'n Bietjie meer as twee maande het verloop sedert die einde van die ergste oorlog in die geskiedenis van die mensdom. En so, op 16 Julie 1945, is die eerste kernbom deur die Amerikaanse weermag getoets, en 'n maand later sterf duisende inwoners van Japannese stede in atoomhel. Sedertdien is kernwapens, sowel as die manier om dit aan teikens te lewer, vir meer as 'n halfeeu voortdurend verbeter.
Die weermag wou beide super-kragtige ammunisie tot hul beskikking hê, wat hele stede en lande met een hou van die kaart af vee, en ultra-kleinses wat in 'n aktetas pas. So 'n toestel sou die sabotasie-oorlog op 'n ongekende vlak bring. Sowel met die eerste as met die tweede was daar onoorkomelike probleme. Die rede hiervoor is die sogenaamde kritiese massa. Maar, eerste dinge eerste.
So 'n plofbare kern
Om te verstaan hoe kerntoestelle werk en te verstaan wat kritiese massa genoem word, kom ons gaan vir 'n rukkie terug na die lessenaar. Uit die skoolfisikakursus onthou ons 'n eenvoudige reël: ladings met dieselfde naam stoot mekaar af. Op dieselfde plek, op hoërskool, word studente vertel van die struktuur van die atoomkern, bestaande uit neutrone, neutrale deeltjies enpositief gelaaide protone. Maar hoe is dit moontlik? Positief gelaaide deeltjies is so naby aan mekaar, die afstootkragte moet kolossaal wees.
Die wetenskap is nie ten volle bewus van die aard van binnekernkragte wat protone bymekaar hou nie, hoewel die eienskappe van hierdie kragte redelik goed bestudeer is. Kragte tree slegs op baie nabye afstand in. Maar dit is ten minste 'n bietjie die moeite werd om die protone in die ruimte te skei, aangesien die afstootkragte begin oorheers, en die kern in stukke breek. En die krag van sulke uitbreiding is werklik kolossaal. Dit is bekend dat die sterkte van 'n volwasse mannetjie nie genoeg sal wees om die protone van net een enkele kern van die loodatoom te hou nie.
Waarvoor was Rutherford bang
Die kern van die meeste elemente van die periodieke tabel is stabiel. Soos die atoomgetal egter toeneem, neem hierdie stabiliteit af. Dit gaan oor die grootte van die kerne. Stel jou die kern van 'n uraanatoom voor, bestaande uit 238 nukliede, waarvan 92 protone is. Ja, protone is in noue kontak met mekaar, en binnekernkragte sement die hele struktuur veilig. Maar die afstootkrag van protone wat aan die teenoorgestelde punte van die kern geleë is, word merkbaar.
Wat het Rutherford gedoen? Hy het atome met neutrone gebombardeer ('n elektron sal nie deur die elektrondop van 'n atoom gaan nie, en 'n positief gelaaide proton sal weens afstootkragte nie die kern kan nader nie). 'n Neutron wat die kern van 'n atoom binnedring, veroorsaak sy splyting. Twee aparte helftes en twee of drie vrye neutrone het uitmekaar gevlieg.
Hierdie verval, as gevolg van die enorme spoed van die vlieënde deeltjies, het gepaard gegaan met die vrystelling van enorme energie. Daar was 'n gerug dat Rutherford selfs sy ontdekking wou wegsteek, bang vir die moontlike gevolge daarvan vir die mensdom, maar dit is heel waarskynlik niks meer as 'n sprokie nie.
So wat het die massa daarmee te doen en hoekom is dit krities
So wat? Hoe kan 'n mens genoeg radioaktiewe metaal met 'n stroom protone bestraal om 'n kragtige ontploffing te veroorsaak? En wat is kritiese massa? Dit gaan alles oor daardie paar vrye elektrone wat uit die "gebombarde" atoomkern vlieg, hulle sal op hul beurt met ander kerne bots en hul splitsing veroorsaak.’n Sogenaamde kernkettingreaksie sal begin. Die bekendstelling daarvan sal egter uiters moeilik wees.
Gaan die skaal na. As ons 'n appel op ons tafel neem as die kern van 'n atoom, om die kern van 'n naburige atoom te verbeel, sal dieselfde appel gedra en op die tafel geplaas moet word, nie eers in die volgende kamer nie, maar.. in die volgende huis. Die neutron sal die grootte van 'n kersiesaad wees.
Om te verseker dat die uitgestraalde neutrone nie verniet buite die uraanblok wegvlieg nie, en meer as 50% van hulle 'n teiken in die vorm van atoomkerne sal vind, moet hierdie steen die gepaste grootte hê. Dit is wat die kritieke massa van uraan genoem word - die massa waarteen meer as die helfte van die uitgestraalde neutrone met ander kerne bots.
Om die waarheid te sê, dit gebeur in 'n oomblik. Die aantal gesplete kerne groei soos 'n stortvloed, hul fragmente jaag in alle rigtings met 'n spoed vergelykbaar metdie spoed van lig, oopskeur lug, water, enige ander medium. Van hul botsings met omgewingsmolekules verhit die area van die ontploffing onmiddellik tot miljoene grade, wat hitte uitstraal wat alles in 'n gebied van etlike kilometer verbrand.
Skielik brei verhitte lug onmiddellik in grootte uit, wat 'n kragtige skokgolf skep wat geboue van die fondamente afwaai, alles in sy pad omkeer en vernietig … dit is die prentjie van 'n atoomontploffing.
Hoe dit in die praktyk lyk
Die toestel van die atoombom is verbasend eenvoudig. Daar is twee blokke uraan (of ander radioaktiewe metaal), wat elk effens minder as die kritieke massa is. Een van die blokke is gemaak in die vorm van 'n keël, die ander is 'n bal met 'n keëlvormige gat. Soos jy dalk kan raai, wanneer die twee helftes gekombineer word, word 'n bal verkry, waarin die kritieke massa bereik word. Dit is 'n standaard eenvoudige kernbom. Die twee helftes word met die gewone TNT-lading verbind (die keël word in die bal geskiet).
Maar moenie dink dat iemand so 'n toestel "op die knie" kan aanmekaarsit nie. Die truuk is dat uraan, sodat 'n bom kan ontplof, baie suiwer moet wees, die teenwoordigheid van onsuiwerhede is feitlik nul.
Waarom is daar geen atoombom so groot soos 'n pakkie sigarette nie
Alles om dieselfde rede. Die kritieke massa van die mees algemene isotoop van uraan 235 is ongeveer 45 kg.’n Ontploffing van hierdie hoeveelheid kernbrandstof is reeds’n ramp. En om 'n ploftoestel met minder te maakhoeveelheid stof is onmoontlik – dit sal net nie werk nie.
Om dieselfde rede was dit nie moontlik om superkragtige atoomladings uit uraan of ander radioaktiewe metale te skep nie. Om die bom baie kragtig te laat wees, is dit van 'n dosyn blokke gemaak, wat, toe ontploffingsladings ontplof is, na die middel gehaas het en soos lemoenskywe verbind het.
Maar wat het eintlik gebeur? As twee elemente om een of ander rede 'n duisendste van 'n sekonde vroeër as die ander ontmoet het, is die kritieke massa vinniger bereik as wat die res sou "betyds aankom", het die ontploffing nie plaasgevind met die krag wat die ontwerpers verwag het nie. Die probleem van supermagtige kernwapens is eers opgelos met die koms van termonukleêre wapens. Maar dis 'n effens ander storie.
Hoe werk 'n vreedsame atoom
'n Kernkragsentrale is in wese dieselfde kernbom. Slegs hierdie "bom" het brandstofelemente (brandstofelemente) gemaak van uraan wat op 'n afstand van mekaar geleë is, wat hulle nie verhinder om neutron "strike" uit te ruil nie.
Brandstofelemente word in die vorm van stawe gemaak, waartussen daar beheerstawe is wat gemaak is van 'n materiaal wat neutrone goed absorbeer. Die beginsel van werking is eenvoudig:
- regulerende (absorberende) stawe word in die spasie tussen die uraanstawe geplaas - die reaksie vertraag of stop heeltemal;
- beheerstawe word uit die sone verwyder - radioaktiewe elemente ruil aktief neutrone uit, die kernreaksie verloop meer intensief.
Inderdaad, dit blyk dieselfde atoombom,waarin die kritieke massa so glad bereik word en so duidelik gereguleer word dat dit nie tot 'n ontploffing lei nie, maar slegs tot verhitting van die koelmiddel.
Alhoewel, soos die praktyk toon, ongelukkig nie altyd die menslike genie in staat is om hierdie groot en vernietigende energie - die energie van die verval van die atoomkern - te stuit nie.
