Ατομικές βόμβες και πώς λειτουργούν

Υπάρχουν δύο τύποι ατομικών εκρήξεων που μπορούν να διευκολυνθούν από το ουράνιο-235: σχάση και σύντηξη. Η σχάση, απλά, είναι μια πυρηνική αντίδραση στην οποία ένας ατομικός πυρήνας χωρίζεται σε θραύσματα (συνήθως δύο θραύσματα συγκρίσιμης μάζας), τα οποία εκπέμπουν 100 εκατομμύρια έως μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια βολτ ενέργεια. Αυτή η ενέργεια εκτοξεύεται εκρηκτικά και βίαια στο ατομική βόμβα. Μια αντίδραση σύντηξης, από την άλλη πλευρά, αρχίζει συνήθως με μια αντίδραση σχάσης. Αλλά σε αντίθεση με τη βομβιστική (ατομική) βόμβα, η βόμβα σύντηξης (υδρογόνο) αντλεί την εξουσία της από την τήξη πυρήνων διαφόρων ισοτόπων υδρογόνου σε πυρήνες ηλίου.

Αυτό το άρθρο ασχολείται με το Μια βόμβα ή ατομική βόμβα. Η τεράστια δύναμη πίσω από την αντίδραση σε μια ατομική βόμβα προέρχεται από τις δυνάμεις που συγκρατούν το άτομο μαζί. Αυτές οι δυνάμεις είναι παρόμοιες με το μαγνητισμό, αλλά όχι το ίδιο.

Άτομα αποτελούνται από διάφορους αριθμούς και συνδυασμούς των τριών υποατομικών σωματιδίων: πρωτόνια,

Τα περισσότερα στοιχεία έχουν πολύ σταθερά άτομα, τα οποία είναι αδύνατο να χωριστούν εκτός από βομβαρδισμούς σε επιταχυντές σωματιδίων. Για όλους τους πρακτικούς σκοπούς, το μόνο φυσικό στοιχείο του οποίου τα άτομα μπορούν να χωριστούν εύκολα είναι το ουράνιο, α βαρέα μέταλλα με το μεγαλύτερο άτομο όλων των φυσικών στοιχείων και ένα ασυνήθιστα υψηλό νετρόνιο-προς-πρωτόνιο αναλογία. Αυτός ο υψηλότερος λόγος δεν ενισχύει την "ικανότητα διαχωρισμού του", αλλά έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ικανότητά του να διευκολύνει μια έκρηξη, καθιστώντας το ουράνιο-235 εξαιρετικό υποψήφιο για πυρηνική σχάση.

Υπάρχουν δύο φυσικώς απαντώμενα ισότοπα ουράνιο. Το φυσικό ουράνιο αποτελείται κυρίως από ισότοπο U-238, με 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια (92 + 146 = 238) που περιέχονται σε κάθε άτομο. Αναμεμιγμένο με αυτό είναι μια συσσώρευση 0,6% U-235, με μόνο 143 νετρόνια ανά άτομο. Τα άτομα αυτού του ελαφρύτερου ισοτόπου μπορούν να χωριστούν, έτσι είναι "σχάσιμα" και χρήσιμα στην κατασκευή ατομικών βόμβων.

Το U-238 που έχει βαρέα ουδετερόνη έχει ένα ρόλο να διαδραματίσει και στην ατομική βόμβα καθώς τα άτομα με βαριά νετρόνια μπορούν να εκτρέψουν τα αδέσποτα νετρόνια, αποτρέποντας τυχαία αλυσιδωτή αντίδραση σε βόμβα ουρανίου και κρατώντας νετρόνια που περιέχονται σε πλουτώνιο βόμβα. Το U-238 μπορεί επίσης να είναι "κορεσμένο" για να παράγει πλουτώνιο (Pu-239), ένα ανθρωπογενές ραδιενεργό στοιχείο που χρησιμοποιείται επίσης σε ατομικές βόμβες.

Και τα δύο ισότοπα του ουρανίου είναι φυσικά ραδιενεργά. τα ογκώδη άτομα αποσυντίθενται με την πάροδο του χρόνου. Δεδομένου ότι υπάρχει αρκετός χρόνος (εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια), το ουράνιο θα χάσει τελικά τόσα πολλά σωματίδια που θα μετατραπούν σε μόλυβδο. Αυτή η διαδικασία αποσύνθεσης μπορεί να επιταχυνθεί σε μεγάλο βαθμό σε αυτό που είναι γνωστό ως αλυσιδωτή αντίδραση. Αντί να αποσυντίθενται φυσικά και αργά, τα άτομα διαχωρίζονται βίαια με βομβαρδισμό με νετρόνια.

Ένα χτύπημα από ένα μόνο νετρόνιο είναι αρκετό για να χωρίσει το λιγότερο σταθερό άτομο U-235, δημιουργώντας άτομα μικρότερων στοιχείων (συχνά βάριο και κρυπτόνιο) και απελευθερώνει θερμότητα και ακτινοβολία γάμμα (η πιο ισχυρή και θανατηφόρος μορφή του ραδιοενέργεια). Αυτή η αλυσιδωτή αντίδραση συμβαίνει όταν τα «εφεδρικά» νετρόνια από αυτό το άτομο πετούν με αρκετή δύναμη για να χωρίσουν άλλα άτομα U-235 με τα οποία έρχονται σε επαφή. Θεωρητικά, είναι απαραίτητο να χωρίσουμε μόνο ένα άτομο U-235, το οποίο θα απελευθερώσει νετρόνια που θα χωρίσουν άλλα άτομα, τα οποία θα απελευθερώνουν νετρόνια... και ούτω καθεξής. Αυτή η εξέλιξη δεν είναι αριθμητική. είναι γεωμετρική και λαμβάνει χώρα μέσα σε ένα εκατομμύριο του δευτερολέπτου.

Η ελάχιστη ποσότητα για την έναρξη μιας αλυσιδωτής αντίδρασης όπως περιγράφεται παραπάνω είναι γνωστή ως υπερκρίσιμη μάζα. Για το καθαρό U-235, είναι 110 κιλά (50 κιλά). Το ουράνιο δεν είναι καθόλου καθαρό, ωστόσο, στην πραγματικότητα θα χρειαστούν περισσότερα, όπως το U-235, το U-238 και το Πλουτώνιο.

Το ουράνιο δεν είναι το μόνο υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή ατομικών βόμβων. Ένα άλλο υλικό είναι το ισότοπο Pu-239 του ανθρακούχου στοιχείου πλουτωνίου. Το πλουτώνιο απαντάται μόνο φυσικά σε μικρά ίχνη, επομένως χρήσιμες ποσότητες πρέπει να παράγονται από το ουράνιο. Σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, το βαρύτερο ισότοπο U-238 του ουρανίου μπορεί να αναγκαστεί να αποκτήσει επιπλέον σωματίδια, τελικά να γίνει πλουτώνιο.

Το πλουτώνιο δεν θα ξεκινήσει από μόνο του μια γρήγορη αλυσιδωτή αντίδραση, αλλά αυτό το πρόβλημα ξεπερνιέται έχοντας ένα α πηγή νετρονίων ή εξαιρετικά ραδιενεργό υλικό που εκπέμπει νετρόνια ταχύτερα από το πλουτώνιο εαυτό. Σε ορισμένους τύπους βόμβων, ένα μίγμα των στοιχείων Beryllium και Polonium χρησιμοποιείται για να επιφέρει αυτή την αντίδραση. Απαιτείται μόνο ένα μικρό κομμάτι (η υπερκρίσιμη μάζα είναι περίπου 32 λίβρες, αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο 22). Το υλικό δεν είναι σχιστό από μόνο του αλλά απλώς δρα ως καταλύτης στην μεγαλύτερη αντίδραση.