کمی بیشتر از دو ماه از پایان بدترین جنگ تاریخ بشریت می گذرد. و به این ترتیب، در 16 جولای 1945، اولین بمب هسته ای توسط ارتش ایالات متحده آزمایش شد و یک ماه بعد، هزاران نفر از ساکنان شهرهای ژاپن در جهنم اتمی جان خود را از دست دادند. از آن زمان تاکنون، سلاح‌های هسته‌ای و همچنین ابزارهای رساندن آنها به اهداف، برای بیش از نیم قرن به طور مداوم بهبود یافته است.
ارتش می خواست مهمات فوق العاده قدرتمندی را در اختیار داشته باشد که با یک ضربه کل شهرها و کشورها را از روی نقشه جارو کند و موارد بسیار کوچکی که در یک کیف قرار می گیرند. چنین وسیله ای جنگ خرابکارانه را به سطح بی سابقه ای می رساند. هم با اولی و هم با دومی مشکلات غیرقابل حلی وجود داشت. دلیل این امر به اصطلاح جرم بحرانی است. با این حال، اول از همه.
چنین هسته انفجاری
برای درک نحوه عملکرد دستگاه های هسته ای و درک آنچه جرم بحرانی نامیده می شود، اجازه دهید برای مدتی به میز کار برگردیم. از درس فیزیک مدرسه، ما یک قانون ساده را به یاد می آوریم: بارهایی به همین نام یکدیگر را دفع می کنند. در همان مکان، در دبیرستان، به دانش آموزان در مورد ساختار هسته اتم، متشکل از نوترون، ذرات خنثی وپروتون های با بار مثبت ولی چطور این ممکن است؟ ذرات با بار مثبت آنقدر به هم نزدیک هستند که نیروهای دافعه باید عظیم باشند.
علم به طور کامل از ماهیت نیروهای درون هسته ای که پروتون ها را در کنار هم نگه می دارند آگاه نیست، اگرچه خواص این نیروها به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است. نیروها فقط در فاصله بسیار نزدیک عمل می کنند. اما جدا کردن پروتون ها در فضا حداقل کمی ارزش دارد، زیرا نیروهای دافعه شروع به غلبه می کنند و هسته تکه تکه می شود. و قدرت چنین گسترشی واقعاً عظیم است. مشخص است که قدرت یک مرد بالغ برای نگه داشتن پروتون های تنها یک هسته اتم سرب کافی نیست.
رادرفورد از چه می ترسید
هسته های اکثر عناصر جدول تناوبی پایدار هستند. اما با افزایش عدد اتمی، این پایداری کاهش می یابد. اندازه هسته هاست. هسته یک اتم اورانیوم را تصور کنید که از 238 هسته تشکیل شده است که 92 عدد آن پروتون است. بله، پروتون ها در تماس نزدیک با یکدیگر هستند و نیروهای درون هسته ای به طور ایمن کل ساختار را سیمان می کنند. اما نیروی دافعه پروتون های واقع در انتهای مخالف هسته قابل توجه می شود.
رادرفورد چه کار می کرد؟ او اتم ها را با نوترون بمباران کرد (الکترون از لایه الکترونی اتم عبور نمی کند و پروتون با بار مثبت به دلیل نیروهای دافعه نمی تواند به هسته نزدیک شود). ورود نوترون به هسته اتم باعث شکافت آن می شود. دو نیمه جداگانه و دو یا سه نوترون آزاد از هم جدا شدند.
این فروپاشی به دلیل سرعت بسیار زیاد ذرات در حال پرواز، با آزاد شدن انرژی عظیمی همراه بود. شایعه ای وجود داشت که رادرفورد حتی می خواست کشف خود را پنهان کند، زیرا از عواقب احتمالی آن برای بشریت می ترسید، اما به احتمال زیاد این چیزی بیش از یک افسانه نیست.
پس توده چه ربطی به آن دارد و چرا حیاتی است
پس چی؟ چگونه می توان به اندازه کافی فلز رادیواکتیو را با جریانی از پروتون تابش کرد تا یک انفجار قوی ایجاد کند؟ و جرم بحرانی چیست؟ همه چیز در مورد آن چند الکترون آزاد است که از هسته اتمی "بمبباران شده" به بیرون پرواز می کنند، آنها نیز به نوبه خود، برخورد با هسته های دیگر، باعث شکافت آنها می شوند. به اصطلاح واکنش زنجیره ای هسته ای آغاز خواهد شد. با این حال، راه اندازی آن بسیار دشوار خواهد بود.
مقیاس را بررسی کنید. اگر یک سیب را روی میز خود به عنوان هسته یک اتم بگیریم، برای تصور هسته اتم همسایه، باید همان سیب را حمل کرده و نه حتی در اتاق بعدی، روی میز بگذاریم، بلکه … در خانه بعدی نوترون به اندازه یک دانه گیلاس خواهد بود.
برای اینکه نوترون های ساطع شده بیهوده در خارج از شمش اورانیوم پرواز نکنند و بیش از ۵۰ درصد آنها هدفی به شکل هسته اتمی پیدا کنند، این شمش باید اندازه مناسبی داشته باشد. این همان چیزی است که جرم بحرانی اورانیوم نامیده می شود - جرمی که در آن بیش از نیمی از نوترون های ساطع شده با هسته های دیگر برخورد می کنند.
در واقع، در یک لحظه اتفاق می افتد. تعداد هسته‌های شکافته شده مانند بهمن رشد می‌کنند، قطعات آنها با سرعتی قابل مقایسه به همه جهات می‌روند.سرعت نور، شکافتن هوای آزاد، آب، هر وسیله دیگری. از برخورد آنها با مولکول‌های محیطی، ناحیه انفجار فوراً تا میلیون‌ها درجه گرم می‌شود و گرمایی ساطع می‌کند که همه چیز را در منطقه‌ای به طول چندین کیلومتر می‌سوزاند.
هوای گرم شده ناگهانی فوراً اندازه خود را افزایش می دهد و یک موج شوک قوی ایجاد می کند که ساختمان ها را از پایه منفجر می کند، واژگون می کند و هر چیزی را که در مسیرش باشد نابود می کند … این تصویر یک انفجار اتمی است.
در عمل چگونه به نظر می رسد
دستگاه بمب اتمی به طرز شگفت آوری ساده است. دو شمش اورانیوم (یا سایر فلزات رادیواکتیو) وجود دارد که هر کدام کمی کمتر از جرم بحرانی است. یکی از شمش ها به صورت مخروطی و دیگری توپی با سوراخ مخروطی شکل است. همانطور که ممکن است حدس بزنید، هنگامی که دو نیمه با هم ترکیب می شوند، یک توپ به دست می آید که در آن جرم بحرانی به دست می آید. این یک بمب هسته ای ساده استاندارد است. دو نیمه با استفاده از شارژ معمولی TNT به هم متصل می شوند (مخروط به توپ شلیک می شود).
اما فکر نکنید که کسی می تواند چنین وسیله ای را "روی زانو" مونتاژ کند. ترفند این است که اورانیوم برای اینکه بمب منفجر شود باید بسیار خالص باشد، وجود ناخالصی ها عملاً صفر است.
چرا بمب اتمی به اندازه یک پاکت سیگار وجود ندارد
همه به یک دلیل. جرم بحرانی رایج ترین ایزوتوپ اورانیوم 235 حدود 45 کیلوگرم است. انفجار این مقدار سوخت هسته ای در حال حاضر یک فاجعه است. و با کمتر یک وسیله انفجاری بسازندمقدار ماده غیرممکن است - فقط کار نمی کند.
به همین دلیل، امکان ایجاد بارهای اتمی فوق العاده قدرتمند از اورانیوم یا سایر فلزات رادیواکتیو وجود نداشت. برای اینکه بمب بسیار قوی باشد، از 12 شمش ساخته شده بود که هنگام انفجار بمب های انفجاری، به وسط می رفتند و مانند تکه های پرتقال به هم متصل می شدند.
اما واقعا چه اتفاقی افتاد؟ اگر به دلایلی، دو عنصر یک هزارم ثانیه زودتر از بقیه به هم برسند، جرم بحرانی سریعتر از بقیه "به موقع می رسند" به دست می آید، انفجار با قدرتی که طراحان انتظار داشتند رخ نمی دهد. مشکل سلاح های هسته ای فوق قدرتمند تنها با ظهور سلاح های هسته ای حل شد. اما این داستان کمی متفاوت است.
چگونه یک اتم صلح آمیز کار می کند
یک نیروگاه هسته ای در اصل همان بمب هسته ای است. فقط این "بمب" دارای عناصر سوختی (عناصر سوختی) ساخته شده از اورانیوم است که در فاصله ای از یکدیگر قرار گرفته اند که مانع از تبادل "ضربه" نوترونی آنها نمی شود.
عناصر سوخت به شکل میله هایی ساخته می شوند که در بین آنها میله های کنترلی از ماده ای وجود دارد که نوترون ها را به خوبی جذب می کند. اصل کار ساده است:
- میله های تنظیم کننده (جذب) در فضای بین میله های اورانیوم قرار می گیرند - واکنش کند می شود یا به طور کلی متوقف می شود؛
- میله های کنترل از منطقه برداشته می شوند - عناصر رادیواکتیو به طور فعال نوترون ها را مبادله می کنند، واکنش هسته ای با شدت بیشتری ادامه می یابد.
در واقع، معلوم می شود همان بمب اتمی،که در آن جرم بحرانی آنقدر نرم به دست می‌آید و به قدری واضح تنظیم می‌شود که منجر به انفجار نمی‌شود، بلکه تنها منجر به گرم کردن مایع خنک‌کننده می‌شود.
اگرچه، متأسفانه، همانطور که تمرین نشان می دهد، همیشه نابغه انسان نمی تواند این انرژی عظیم و مخرب - انرژی فروپاشی هسته اتم - را مهار کند.
