Филлип Рэн - Атомная проблема
Возьмем для примера Солнце. Ежесекундно на Солнце 570 млн. т водорода превращаются в 566 млн. т гелия. Следовательно, это превращение происходит с дефектом массы в 4 млн. т, которые выделяются в виде энергии и являются «горючим» Солнца. Такой дефект массы по нашим понятиям является огромным, но, принимая во внимание то обстоятельство, что масса Солнца равна 2 1027 т, можно сделать вывод, что запасов солнечного «горючего» хватит на несколько миллиардов лет.
б) Если дефект массы сопровождается выделением энергии, то и наоборот, расходуя энергию в какой-либо форме, можно увеличивать массу и, следовательно, создавать искусственным путем вещество. Однако для получения незначительного количества вещества потребуется огромное количество энергии.
В ядерной физике энергия измеряется в электроновольтах (эв). Энергия в 1 эв соответствует кинетической энергии частицы, обладающей одним элементарным зарядом и проходящей в электрическом поле разность потенциалов в 1 в. Эта энергия очень мала: 600 млрд. эв составляют 1 эрг. Для получения искусственным путем пары электронов нужно затратить энергию в 1 Мэв (1 млн. эв); такой опыт был проделан в 1933 году. Как было установлено в 1948 году, для получения пары мезонов (частиц, обнаруженных в космических излучениях) необходима энергия в 400 Мэв, а для получения пары протон — антипротон нужна энергия в 2000 Мэв.
Такие огромные энергии могут быть получены лишь на мощных ускорителях частиц. Берклейский ускоритель в США позволяет получать частицы с энергией в 6000 Мэв. На нем в конце 1955 года впервые был получен антипротон. Установки, где получают такие громадные энергии, называются беватронами (1 бэв = 109 эв), или космотронами, так как они позволяют получать энергии, которые до сих пор наблюдались лишь в космических излучениях.
Глава II
Принцип действия ядерных бомб
Напомнив некоторые общие сведения из области ядерной физики, мы можем перейти к изложению принципа действия ядерных бомб.
Все ядерные бомбы делятся на две большие группы: бомбы, основанные на реакции деления, называемые иногда «малыми бомбами», и бомбы, основанные на реакции синтеза, или термоядерные бомбы, называемые иногда «большими бомбами».
Действие как «малых», так и «больших» бомб основано на законе взаимосвязи массы и энергии. Хотя исходным материалом для обеих групп служат различные вещества, при взрыве и тех и других бомб происходят реакции, характеризующиеся значительным дефектом массы.
I. Бомбы, основанные на делении ядер
1. Сущность явления.
В бомбах, основанных на делении ядер, исходным материалом служат тяжелые элементы: уран 235 или плутоний 239.
Ядра этих элементов в определенных условиях могут делиться или расщепляться под действием различных частиц, преимущественно нейтронов, поскольку, будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают на себе воздействия сил отталкивания протонов ядра. Эту реакцию можно записать так:
92U235 + оn1 = 92U236 = ZXA + Z'XA' + (2 или 3) оn1 + Е.
Образовавшееся ядро урана 236 моментально расщепляется на два осколка с примерно равными массами. При этом происходят:
а) образование продуктов распада zХА +z'XA'. Продуктами распада могут быть самые различные элементы — от цинка (Z=30) до европия (Z=63).
Так как Z+Z'=92, то может образоваться пара: барий (Z=56) и криптон (Z'= 36). Каждый из этих двух продуктов распада в свою очередь распадается на три или четыре радиоактивных элемента, которые в конечном счете превращаются в устойчивые элементы;
б) испускание нейтронов. При делении ядра тяжелого элемента образуется в среднем 2–3 свободных нейтрона, которые не участвуют в образовании новых элементов, находящихся в средней части таблицы Менделеева. Эти нейтроны в свою очередь вызывают деление других ядер, и начинается цепная реакция при условии, что потеря нейтронов в результате их поглощения ядрами или вылета в атмосферу будет минимальной. Очень большая потеря нейтронов происходит, например, в уране 238, ядра которого делятся только в результате их бомбардировки «быстрыми» нейтронами, тогда как для деления урана 235 достаточно «медленных» нейтронов;
в) высвобождение огромного количества энергии порядка 200 Мэв на деление ядра. Это высвобождение энергии происходит за счет дефекта массы, который в реакциях деления составляет 0,1 % всей участвовавшей в реакции массы.
Для того чтобы цепная реакция приняла характер взрыва, необходимо наличие определенного количества массы расщепляющихся материалов, называемой критической массой. Размеры критической массы должны превышать расстояние, называемое в физике средним свободным пробегом нейтронов, так как в противном случае нейтроны могут вылетать за пределы массы, не производя деления новых ядер, и в этих условиях цепная реакция начаться не может. Для урана 235 критическая масса соответствует примерно 20 кг, для плутония — всего 5–6 кг. Впрочем, размеры критической массы можно значительно сократить, используя так называемые отражатели нейтронов, не допускающие вылета нейтронов за пределы этой массы.
2. Самопроизвольное деление.Реакция деления ядер не вызывается искусственным путем, а начинается самопроизвольно. Поэтому совершенно безразлично, откуда берется первый нейтрон, возбуждающий реакцию. Ядра рассматриваемых нами тяжелых элементов обладают определенной способностью к самопроизвольному делению. Учитывая то обстоятельство, что количество атомов в 1 г вещества чрезвычайно велико (в 238,07 г урана содержится 6 . 1023 атомов), можно с уверенностью сказать, что всегда найдется достаточное количество свободных нейтронов для возбуждения реакции. Поэтому для того, чтобы произошел взрыв, необходимо лишь наличие критической массы. Исходя из вышесказанного, устройство атомной бомбы можно представить себе по следующим двум схемам:
а) в нужный момент на заданной высоте происходит соединение двух масс делящегося вещества, каждая из которых меньше критической;
б) внутри критической массы помещается поглотитель нейтронов, мешающий последним возбудить реакцию. Взрыв вызывается внезапным удалением поглотителя. В качестве поглотителя в таких бомбах может использоваться металл, из которого изготовляются аварийные стержни в ядерных реакторах.
II. Бомбы, основанные на реакции синтеза, или термоядерные бомбы
1. Трудности осуществления термоядерных реакций.В бомбах, основанных на делении ядер, исходным материалом служит тяжелый элемент, ядра которого расщепляются под действием нейтронов. В бомбах, основанных на реакции синтеза, исходным материалом являются легкие элементы — водород или его изотопы дейтерий и тритий, ядра которых в ходе реакции соединяются или синтезируются. Однако здесь возникает одна трудность: при соединении двух протонов, то есть двух положительно заряженных частиц, необходимо преодолеть громадные силы взаимного отталкивания.
Принцип деления ядер известен с 1939 года. Деление ядер урана 235, которое наблюдали еще Жан Перрен и супруги Жолио-Кюри, было впервые окончательно объяснено накануне второй мировой войны немецкими учеными Ганом и Штрассманом. Принцип синтеза элементов был открыт в 1936 году австрийцем Бете и французом Рокаром, однако в то время ученые еще не знали, как преодолеть силы взаимного отталкивания, ибо для этого необходимо сообщить частицам громадную кинетическую энергию. Этого можно добиться путем создания очень высоких температур, измеряемых сотнями тысяч градусов. Максимальные температуры, которые можно получить в промышленных условиях, не превышают 3500–4000°, а в момент взрыва атомной бомбы в центре огненного шара возникают температуры порядка сотен миллионов градусов. Следовательно, для того чтобы бомба, основанная на реакции синтеза, подействовала, ее нужно снабдить специальным детонатором в виде атомной бомбы, которая обеспечит особые термические условия, необходимые для протекания процесса синтеза. Поэтому такие бомбы называются термоядерными.
Следует отметить, что высокие температуры порядка 300–500 тыс. градусов, требующиеся для соединения ядер легких элементов, можно получить и другими способами, например путем применения кумулятивных зарядов (этот способ, по-видимому, применяется русскими), посредством разряда в редких газах или при помощи устройства, использующего силу ударной волны (этот способ рекомендуют англичане).
2. Объяснение явления.В первых термоядерных бомбах в качестве ядерного взрывчатого вещества применялись изотопы водорода. Поэтому такие бомбы были названы водородными, и это название сохранилось за ними до настоящего времени. Существует несколько возможных реакций синтеза, однако при выборе той или иной из них необходимо учитывать не только температурные условия, но и продолжительность реакции. В термоядерных бомбах, по-видимому, наиболее эффективными являются реакции, основанные на соединении между собой ядер дейтерия или ядер трития. Они могут быть записаны следующим образом: при t = 300 000°
