Sok új, fizikai, biológiai vagy kémiai felfedezést rosszul használtak fel fegyverek, bombák vagy robbanóanyagok előállítására és előkészítésére. Az atomenergia ismerete sem volt kivétel.
Az atombombák az atommagokból felszabaduló energiát használják fel. Két ilyen típus létezik: az atombomba és a hidrogénbomba. Mindkettő olyan erős, hogy hatásukat kilotonnában és megatonnában trinitrotoluolban (TNT) mérik, ami megegyezik ezer, illetve millió tonna TNT robbanáserősségével. 1 kg urán-238 töltettel rendelkező atombomba 20 000 tonna TNT töltetnek felel meg.
Az atombomba magában foglalja a hidrogénbombát is, amely szintén felhasználja az atomba kötött energiát. Gyakrabban azonban az "atombomba" kifejezés régebbi típusú bombákra utal, amelyek az atommaghasadás elvén működnek. A hidrogénbomba a magfúzió elvén működik, vagyis a hidrogén két könnyű izotópjának egy nehezebbé történő szintézise. Mindkét reakcióban, a hasításban és a fúzióban, hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, és robbanás következik be.
A tudósok felismerték, hogy a természetes uránt nem lehet használni a bombában, mert az csak az urán-235 izotóp 0,7% -át tartalmazza, és csak abban az esetben hasadási folyamat következik be, így hasítható. A hasadási reakció során felszabaduló neutronok nagy része minden előny nélkül csapdába esne a nem hasadó urán 238 izotóp atomjaival, így a láncreakció leállna, még mielőtt elkezdődne. A bomba azonban valóságossá válhat, ha a két izotóp elválik egymástól.
A leggyakrabban előforduló elemek nagyon stabil atomokkal rendelkeznek, amelyeket nem lehet könnyen hasítani, hacsak nem alkalmazzák a részecskegyorsító bombázási technikát. Az egyik elem, amelynek atomjai viszonylag könnyen hasíthatók, az urán fémelem. Az urán ugyanis rendkívül nehézfém, és minden elem közül a legnagyobb atomokkal rendelkezik. Az urán két különböző izotóp formájában fordul elő (az izotóp egy olyan elem, amely az atomjaiban lévő neutronok számával különbözik).
A második világháború alatt egy tudományos-katonai ipari komplexum, amelyet Manhattan területének hívtak, 3 atombombát gyártott: az egyik plutónium bombát felrobbantották az új-mexikói Alamogordóban, 1945. július 16-án, egy másik plutónium bombát robbantottak a japán Nagasakiban, 1945. augusztus 9-én, és egy uránbomba felrobbant a japán Hirosimában, 1945. augusztus 6-án. Mindezek a bombák körülbelül 20 kilotonnán voltak hatásosak, így 20 000 tonna TNT-vel megegyező robbanóerőt adtak. Ezek az eszközök elég hatástalanok voltak - a teljes hasadási anyagnak csak egy kis része hajtotta végre a hasadási folyamatot, a többit csak szétszórták, elvitték, mielőtt esélye lett volna hasadásra.
Az atombomba természetesen nem csak nukleáris üzemanyagot tartalmaz. Rendelkeznie kell egy beépített, viszonylag összetett mechanizmussal, amely elindítja a láncreakciót, valamint egy biztonsági eszközzel, amely teljesen kizárja a véletlenszerű kiváltás lehetőségét.
A kritikus tömegnél nagyobb urándarabot nem lehet egyszerűen bombába helyezni. Ez azonnali láncreakciót eredményezne. Otto Frisch (1904 - 1979) osztrák fizikus kiszámította az ún az urán 235 kritikus tömege - a legkisebb mennyiség, amelynél a nagyon részecskék instabillá válnak, és amelynél a nukleáris láncreakció spontán megy végbe. Megmutatta, hogy ez a mennyiség csak néhány kilogramm), amely szintén alkalmas légibomba használatára.
Ezért két vagy több tiszta hasadóanyag-töltetet (235 U vagy 239 Pu) szubkritikus mennyiségben szúrnak be, amelyek biztonságos távolságra vannak egymástól. A láncreakció elindításához egyszerűen össze kell szorítaniuk őket.
A lehető legegyszerűbb atombomba az, amelyet Hirosimára dobtak. "Ágyú típusú bombának" is nevezik, és valóban ágyút tartalmaz. Hordójának egyik végén egy célpont található a 235 U izotóp egy darabja formájában, tömege éppen a kritikus tömeg alatt van. Alakja egy üreges, kúpos ékű gömbhöz hasonlít, amely belsejében és a másik vége felé mutat, főleg.
A hordó másik végén egy második, kisebb darab kúp alakú 235 U izotóp található, amely a cél rése felé irányul. Pontos formája van a hiányzó résznek egy nagyobb izotópdarabban. Mindkét darab súlya éppen meghaladja a kritikus súlyhatárt.
A kisebb izotópdarab mögött egy klasszikus, erősen robbanásveszélyes töltés található, amely megindításakor a kúpot az izotóp nagyobb részének üres üregébe sodorja, miközben a két darab egy egységbe van kapcsolva, és azonnal robbanás következik.
A láncreakciót aktiváló alapvető mechanizmus mellett az atombombának rendelkeznie kell a klasszikus robbanóanyag felrobbantásának mechanizmusával is. Ennek a mechanizmusnak a megválasztása a bomba pontos típusától és használatától függ. A Hirosima és Nagasaki felett használt bombák beépített magasságmérőkkel rendelkeztek, amelyek automatikusan felrobbantak, amikor a bomba elért egy bizonyos magasságot a város felett.
A világ nagy része napjainkban az atombombákat elavult fegyvernek tekinti. Ezeket azonban továbbra is hidrogénbombák "kiváltóiként" használják.
Bomba Hirosimára esett:
Az atombomba robbanása nem ellenőrzött láncreakcióként, lavina hasadással jellemezhető.
A láncreakció 5-10 másodpercen belül atomrobbantást okoz 50 millió kelvinnél és 1 10 11 paszál túlnyomást. 20 kilotonnás bomba esetében a tűzgömb 1 másodperc múlva eléri a maximális átmérőjét, 500 m, majd körülbelül 10 másodpercig változatlan marad, míg végül lehűl a hűtés miatt.
A robbanás után először káprázatos fényvillanás jelenik meg, amely körül egy robbanó felhő képződik. Ezután egy tűzgömb képződik, amely egyfajta "csomagtartóvá" válik, és magával viszi a port, a földet vagy a vizet, és a robbanás helyén földi felhő van. Az így létrejött képződményt atomgombának nevezzük.
Egy nukleáris robbanófegyvernek sokféle pusztító hatása van:
1. Hőhatás (35% -os romboló hatás): A hőmérséklet a robbanás helyén több millió Celsius fok. Például 1 megatonnás bomba esetében a papír az epicentrumtól 14 km-es körzetben meggyullad. Természetesen az emberek és az állatok bőrégést és hasonlókat is szenvednek.
2. Lökéshullám (50% -os romboló hatás): Ez az epicentrumtól néhány kilométeren belül hatékony. Mennydörgés kíséri. A felrobbantás helyén a túlnyomás körülbelül 10 11 passzál, amely aztán a távolsággal fordítva csökken. A túlnyomás-hullámot egy nyomás-hullám követi, amely a robbanás helye felé irányuló erőteljes húzásként nyilvánul meg.
3. Fényhatás: Több kilométerig is hatékony, és az ember elvakul tőle.
4. Sugárzás (15% -os destruktív hatás): Ezt a neutronok áramlása (kb. 3%), valamint a gamma-, alfa- és béta-sugárzás okozza körülbelül 1 percig (kezdeti sugárzás). Az epicentrumtól körülbelül 2 km-es körzetben emberre nézve halálos. A sugárzás 1 perc után megmaradó részét maradványsugárzásnak nevezzük. Radioaktív gradiensből és neutronok által indukált sugárzásból (alfa, béta, gamma sugárzás) áll. A sugárzás a robbanás után körülbelül egy héttel biztonságos szintre csökken.
A radioaktív csapadék lokális (a robbanás után 10-20 órával 400 km távolságra esik), kontinentális (a robbanást követő egy héten belül 4000 km távolságra esik) és globális (csak hónapok vagy évek után esik). A sugárzás (és különösen a neutronok) részaránya növelhető más pusztító hatások rovására, akkor beszélünk az ún. neutronbomba (helyes neve "fokozott sugárzású fegyver").
A 235 urán kritikus tömege 50 kg, a 239 plutónium esetében pedig 10 kg.
A plutónium nem a természetes formájában, a jelentéktelen nyommennyiség kivételével, ezért mesterségesen kell előállítani az urán atomreaktorban történő átalakításával. Az átalakítás az uránra lőtt neutronok segítségével történik.
Az átalakítás a következőképpen történik:
Az eredeti urán a neutronnal reagálva 239 92U, az elektron e - és az antineutrin képződik. Az elektron és az antineutrinok a bomlás eredményei .
A 239 92U-ból ezután 239 93Np válik, amelynek protonszáma a neutron bomlásából származó elektron miatt megnőtt. A Neptunium végül 239 94Pu-ra változik, amelynek protonszáma már 94.
A magok részecskék összetétele
Az atommagok nukleonokból (neutronok + protonok) állnak. Van egy protonszám (Z ≥ 1), neutronszámN ≥ 0) és az utolsó, amelyet megemlítünk, a nukleonszám (tömeg). Van márkája A és megadja a protonok és a neutronok összegét. A = Z + N.
Szoba súlya m (X) részecskék x, hogy az atom, az ion stb m (X) = Ar (X). mu, ahol ez az atomi tömegállandó
(mu = 1,66. 10 -27 kg) és Ar a relatív atomtömeg. A súlyértékek nagyon kicsiek, ezért jobb relatív súlyokkal dolgozni, amelyek világosabbak. De hogyan lehet mérni ezt a súlyt? És hogyan lehet kideríteni, hogy a két atom közül melyik nehezebb, ha nem tudja használni a súlyt? Ezek a súlyok tömegspektrométerrel nagyon pontosan mérhetők. Képzelje el a két atomot egymás mellett az autópályán, miközben azonos sebességgel haladnak. Hirtelen elektromos vagy mágneses erő kezd rájuk hatni oldalról. A kisebb tömegű atom sokkal gyorsabban tér el eredeti pályájától, és abba az irányba megy, ahová az erő vezeti. Ez az atom valamelyikőtökbe fog esni, a nehezebb pedig kevésbé tér el pályájáról és esik a másik tartályba. Ily módon megkülönböztethető a súlyuk, és a tömegspektrométer ezen az elven működik.
A nukleáris energia nagyon nehéz magok hasításával szabadulhat fel mesterségesen létrehozott körülmények között. A neutronok (eredet, mozgás és hatások) szerepének megértése kulcsfontosságú a hasadási reakciók megértésében. Tudjuk, hogy a legtöbb mag hasadása során ismét neutronok képződnek. A magok hasadása során a magok bevonatolási súlya is csökken, óriási energiát szabadítva fel. Honnan származik ez az energia? Az energia kiszámításának képlete: E = mc2 E az energia, m a tömeg és c a fénysebesség. Albert Einstein jelentősen hozzájárult ennek az egyenletnek a létrehozásához. Segítünk az egyenlet magyarázatában.
U + n --> Kr * + Ba * + 3. n) vagy U + n --> Sr * + Xe * + 5 (n).
Felezési idő: az az idő, amely alatt a radioaktív elem atomjainak fele pontosan elbomlik. A sugárzás kibocsátásának értéke a felére csökken. A bomlási idő szélesebb tartományban változik, például: a 238 U felezési ideje 4,5 milliárd év, míg a 221 Ra csak 30 másodperc.
Mint megtudtuk, a hasadási bombáknak uránt vagy plutóniumot kell tartalmazniuk. A Hirosimára 1945. augusztus 6-án ledobott bomba hasadóanyagként uránt használt, Nagasakit pedig 1945. augusztus 9-én plutónium bombával pusztították el.
E = mc 2 alkalmazás
Ez az egyenlet az energia és a tömeg kapcsolatát képviseli. Einstein nagyban hozzájárult ennek az egyenletnek a létrehozásához. A premier félelmetes volt. Hirosima és Nagasaki japán városokban zajlott. Valószínűleg már tudja, miről beszélek. A kapcsolat kísérleti megerősítése E = mc 2-nek várnia kellett a magfizikáig. És eltartott egy ideig, mire kiderült, hogy létezhet valami atommag. Ernest Rutherford 1911-ben vetette fel az ötletet. Az az elképzelés, hogy a mag tartalmazhat protonokat és neutronokat, csak 1920-ban támadta Rutherfordot. És hogy a neutron valóban létezik, James Chadwick 1932-ig kísérletileg nem erősítette meg. Az atomfizika lassan fejlődött. Amikor azonban végül kialakult, kapcsolatot biztosított Einstein számára E = mc 2 nagyszámú kísérleti megerősítés. Számos olyan atomreakció létezik, amelyekben a könnyebb magok nehezebbé egyesülnek, vagy éppen ellenkezőleg, a nehezebb magok könnyebbekre bomlanak. Az atommagok súlya (pontosabban az úgynevezett nyugalmi súlyuk) ezen átalakulások során nem marad meg. A (pihenő) súly minden egyes vesztesége az energia növekedésével jár, mindig összhangban Einstein viszonyával.