Ir pagājuši nedaudz vairāk nekā divi mēneši kopš cilvēces vēsturē ļaunākā kara beigām. Un tā 1945. gada 16. jūlijā ASV militāristi izmēģināja pirmo kodolbumbu, un mēnesi vēlāk tūkstošiem Japānas pilsētu iedzīvotāju iet bojā atomu ellē. Kopš tā laika kodolieroči, kā arī līdzekļi to nogādāšanai mērķos ir nepārtraukti uzlaboti vairāk nekā pusgadsimtu.
Militāristi vēlējās, lai viņu rīcībā būtu gan superjaudīga munīcija, kas ar vienu sitienu no kartes noslaucītu veselas pilsētas un valstis, gan īpaši mazas, kas ietilptu portfelī. Šāda ierīce sabotāžas karu paceltu vēl nebijušā līmenī. Gan ar pirmo, gan ar otro bija nepārvaramas grūtības. Iemesls tam ir tā sauktā kritiskā masa. Tomēr vispirms vispirms.
Tik sprādzienbīstams kodols
Lai saprastu, kā darbojas kodolierīces, un saprastu, ko sauc par kritisko masu, kādu laiku atgriezīsimies pie galda. No skolas fizikas kursa mēs atceramies vienkāršu noteikumu: viena nosaukuma lādiņi atgrūž viens otru. Turpat vidusskolā skolēniem stāsta par atoma kodola uzbūvi, kas sastāv no neitroniem, neitrālām daļiņām unpozitīvi lādēti protoni. Bet kā tas ir iespējams? Pozitīvi lādētas daļiņas atrodas tik tuvu viena otrai, ka atgrūdošajiem spēkiem jābūt kolosāliem.
Zinātne pilnībā neapzinās intranukleāro spēku būtību, kas satur protonus kopā, lai gan šo spēku īpašības ir diezgan labi izpētītas. Spēki darbojas tikai ļoti tuvā attālumā. Bet ir vērts vismaz nedaudz atdalīt protonus kosmosā, jo atgrūdošie spēki sāk ņemt virsroku, un kodols saplīst gabalos. Un šādas paplašināšanās spēks ir patiesi kolosāls. Ir zināms, ka pieauguša vīrieša spēka nepietiktu, lai noturētu tikai viena svina atoma kodola protonus.
No kā Razerfords baidījās
Periodiskās tabulas lielākās daļas elementu kodoli ir stabili. Tomēr, palielinoties atomu skaitam, šī stabilitāte samazinās. Tas ir apmēram serdeņu lielums. Iedomājieties urāna atoma kodolu, kas sastāv no 238 nuklīdiem, no kuriem 92 ir protoni. Jā, protoni ir ciešā saskarē viens ar otru, un intranukleārie spēki droši cementē visu struktūru. Bet protonu, kas atrodas pretējos kodola galos, atgrūšanas spēks kļūst pamanāms.
Ko Raterfords darīja? Viņš bombardēja atomus ar neitroniem (elektrons neizies cauri atoma elektronu apvalkam, un pozitīvi lādēts protons nevarēs pietuvoties kodolam atgrūdošo spēku dēļ). Neitrons, kas nonāk atoma kodolā, izraisa tā skaldīšanu. Divas atsevišķas pusītes un divi vai trīs brīvi neitroni izlidoja viens no otra.
Lidojošo daļiņu milzīgā ātruma dēļ šo sabrukšanu pavadīja milzīgas enerģijas izdalīšanās. Klīda baumas, ka Rezerfords pat gribēja slēpt savu atklājumu, baidoties no tā iespējamām sekām uz cilvēci, taču tā, visticamāk, nav nekas vairāk kā pasaka.
Kāds sakars ar to masu un kāpēc tā ir kritiska
Tātad? Kā var apstarot pietiekami daudz radioaktīva metāla ar protonu plūsmu, lai radītu spēcīgu sprādzienu? Un kas ir kritiskā masa? Tas viss ir par tiem dažiem brīvajiem elektroniem, kas izlido no "bombardētā" atoma kodola, tie, savukārt, saduroties ar citiem kodoliem, izraisīs to skaldīšanu. Sāksies tā sauktā kodolķēdes reakcija. Tomēr tā palaišana būs ārkārtīgi sarežģīta.
Pārbaudiet skalu. Ja ņemam ābolu uz sava galda kā atoma kodolu, tad, lai iztēlotos kaimiņu atoma kodolu, tas pats ābols būs jānes un jāliek uz galda pat ne blakus istabā, bet… blakus mājā. Neitrons būs ķiršu sēkliņas lielumā.
Lai emitētie neitroni neizlidotu velti ārpus urāna lietņa un vairāk nekā 50% no tiem atrastu mērķi atomu kodolu veidā, šim lietiņam ir jābūt atbilstoša izmēra. To sauc par urāna kritisko masu - masu, kurā vairāk nekā puse emitēto neitronu saduras ar citiem kodoliem.
Patiesībā tas notiek vienā mirklī. Sašķelto kodolu skaits pieaug kā lavīna, to fragmenti steidzas visos virzienos ar ātrumu, kas salīdzināms argaismas ātrums, izraujot gaisu, ūdeni, jebkuru citu vidi. No to sadursmēm ar vides molekulām sprādziena laukums acumirklī uzsilst līdz miljoniem grādu, izstarojot siltumu, kas visu sadedzina vairāku kilometru platībā.
Pēkšņi uzkarsēts gaiss acumirklī izplešas, radot spēcīgu triecienvilni, kas notriec ēkas no pamatiem, apgāž un iznīcina visu, kas atrodas savā ceļā… lūk, atomsprādziena attēls.
Kā tas izskatās praksē
Atombumbas ierīce ir pārsteidzoši vienkārša. Ir divi urāna (vai cita radioaktīva metāla) lietņi, no kuriem katrs ir nedaudz mazāks par kritisko masu. Viens no lietņiem ir izgatavots konusa formā, otrs ir bumbiņa ar konusveida atveri. Kā jau varētu nojaust, apvienojot abas pusītes, tiek iegūta bumba, kurā tiek sasniegta kritiskā masa. Šī ir standarta vienkārša kodolbumba. Abas puses ir savienotas, izmantojot parasto TNT lādiņu (konuss tiek iešauts bumbiņā).
Bet nedomājiet, ka kāds var salikt šādu ierīci "uz ceļgala". Viltība ir tāda, ka urānam, lai sprāgtu bumba, ir jābūt ļoti tīram, piemaisījumu klātbūtne ir praktiski nulle.
Kāpēc nav cigarešu paciņas lieluma atombumbas
Viss tā paša iemesla dēļ. Visizplatītākā urāna 235 izotopa kritiskā masa ir aptuveni 45 kg. Šāda daudzuma kodoldegvielas eksplozija jau ir katastrofa. Un izgatavot sprādzienbīstamu ierīci ar mazākvielas daudzums nav iespējams - tas vienkārši nedarbosies.
Šā paša iemesla dēļ nebija iespējams izveidot superjaudīgus atomu lādiņus no urāna vai citiem radioaktīviem metāliem. Lai bumba būtu ļoti jaudīga, tā tika izgatavota no desmitiem lietņu, kuri, uzspridzinot detonējošus lādiņus, metās uz centru, savienojoties kā apelsīna šķēles.
Bet kas patiesībā notika? Ja kāda iemesla dēļ divi elementi sastapās par sekundes tūkstošdaļu agrāk nekā citi, kritiskā masa tika sasniegta ātrāk, nekā pārējais “sanāk laikā”, sprādziens nenotika ar tādu jaudu, kādu bija paredzējuši dizaineri. Superjaudīgo kodolieroču problēma tika atrisināta tikai līdz ar termokodolieroču parādīšanos. Bet tas ir nedaudz cits stāsts.
Kā darbojas mierīgs atoms
Atomelektrostacija būtībā ir tā pati kodolbumba. Tikai šai "bumbai" ir no urāna izgatavoti degvielas elementi (degvielas elementi), kas atrodas zināmā attālumā viens no otra, un tas neliedz tiem apmainīties ar neitronu "triecienu".
Degvielas elementi ir izgatavoti stieņu veidā, starp kuriem atrodas vadības stieņi, kas izgatavoti no materiāla, kas labi absorbē neitronus. Darbības princips ir vienkāršs:
- regulējošie (absorbējošie) stieņi tiek ievietoti telpā starp urāna stieņiem - reakcija palēninās vai apstājas pavisam;
- kontrolstieņi tiek izņemti no zonas - radioaktīvie elementi aktīvi apmainās ar neitroniem, kodolreakcija norit intensīvāk.
Patiesi, izrādās, ka tā pati atombumba,kurā kritiskā masa tiek sasniegta tik gludi un tiek regulēta tik skaidri, ka neizraisa sprādzienu, bet tikai dzesēšanas šķidruma uzsildīšanu.
Lai gan diemžēl, kā liecina prakse, ne vienmēr cilvēka ģēnijs spēj savaldīt šo milzīgo un postošo enerģiju – atoma kodola sabrukšanas enerģiju.
