erishildi va portlash dizaynerlar ishongan kuch bilan sodir bo'lmadi. O'ta kuchli yadroviy qurollar muammosi faqat termoyadro qurollarining paydo bo'lishi bilan hal qilindi. Ammo bu biroz boshqacha hikoya.
Tinch atom qanday ishlaydi?
Atom elektr stansiyasi aslida yadroviy bomba bilan bir xil. Faqat bu "bomba" da urandan tayyorlangan yonilg'i tayoqchalari (yoqilg'i elementlari) bir-biridan ma'lum masofada joylashgan bo'lib, bu ularning neytron "zarbalarini" almashishiga to'sqinlik qilmaydi.
Yoqilg'i tayoqchalari novdalar shaklida ishlab chiqariladi, ular orasida neytronlarni yaxshi singdiruvchi materialdan tayyorlangan nazorat sterjenlari mavjud. Ishlash printsipi oddiy:
- uran tayoqchalari orasidagi bo'shliqqa nazorat (yutuvchi) novdalar kiritiladi - reaktsiya sekinlashadi yoki butunlay to'xtaydi;
- nazorat tayoqlari zonadan chiqariladi - radioaktiv elementlar neytronlarni faol ravishda almashadi, yadro reaktsiyasi yanada qizg'in davom etadi.
Darhaqiqat, natija bir xil atom bombasi bo'lib, unda tanqidiy massa shunchalik silliq erishiladi va shunchalik aniq tartibga solinadiki, bu portlashga olib kelmaydi, faqat sovutish suvi isishiga olib keladi.
Garchi, afsuski, amaliyot shuni ko'rsatadiki, inson dahosi har doim ham bu ulkan va halokatli energiyani - atom yadrosining parchalanish energiyasini jilovlay olmaydi.
Xirosima va Nagasakidagi badabumning navbatdagi yilligida men Internetni yadroviy qurollar, ular qayerda va qanday yaratilganligi haqidagi savollarni ko'rib chiqishga qaror qildim, ular meni unchalik qiziqtirmadi (men allaqachon bilardim) - meni qanday qilib ko'proq qiziqtirdim 2 plutoniy parchalari erimaydi, balki katta portlashni keltirib chiqaradi.
Muhandislarni kuzatib boring - ular seyalkadan boshlanib, atom bombasi bilan tugaydi.
Yadro fizikasi muhtaram tabiiy fanlarning eng munozarali sohalaridan biridir. Aynan shu sohaga insoniyat yarim asrdan beri milliardlab dollar, funt sterling, frank va rubllarni xuddi kech poyezdning lokomotiv pechiga tashlab keladi. Endi poyezd kechikmaganga o‘xshaydi. Yonayotgan mablag'lar va ish soatlarining g'azablangan alangasi pasaydi. Keling, bu qanday poezd "yadro fizikasi" deb atalishini qisqacha aniqlashga harakat qilaylik.
Izotoplar va radioaktivlik
Ma'lumki, mavjud bo'lgan hamma narsa atomlardan iborat. Atomlar, o'z navbatida, elektron qobiqlardan iborat bo'lib, o'zlarining aqlga sig'maydigan qonunlari bo'yicha yashaydilar va yadrodan iborat. Klassik kimyo yadro va uning shaxsiy hayoti bilan umuman qiziqmaydi. Uning uchun atom uning elektronlari va ularning o'zaro ta'sir almashish qobiliyatidir. Va kimyo yadrosidan reagentlarning nisbatlarini hisoblash uchun faqat uning massasi kerak. O'z navbatida, yadro fizikasi elektronlar haqida qayg'urmaydi. U atom ichidagi mayda (elektron orbitalarining radiusidan 100 ming marta kichik) chang zarrasiga qiziqadi, unda deyarli barcha massasi to'plangan.
Yadro haqida nimalarni bilamiz? Ha, u elektr zaryadiga ega bo'lmagan musbat zaryadlangan proton va neytronlardan iborat. Biroq, bu mutlaqo to'g'ri emas. Yadro maktab darsligidagi rasmda bo'lgani kabi, ikkita rangdagi bir hovuch to'p emas. Bu erda kuchli o'zaro ta'sir deb ataladigan mutlaqo boshqa qonunlar mavjud bo'lib, ular proton va neytronlarni qandaydir farq qilib bo'lmaydigan tartibsizlikka aylantiradi. Biroq, bu tartibsizlikning zaryadi unga kiritilgan protonlarning umumiy zaryadiga to'liq tengdir va massa deyarli (takrorlayman, deyarli) yadroni tashkil etuvchi neytronlar va protonlarning massasiga to'g'ri keladi.
Aytgancha, ionlashtirilmagan atomning protonlari soni doimo uni o'rab olish sharafiga ega bo'lgan elektronlar soniga to'g'ri keladi. Ammo neytronlar bilan masala unchalik oddiy emas. To'g'ri aytganda, neytronlarning vazifasi yadroni barqarorlashtirishdir, chunki ularsiz xuddi shunday zaryadlangan protonlar hatto mikrosekundlarda ham birga bo'lmaydi.
Aniqlik uchun vodorodni olaylik. Eng keng tarqalgan vodorod. Uning tuzilishi kulgili darajada sodda - bitta proton bitta orbital elektron bilan o'ralgan. Koinotda juda ko'p vodorod mavjud. Aytishimiz mumkinki, Olam asosan vodoroddan iborat.
Endi ehtiyotkorlik bilan protonga neytron qo'shamiz. Kimyoviy nuqtai nazardan, u hali ham vodorod. Ammo fizika nuqtai nazaridan, endi emas. Ikki xil vodorodni kashf etgandan so'ng, fiziklar xavotirga tushishdi va darhol oddiy vodorod protiyini va protonda neytronli vodorodni - deyteriy deb atash g'oyasi paydo bo'ldi.
Keling, dadil bo'laylik va yadroga yana bir neytron beraylik. Endi bizda yana bir vodorod bor, undan ham og'irroq - tritiy. Shunga qaramay, kimyoviy nuqtai nazardan, u boshqa ikkita vodoroddan deyarli farq qilmaydi (yaxshi, bundan tashqari, u hozir biroz kamroq reaksiyaga kirishadi). Men sizni darhol ogohlantirmoqchiman - hech qanday kuch, tahdid yoki ishontirish tritiy yadrosiga boshqa neytron qo'sha olmaydi. Mahalliy qonunlar insoniy qonunlarga qaraganda ancha qattiqroq.
Demak, protiy, deyteriy va tritiy vodorodning izotoplaridir. Ularning atom massasi har xil, lekin zaryadi unchalik emas. Ammo elementlarning davriy tizimidagi joylashuvni aniqlaydigan yadro zaryadidir. Shuning uchun izotoplar izotoplar deb ataladi. Yunon tilidan tarjima qilinganda "bir joyni egallash" degan ma'noni anglatadi. Aytgancha, taniqli og'ir suv bir xil suvdir, lekin protium o'rniga ikkita deyteriy atomi mavjud. Shunga ko'ra, o'ta og'ir suvda protium o'rniga tritiy mavjud.
Keling, vodorodlarimizni yana bir bor ko'rib chiqaylik. Demak... Protiy joyida, deyteriy joyida... Bu yana kim? Mening tritium qayerga ketdi va geliy-3 qaerdan paydo bo'ldi? Bizning tritiyimizda neytronlardan biri aniq zerikib, kasbini o'zgartirishga qaror qildi va protonga aylandi. Bunda u elektron va antineytrino hosil qildi. Tritiyning yo'qolishi, albatta, umidsizlik, lekin biz endi uning beqaror ekanligini bilamiz. Neytronlarning oziqlanishi bejiz emas edi.
Shunday qilib, siz tushunganingizdek, izotoplar barqaror va beqaror. Atrofimizda juda ko'p barqaror izotoplar mavjud, lekin Xudoga shukur, beqaror izotoplar deyarli yo'q. Ya'ni, ular mavjud, lekin ular juda katta mehnat xarajati evaziga olinishi kerak bo'lgan tarqoq holatda. Misol uchun, Oppengeymer uchun juda ko'p muammo tug'dirgan uran-235 tabiiy uranning atigi 0,7% ni tashkil qiladi.
Yarim hayot
Bu erda hamma narsa oddiy. Beqaror izotopning yarim yemirilish davri - bu izotop atomlarining aynan yarmi parchalanib, boshqa atomlarga aylanadigan vaqt davri. Bizga allaqachon tanish bo'lgan tritiumning yarimparchalanish davri 12,32 yil. Bu juda qisqa muddatli izotop, garchi yarimparchalanish davri 22,3 minut bo'lgan fransiy-223 bilan solishtirganda, tritiy kulrang soqolli oqsoqol kabi ko'rinadi.
Hech qanday makroskopik tashqi omillar (bosim, harorat, namlik, tadqiqotchining kayfiyati, ajratmalar soni, yulduzlarning joylashuvi) yarim umrga ta'sir qilmaydi. Kvant mexanikasi bunday bema'niliklarga befarq.
Ommabop portlash mexanikasi
Har qanday portlashning mohiyati - ilgari erkin bo'lmagan, bog'langan holatda bo'lgan energiyaning tez chiqishi. Chiqarilgan energiya tarqaladi, asosan issiqlikka (molekulalarning tartibsiz harakatining kinetik energiyasi), zarba to'lqiniga (bu erda ham harakat bor, lekin allaqachon tartiblangan, portlash markazidan yo'nalishda) va radiatsiya - dan yumshoq infraqizildan qattiq qisqa to'lqinli kvantlar.
Kimyoviy portlashda hamma narsa nisbatan oddiy. Ba'zi moddalar bir-biri bilan o'zaro ta'sirlashganda, baquvvat foydali reaktsiya paydo bo'ladi. Reaksiyada faqat ba'zi atomlarning yuqori elektron qatlamlari ishtirok etadi va o'zaro ta'sir chuqurroq bo'lmaydi. Har qanday moddada ko'proq yashirin energiya borligini taxmin qilish oson. Ammo tajriba shartlari qanday bo'lishidan qat'iy nazar, biz tanlagan reagentlar qanchalik muvaffaqiyatli bo'lishidan qat'iy nazar, nisbatlarni qanday tekshirmasin, kimyo atomga chuqurroq kirishimizga imkon bermaydi. Kimyoviy portlash ibtidoiy hodisa bo'lib, samarasiz va fizika nuqtai nazaridan juda zaifdir.
Yadro zanjiri reaktsiyasi nafaqat elektronlarni, balki yadrolarni ham jalb qilib, biroz chuqurroq qazish imkonini beradi. Bu, ehtimol, faqat fizik uchun juda muhim tuyuladi, ammo qolganlari uchun men oddiy o'xshatish keltiraman. Tasavvur qiling-a, elektrlashtirilgan chang zarralari bo'lgan ulkan og'irlik uning atrofida bir necha kilometr masofada uchib yuradi. Bu atom, "og'irlik" yadro va "chang zarralari" elektronlardir. Bu chang parchalari bilan nima qilsangiz ham, ular og'ir vazndan olinadigan energiyaning yuzdan bir qismini ham ta'minlamaydi. Ayniqsa, agar biron sababga ko'ra u bo'linib ketsa va massiv bo'laklar turli yo'nalishlarda katta tezlikda tarqalib ketsa.
Yadro portlashi yadroni tashkil etuvchi og'ir zarralarning bog'lanish potentsialini o'z ichiga oladi. Ammo bu chegaradan uzoqdir: moddada ko'proq yashirin energiya mavjud. Va bu energiyaning nomi massadir. Shunga qaramay, fizik bo'lmagan odam uchun bu biroz g'ayrioddiy tuyuladi, lekin massa - bu energiya, faqat juda konsentratsiyalangan. Har bir zarracha: elektron, proton, neytron - bularning barchasi nihoyatda zich energiyaning kichik bo'laklari bo'lib, ular hozircha dam olishadi. Siz hazil yozuvchilar, devor gazetalari muharrirlari va maktab sinflarini bezatish ustalari tomonidan juda yaxshi ko'rilgan E=mc2 formulasini bilsangiz kerak. Aynan shu narsa haqida bo'ladi va u massani energiya shakli sifatida ko'rsatadigan narsadir. Va shuningdek, moddadan maksimalgacha qancha energiya olish mumkinligi haqidagi savolga javob beradi.
Massaning, ya'ni bog'langan energiyaning erkin energiyaga to'liq o'tish jarayoni annigilyatsiya deyiladi. Lotincha "nihil" ildizidan uning mohiyatini taxmin qilish oson - bu "hech narsa" ga, to'g'rirog'i, nurlanishga aylanish. Aniqlik uchun bu erda bir nechta raqamlar mavjud.
Portlash TNT ekvivalenti energiyasi (J)
F-1 granatasi 60 gramm 2,50*105
Xirosimaga tashlangan bomba 16 kiloton 6,70*1013
Bir gramm materiyaning yo'q qilinishi 21,5 kiloton 8,99*1013
Har qanday moddaning bir grammi (faqat massasi muhim) yo'q bo'lganda, kichik yadroviy bombadan ko'ra ko'proq energiya beradi. Bunday qaytishlar bilan solishtirganda, fiziklarning yadro bo'linishi bo'yicha mashqlari va undan ham ko'proq kimyogarlarning faol reagentlar bilan tajribalari kulgili ko'rinadi.
Yo'q qilish uchun tegishli sharoitlar kerak, ya'ni moddaning antimateriya bilan aloqasi. Va "qizil simob" yoki "falsafa toshidan" farqli o'laroq, antimateriya haqiqiy emas - bizga ma'lum bo'lgan zarralar uchun shunga o'xshash antizarralar mavjud va o'rganilgan va "elektron + pozitron" juftlarini yo'q qilish bo'yicha tajribalar bir necha bor o'tkazilgan. amaliyotda amalga oshirildi. Ammo yo'q qilish qurolini yaratish uchun ma'lum miqdordagi antipartikullarni to'plash, shuningdek ularni har qanday materiya bilan aloqa qilishdan, aslida jangovar foydalanishgacha cheklash kerak. Bu, pah-pah, hali ham uzoq istiqbol.
Ommaviy nuqson
Portlash mexanikasi bilan bog'liq tushunilishi kerak bo'lgan oxirgi savol - bu energiya qayerdan keladi: zanjir reaktsiyasi paytida chiqariladigan bir xilmi? Bu erda yana bir qancha ommaviy ishtirok bor edi. To'g'rirog'i, uning "nuqsoni"siz.
O'tgan asrga qadar olimlar massa har qanday sharoitda saqlanib qoladi deb ishonishgan va ular o'zlaricha haq edilar. Shunday qilib, biz metallni kislotaga tushirdik - u retortda pufakcha qila boshladi va gaz pufakchalari suyuqlikning qalinligi bo'ylab yuqoriga otildi. Ammo agar siz reagentlarni reaktsiyadan oldin va keyin tortsangiz, chiqarilgan gazni esdan chiqarmasangiz, massa birlashadi. Kilogramm, metr va kimyoviy reaksiyalar bilan ishlayotgan ekanmiz, bu har doim shunday bo'ladi.
Ammo siz mikrozarrachalar sohasini o'rganishingiz bilanoq, massa ham ajablantiradi. Ma’lum bo‘lishicha, atomning massasi uni tashkil etuvchi zarrachalar massalari yig‘indisiga mutlaqo teng bo‘lmasligi mumkin. Og'ir yadro (masalan, uran) qismlarga bo'linganda, "parchalar" bo'linishdan oldingi yadrodan kamroq og'irlik qiladi. Ommaviy nuqson deb ham ataladigan "farq" yadro ichidagi bog'lanish energiyasi uchun javobgardir. Va bu farq portlash paytida issiqlik va radiatsiyaga o'tadi, barchasi bir xil oddiy formula bo'yicha: E = mc2.
Bu qiziq: shunday bo'ladiki, og'ir yadrolarni ajratish va engil yadrolarni birlashtirish energiya jihatidan foydalidir. Birinchi mexanizm uran yoki plutoniy bombasida, ikkinchisi vodorod bombasida ishlaydi. Ammo temirdan bomba yasay olmaysiz, qanchalik harakat qilsangiz ham: bu chiziqning o'rtasida.
Yadro bombasi
Tarixiy ketma-ketlikka rioya qilgan holda, keling, avval yadro bombalarini ko'rib chiqamiz va kichik "Manxetten loyihamiz" ni amalga oshiramiz. Men sizni izotoplarni ajratishning zerikarli usullari va bo'linish zanjiri reaktsiyasi nazariyasining matematik hisoblari bilan zeriktirmayman. Siz va menda uran, plutoniy, boshqa materiallar, yig'ish bo'yicha ko'rsatmalar va kerakli miqdordagi ilmiy qiziqish bor.
Uranning barcha izotoplari u yoki bu darajada beqaror. Ammo uran-235 alohida holatda. Uran-235 yadrosining o'z-o'zidan parchalanishi paytida (alfa-parchalanish deb ham ataladi) ikkita bo'lak (boshqa, ancha engilroq elementlarning yadrolari) va bir nechta neytronlar (odatda 2-3) hosil bo'ladi. Agar parchalanish jarayonida hosil bo'lgan neytron boshqa uran atomining yadrosiga tegsa, oddiy elastik to'qnashuv sodir bo'ladi, neytron sakrab o'tadi va sarguzasht qidirishni davom ettiradi. Ammo bir muncha vaqt o'tgach, u energiyani isrof qiladi (mukammal elastik to'qnashuvlar faqat vakuumda sharsimon otlar orasida sodir bo'ladi) va keyingi yadro tuzoqqa aylanadi - neytron u tomonidan so'riladi. Aytgancha, fiziklar bunday neytron termal deb atashadi.
Uranning ma'lum izotoplari ro'yxatiga qarang. Ular orasida atom massasi 236 bo'lgan izotop yo'q. Nima uchun bilasizmi? Bunday yadro mikrosekundlarning bir qismi yashaydi va keyin parchalanib, katta miqdorda energiya chiqaradi. Bu majburiy parchalanish deb ataladi. Bunday umr bo'yi bo'lgan izotopni izotop deb atash qandaydir noqulay.
Uran-235 yadrosining parchalanishi paytida ajralib chiqadigan energiya parchalar va neytronlarning kinetik energiyasidir. Agar siz uran yadrosining parchalanish mahsulotlarining umumiy massasini hisoblab chiqsangiz va uni asl yadro massasi bilan taqqoslasangiz, bu massalar bir-biriga to'g'ri kelmasligi ma'lum bo'ladi - dastlabki yadro kattaroq edi. Bu hodisa massa nuqsoni deyiladi va uning izohi E0=ms2 formulasida keltirilgan. Yorug'lik tezligi kvadratiga bo'lingan parchalarning kinetik energiyasi massalar farqiga to'liq teng bo'ladi. Parchalar uranning kristall panjarasida sekinlashadi, rentgen nurlanishini hosil qiladi va neytronlar sayohat qilib, boshqa uran yadrolari tomonidan so'riladi yoki uran quyish jarayonini tark etadi, bu erda barcha hodisalar sodir bo'ladi.
Agar uran quyish kichik bo'lsa, u holda neytronlarning ko'pchiligi sekinlashishga vaqt topolmasdan uni tark etadi. Ammo agar har bir majburiy parchalanish harakati chiqarilgan neytron tufayli kamida bitta shunga o'xshash harakatga sabab bo'lsa, bu allaqachon o'z-o'zidan bo'linishning zanjirli reaktsiyasi.
Shunga ko'ra, agar siz quyma hajmini oshirsangiz, neytronlarning ko'payishi majburiy bo'linish harakatlarini keltirib chiqaradi. Va bir nuqtada zanjir reaktsiyasi boshqarib bo'lmaydigan holga keladi. Ammo bu yadroviy portlashdan uzoqdir. Faqat juda "iflos" termal portlash, bu juda ko'p miqdordagi juda faol va zaharli izotoplarni chiqaradi.
To'liq mantiqiy savol: bo'linish zanjiri reaktsiyasi ko'chkiga aylanishi uchun qancha uran-235 kerak? Bu aslida unchalik oddiy emas. Bu erda parchalanuvchi materialning xossalari va hajmning sirtga nisbati muhim rol o'ynaydi. Yupqa va juda uzun sim ko'rinishida mavjud bo'lgan bir tonna uran-235 (men darhol buyurtma qilaman - bu juda ko'p) ni tasavvur qiling. Ha, u bo'ylab uchayotgan neytron, albatta, majburiy parchalanish aktini keltirib chiqaradi. Ammo sim bo'ylab uchadigan neytronlarning ulushi shunchalik kichik bo'ladiki, o'z-o'zini ushlab turadigan zanjir reaktsiyasi haqida gapirish shunchaki kulgili.
Shuning uchun biz sharsimon quyma uchun kritik massani hisoblashga kelishib oldik. Sof uran-235 uchun kritik massa 50 kg (bu radiusi 9 sm bo'lgan to'p). Bunday to'p uzoq davom etmasligini tushunasiz, ammo uni tashlaganlar ham.
Agar massasi kichikroq shar neytron reflektor bilan o'ralgan bo'lsa (uning uchun berilliy juda mos keladi) va to'pga neytron moderator moddasi (suv, og'ir suv, grafit, xuddi shu berilliy) kiritilsa, u holda kritik massa katta bo'ladi. kichikroq. Eng samarali reflektorlar va neytron moderatorlaridan foydalangan holda, tanqidiy massani 250 grammgacha oshirish mumkin. Bunga, masalan, uran-235 tuzining og'ir suvdagi to'yingan eritmasini sharsimon berilliy idishga joylashtirish orqali erishish mumkin.
Kritik massa nafaqat uran-235 uchun mavjud. Bundan tashqari, bo'linish zanjiri reaktsiyalariga qodir bo'lgan bir qator izotoplar mavjud. Asosiy shart shundaki, yadroning parchalanish mahsulotlari boshqa yadrolarning parchalanishiga olib kelishi kerak.
Shunday qilib, bizda har birining og'irligi 40 kg bo'lgan ikkita yarim sharsimon uran quyma mavjud. Ular bir-biridan hurmatli masofada qolsalar, hamma narsa tinch bo'ladi. Agar siz ularni sekin harakatlantira boshlasangiz nima bo'ladi? Ommabop e'tiqodga qaramasdan, qo'ziqorin kabi hech narsa bo'lmaydi. Faqat bo'laklar yaqinlashganda qiziy boshlaydi, keyin esa, agar siz o'z vaqtida o'zingizga kelmasangiz, ular qizarib ketadi. Oxir-oqibat, ular shunchaki eriydi va tarqaladi va quymalarni ko'chirgan har bir kishi neytron nurlanishidan o'ladi. Buni qiziqish bilan tomosha qilganlar esa qanotlarini yopishtiradilar.
Tezroq bo'lsa-chi? Ular tezroq eriydi. Hatto tezroqmi? Ular tezroq eriydi. Ajoyibmi? Agar siz uni suyuq geliyga solsangiz ham, u hech qanday foyda keltirmaydi. Agar bir qismni boshqasiga otib tashlasangiz nima bo'ladi? HAQIDA! Haqiqat momenti. Biz hozirgina uran to'pi dizaynini o'ylab topdik. Biroq, bizda g'ururlanadigan hech narsa yo'q, bu sxema mumkin bo'lgan eng oddiy va eng badiiydir. Ha, va yarim sharlardan voz kechish kerak bo'ladi. Amaliyot shuni ko'rsatadiki, ular bir-biriga silliq yopishib qolishga moyil emaslar. Eng kichik buzilish - va siz juda qimmat "fart" olasiz, shundan so'ng siz uzoq vaqt tozalashingiz kerak bo'ladi.
Massasi 30-40 kg bo'lgan qisqa qalin devorli uran-235 trubkasini yasagan ma'qul, uning teshigiga xuddi shu kalibrli, xuddi shu silindr bilan zaryadlangan yuqori mustahkam po'lat barrelni biriktiramiz. taxminan bir xil massadagi uran. Keling, uran nishonini berilliy neytron reflektori bilan o'rab olamiz. Endi uranning “o‘qini” uran “trubkasi”ga otgan bo‘lsangiz, “quvur” to‘la bo‘ladi. Ya'ni, yadroviy portlash sodir bo'ladi. Siz shunchaki jiddiy otishingiz kerak, shunda uran raketasining tezligi kamida 1 km / s ni tashkil qiladi. Aks holda, yana fart bo'ladi, lekin balandroq. Gap shundaki, snaryad va nishon bir-biriga yaqinlashganda, ular shunchalik qiziydiki, ular yuzadan intensiv bug'lana boshlaydi va kelayotgan gaz oqimlari bilan sekinlashadi. Bundan tashqari, agar tezlik etarli bo'lmasa, u holda snaryad shunchaki nishonga etib bormasligi, balki yo'lda bug'lanib ketishi ehtimoli bor.
Og'irligi bir necha o'n kilogramm bo'lgan blankni bunday tezlikka va bir necha metr masofaga tezlashtirish juda qiyin ishdir. Shuning uchun sizga porox emas, balki juda qisqa vaqt ichida barrelda kerakli gaz bosimini yaratishga qodir kuchli portlovchi kerak bo'ladi. Va keyinroq barrelni tozalashingiz shart emas, tashvishlanmang.
Xirosimaga tashlangan Mk-I "Little Boy" bombasi to'p dizayniga mos ravishda ishlab chiqilgan.
Albatta, biz loyihamizda e'tiborga olinmagan mayda-chuyda tafsilotlar bor, lekin biz printsipning o'ziga qarshi umuman gunoh qilmadik.
Shunday qilib. Biz uran bombasini portlatdik. Biz qo'ziqoringa qoyil qoldik. Endi biz plutoniyni portlatamiz. Faqat nishon, o'q, barrel va boshqa axlatlarni bu erga sudrab bormang. Bu hiyla plutoniy bilan ishlamaydi. Agar biz bir parchani boshqasiga 5 km / s tezlikda otgan bo'lsak ham, o'ta kritik yig'ish hali ham ishlamaydi. Plutonium-239 isishi, bug'lanishi va atrofdagi hamma narsani buzish uchun vaqt topadi. Uning tanqidiy massasi 6 kg dan bir oz ko'proq. Neytronlarni ushlash nuqtai nazaridan qanchalik faolroq ekanligini tasavvur qilishingiz mumkin.
Plutoniy noodatiy metalldir. Harorat, bosim va aralashmalarga qarab, u kristall panjaraning oltita modifikatsiyasida mavjud. Hatto o'zgartirishlar ham mavjudki, ular qizdirilganda qisqaradi. Bir fazadan ikkinchisiga o'tish keskin sodir bo'lishi mumkin, plutoniyning zichligi esa 25% ga o'zgarishi mumkin.Keling, barcha oddiy qahramonlar kabi aylanma yo'ldan boraylik. Kritik massa, xususan, hajmning sirtga nisbati bilan aniqlanishini eslaylik. OK, bizda ma'lum hajm uchun minimal sirt maydoniga ega bo'lgan subkritik massa to'pi bor. Aytaylik, 6 kilogramm. To'pning radiusi 4,5 sm.Bu to'p har tomondan siqilsa-chi? Zichlik chiziqli siqilish kubiga mutanosib ravishda ortadi va sirt uning kvadratiga mutanosib ravishda kamayadi. Va shunday bo'ladi: plutoniy atomlari zichroq bo'ladi, ya'ni neytronning to'xtash masofasi qisqaradi, ya'ni uning yutilish ehtimoli ortadi. Ammo, yana, kerakli tezlikda (taxminan 10 km / s) siqish uchun hali ham ishlamaydi. Boshi berk? Lekin yoq.
300 ° C da delta deb ataladigan faza boshlanadi - eng bo'sh. Agar plutoniyga galliy qo'shilsa, shu haroratgacha qizdirilsa va keyin asta-sekin sovutilsa, delta fazasi xona haroratida mavjud bo'lishi mumkin. Ammo bu barqaror bo'lmaydi. Yuqori bosimda (o'n minglab atmosfera tartibida) juda zich alfa fazaga keskin o'tish sodir bo'ladi.
Uran-238 dan yasalgan katta (diametri 23 sm) va og'ir (120 kg) ichi bo'sh sharga plutoniy sharini joylashtiramiz. Xavotir olmang, uning kritik massasi yo'q. Lekin u tez neytronlarni mukammal aks ettiradi. Va ular biz uchun hali ham foydali bo'ladi.Siz uni portlatishdi deb o'ylaysizmi? Qanday bo'lmasin. Plutoniy juda injiq mavjudotdir. Yana biroz ish qilishimiz kerak. Delta fazasida plutoniydan ikkita yarim shar yasaymiz. Markazda sharsimon bo'shliq hosil qilaylik. Va bu bo'shliqda biz yadro qurolining kvintessensiyasini - neytron tashabbuskorini joylashtiramiz. Bu diametri 20 va qalinligi 6 mm bo'lgan kichik ichi bo'sh berilliy to'pi. Uning ichida diametri 8 mm bo'lgan yana bir berilliy to'pi bor. Bo'shliq to'pning ichki yuzasida chuqur oluklar mavjud. Hamma narsa saxovatli nikel bilan qoplangan va oltin bilan qoplangan. Polonium-210 alfa zarralarini faol ravishda chiqaradigan oluklarga joylashtiriladi. Bu texnologiya mo''jizasi. Bu qanday ishlaydi? Bir soniya. Hali qiladigan ishlarimiz bor.
Keling, uran qobig'ini bor bilan alyuminiy qotishmasidan yasalgan boshqasi bilan o'rab olamiz. Uning qalinligi taxminan 13 sm.Jami bizning "matryoshka" hozirda qalinligi yarim metrgacha o'sdi va 6 dan 250 kg gacha vaznga ega bo'ldi.
Keling, portlash "linzalari" ni yarataylik. Futbol to'pini tasavvur qiling. Klassik, 20 olti burchakli va 12 beshburchakdan iborat. Biz portlovchi moddalardan bunday "to'p" yasaymiz va har bir segment bir nechta elektr detonatorlar bilan jihozlangan. Segmentning qalinligi taxminan yarim metrni tashkil qiladi. Bundan tashqari, "linzalar" ishlab chiqarishda juda ko'p nozikliklar mavjud, ammo ularni tasvirlab beradigan bo'lsak, qolgan hamma narsa uchun joy etarli bo'lmaydi. Asosiysi, linzalarning maksimal aniqligi. Kichkina xato - va butun yig'ilish portlovchi moddaning portlashi bilan parchalanadi. Endi to'liq yig'ish diametri taxminan bir yarim metr va massasi 2,5 tonnani tashkil etadi. Dizayn elektr zanjiri bilan yakunlanadi, uning vazifasi detonatorlarni mikrosekundlik aniqlik bilan qat'iy belgilangan ketma-ketlikda portlatishdir.
Hammasi. Bizning oldimizda plutoniyning portlash davri.
Va endi - eng qiziqarli qism.
Portlash paytida portlovchi moslamani siqib chiqaradi va alyuminiy "itaruvchi" portlash to'lqinining parchalanishini old tomondan ichkariga tarqalishini oldini oladi. Urandan taxminan 12 km/s tezlik bilan o'tib, siqilish to'lqini uni ham, plutoniyni ham siqib chiqaradi. Plutoniy yuz minglab atmosferadagi siqish zonasidagi bosimlarda (portlash jabhasini fokuslash effekti) keskin alfa fazaga o'tadi. 40 mikrosekundda bu erda tasvirlangan uran-plutoniy birikmasi nafaqat o'ta kritik, balki kritik massadan bir necha baravar ko'p bo'ladi.
Boshlovchiga etib borgan siqish to'lqini butun tuzilishini monolitga aylantiradi. Bunday holda, oltin-nikel izolyatsiyasi buziladi, poloniy-210 diffuziya tufayli berilliyga kiradi, u tomonidan chiqarilgan va berilliy orqali o'tadigan alfa zarralari neytronlarning ulkan oqimini keltirib chiqaradi va butun bo'ylab bo'linish zanjiri reaktsiyasini qo'zg'atadi. plutoniy hajmi va plutoniyning parchalanishi natijasida hosil bo'lgan "tez" neytronlar oqimi uran-238 portlashiga olib keladi. Bajarildi, biz ikkinchi qo'ziqorinni o'stirdik, birinchisidan ham yomon emas.
Plutonium portlash dizayniga misol Nagasakiga tashlangan Mk-III "Fatman" bombasi.
Bu erda tasvirlangan barcha fokuslar plutoniy atom yadrolarining maksimal sonini reaksiyaga kirishga majbur qilish uchun kerak. Asosiy vazifa zaryadni imkon qadar uzoq vaqt davomida ixcham holatda ushlab turish va uning plazma bulutiga tarqalishini oldini olishdir, bunda zanjir reaktsiyasi bir zumda to'xtaydi. Bu erda olingan har bir mikrosekund bir yoki ikki kiloton quvvatning oshishi hisoblanadi.
Termoyadroviy bomba
Yadro bombasi termoyadro uchun sug'urta ekanligi haqida keng tarqalgan fikr mavjud. Aslida, hamma narsa ancha murakkab, ammo mohiyat to'g'ri ushlangan. Termoyadroviy sintez tamoyillariga asoslangan qurollar shunday portlash kuchiga erishishga imkon berdiki, hech qanday sharoitda bo'linish zanjiri reaktsiyasi bilan erishib bo'lmaydi. Ammo hozirgacha termoyadro termoyadroviy reaktsiyasini "yoqishi" mumkin bo'lgan yagona energiya manbai yadro portlashidir.
Siz va men vodorod yadrosini neytronlar bilan qanday “oziqlaganimizni” eslaysizmi? Shunday qilib, agar siz ikkita protonni shu tarzda ulashga harakat qilsangiz, hech narsa ishlamaydi. Kulon itaruvchi kuchlar tufayli protonlar bir-biriga yopishmaydi. Yoki ular uchib ketishadi yoki beta-parchalanish sodir bo'ladi va protonlardan biri neytronga aylanadi. Ammo geliy-3 mavjud. Protonlarni bir-biriga moslashtiradigan yagona neytron tufayli.
Aslida, geliy-3 yadrosining tarkibiga asoslanib, biz bitta geliy-3 yadrosini protiy va deyteriy yadrolaridan yig'ish mumkin degan xulosaga kelishimiz mumkin. Nazariy jihatdan, bu to'g'ri, lekin bunday reaktsiya faqat katta va issiq yulduzlarning chuqurligida sodir bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, yulduzlarning chuqurligida geliyni hatto protonlardan ham to'plash mumkin va ularning bir qismini neytronlarga aylantiradi. Ammo bu allaqachon astrofizika savollari va biz uchun erishish mumkin bo'lgan variant ikkita deyteriy yadrosini yoki deyteriy va tritiyni birlashtirishdir.
Yadro sintezi juda aniq shartni talab qiladi. Bu juda yuqori (109 K) harorat. Faqat yadrolarning o'rtacha kinetik energiyasi 100 kiloelektronvolt bo'lganida, ular bir-biriga kuchli o'zaro ta'sir Kulon o'zaro ta'sirini yengib chiqa boshlagan masofaga yaqinlasha oladi.
To'liq qonuniy savol - nega bu bog'ni panjara bilan o'rash kerak? Gap shundaki, engil yadrolarning sintezi paytida 20 MeV ga teng energiya ajralib chiqadi. Albatta, uran yadrosining majburiy bo'linishi bilan bu energiya 10 baravar ko'pdir, ammo bitta ogohlantirish bor - eng katta hiyla bilan, hatto 1 megaton quvvatga ega uran zaryadi ham mumkin emas. Hatto yanada rivojlangan plutoniy bombasi uchun ham erishish mumkin bo'lgan energiya har bir kilogramm plutoniy uchun 7-8 kilotondan oshmaydi (nazariy maksimal 18 kiloton). Shuni ham unutmangki, uran yadrosi ikkita deyteriy yadrosidan deyarli 60 marta og'irroqdir. Agar biz o'ziga xos energiya rentabelligini hisobga olsak, termoyadro termoyadroviy sintezi sezilarli darajada oldinda.
Va yana bir narsa - termoyadroviy zaryad uchun kritik massaga hech qanday cheklovlar yo'q. Unda shunchaki yo'q. Biroq, boshqa cheklovlar mavjud, ammo ular haqida quyida batafsilroq ma'lumot.
Aslida, neytronlar manbai sifatida termoyadro reaktsiyasini boshlash juda oddiy. Uni energiya manbai sifatida ishga tushirish ancha qiyin. Bu erda biz termoyadro reaktsiyasining energiya foydasini aniqlaydigan Lawson mezoni bilan duch kelamiz. Agar reaksiyaga kirishuvchi yadrolar zichligi va ularning termoyadroviy masofada saqlanish vaqtining mahsuloti 1014 sek/sm3 dan katta bo‘lsa, sintez bilan ta’minlangan energiya tizimga kiritilgan energiyadan oshib ketadi.
Barcha termoyadro dasturlari ushbu mezonga erishishga bag'ishlangan edi.
Edvard Tellerga kelgan birinchi termoyadroviy bomba dizayni to'p dizayni yordamida plutoniy bombasini yaratishga urinishga o'xshash narsa edi. Ya'ni, hamma narsa to'g'ri ko'rinadi, lekin u ishlamaydi. "Klassik super" qurilmasi - plutoniy bombasi botirilgan suyuq deyteriy haqiqatan ham klassik edi, ammo superdan uzoq edi.
Suyuq deyteriyda yadro zaryadini portlatish g'oyasi boshidanoq boshi berk ko'chaga aylandi. Bunday sharoitda 500 kt quvvatga ega yadro zaryadini portlatish orqali termoyadro termoyadroviy energiyasining ko'p yoki kamroq chiqishiga erishish mumkin edi. Louson mezoniga erishish haqida esa umuman gapirishning hojati yo'q edi.
Issiqlik izolyatori va portlash kuchaytirgichi sifatida uran-238 bilan kesishgan termoyadroviy yoqilg'i qatlamlari bilan yadroviy tetik zaryadini o'rab olish g'oyasi ham Tellerga kelgan. Va nafaqat u. Birinchi sovet termoyadro bombalari aynan shu dizaynga muvofiq qurilgan. Printsip juda oddiy edi: yadroviy zaryad termoyadro yoqilg'isini termoyadroviy sintez boshlanadigan haroratgacha qizdiradi va sintez paytida hosil bo'lgan tez neytronlar uran-238 qatlamlarini portlatadi. Biroq, cheklov bir xil bo'lib qoldi - yadroviy tetik ta'minlay oladigan haroratda termoyadroviy reaktsiyaga faqat arzon deyteriy va nihoyatda qimmat tritiy aralashmasi kirishi mumkin edi.
Keyinchalik Teller litiy-6 deyteridi birikmasidan foydalanish g'oyasini ilgari surdi. Ushbu yechim suyuq deyteriyli qimmat va noqulay kriogenli idishlardan voz kechishga imkon berdi. Bundan tashqari, neytronlar bilan nurlanish natijasida litiy-6 geliy va tritiyga aylanib, deyteriy bilan sintez reaktsiyasiga kirdi.
Ushbu sxemaning kamchiliklari cheklangan quvvat edi - tetikni o'rab turgan termoyadro yoqilg'isining faqat cheklangan qismi termoyadroviy reaktsiyaga kirishga ulgurdi. Qolganlari, qancha bo'lmasin, kanalga tushib ketdi. "Puf" dan foydalanganda olingan maksimal zaryad quvvati 720 kt (British Orange Herald bombasi) edi. Ko'rinishidan, bu "ship" edi.
Biz allaqachon Teller-Ulam sxemasining rivojlanish tarixi haqida gapirgan edik. Keling, "ikki bosqichli" yoki "radiatsiya siqish davri" deb ham ataladigan ushbu sxemaning texnik tafsilotlarini tushunamiz.
Bizning vazifamiz Louson mezonini bajarish uchun termoyadro yoqilg'isini isitish va uni ma'lum hajmda ushlab turishdir. Kriogen sxemalar bilan Amerika mashqlarini chetga surib, termoyadro yoqilg'isi sifatida bizga allaqachon ma'lum bo'lgan lityum-6 deuteridni olaylik.
Biz termoyadroviy zaryad uchun konteyner materiali sifatida uran-238 ni tanlaymiz. Idish silindrsimon shaklga ega. Idishning o'qi bo'ylab, uning ichiga biz uran-235 dan yasalgan silindrsimon tayoqni joylashtiramiz, u subkritik massaga ega.
Eslatma: o'z vaqtida shov-shuvli bo'lgan neytron bombasi xuddi shu Teller-Ulam sxemasi, ammo konteyner o'qi bo'ylab uran tayog'isiz. Gap shundaki, tez neytronlarning kuchli oqimini ta'minlash, lekin neytronlarni iste'mol qiladigan barcha termoyadro yoqilg'ilarining yonib ketishining oldini olish.
Idishning qolgan bo'sh joyini lityum-6 deuterid bilan to'ldiramiz. Kelajakdagi bomba tanasining bir uchiga konteyner joylashtiramiz (bu ikkinchi bosqich bo'ladi), boshqa uchida esa bir necha kiloton quvvatga ega oddiy plutoniy zaryadini o'rnatamiz (birinchi bosqich). Yadro va termoyadro zaryadlari o'rtasida biz uran-238 dan yasalgan qismni o'rnatamiz, bu litiy-6 deyteridining muddatidan oldin qizib ketishining oldini oladi. Bomba tanasi ichidagi qolgan bo'sh joyni qattiq polimer bilan to'ldiramiz. Aslida, termoyadroviy bomba tayyor.
Yadro zaryadi portlaganda energiyaning 80% rentgen nurlari shaklida ajralib chiqadi. Uning tarqalish tezligi plutoniy parchalanish qismlarining tarqalish tezligidan ancha yuqori. Mikrosoniyaning yuzdan bir qismidan so'ng uran ekrani bug'lanadi va rentgen nurlanishi termoyadroviy zaryad konteyneridagi uran tomonidan intensiv ravishda so'rila boshlaydi. Ablatsiya deb ataladigan (issiq idishning yuzasidan massani olib tashlash) natijasida idishni 10 marta siqib chiqaradigan reaktiv kuch paydo bo'ladi. Bu ta'sir radiatsiya portlashi yoki radiatsiya siqilishi deb ataladi. Bu holda termoyadro yoqilg'isining zichligi 1000 marta ortadi. Radiatsiya portlashining ulkan bosimi natijasida uran-235 ning markaziy tayoqchasi ham ozgina bo'lsa ham siqilib, o'ta kritik holatga o'tadi. Bu vaqtga kelib, termoyadro bloki yadro portlashidan tez neytronlar bilan bombardimon qilinadi. Litiy-6 deyterididan o'tgandan so'ng, ular sekinlashadi va uran tayoqchasi tomonidan intensiv ravishda so'riladi.
Tayoqda parchalanish zanjiri reaktsiyasi boshlanadi, bu tezda konteyner ichida yadro portlashiga olib keladi. Litiy-6 deyteridi tashqaridan ablativ siqilishga va ichkaridan yadro portlashining bosimiga duchor bo'lganligi sababli uning zichligi va harorati yanada ortadi. Bu moment sintez reaksiyasining boshlanishi hisoblanadi. Uning keyingi parvarishi idishning ichidagi termoyadroviy jarayonlarni qancha vaqt ushlab turishi, issiqlik energiyasining tashqariga chiqishiga to'sqinlik qilishi bilan belgilanadi. Aynan shu narsa Louson mezoniga erishishni belgilaydi. Termoyadro yoqilg'isi silindr o'qidan uning chetiga qadar yonib ketadi. Yonish jabhasining harorati 300 million Kelvinga etadi. Termoyadro yoqilg'isi yonib ketguncha va konteyner vayron bo'lgunga qadar portlashning to'liq rivojlanishi bir necha yuz nanosekundni oladi - bu iborani o'qish uchun sarflaganingizdan yigirma million marta tezroq.
Ikki bosqichli sxemaning ishonchli ishlashi konteynerning aniq yig'ilishiga va erta isitishning oldini olishga bog'liq.
Teller-Ulam zanjiri uchun termoyadro zaryadining kuchi yadroviy tetikning kuchiga bog'liq bo'lib, u nurlanish bilan samarali siqishni ta'minlaydi. Biroq, endi ko'p bosqichli sxemalar mavjud bo'lib, ularda oldingi bosqichning energiyasi keyingi bosqichni siqish uchun ishlatiladi. Uch bosqichli sxemaga misol sifatida yuqorida aytib o'tilgan 100 megatonli "Kuzkina ona" dir.
Yuklanmoqda...