Atombumbas un kā tās darbojas

Ir divi atomu sprādzienu veidi, kurus var atvieglot urāns-235: skaldīšana un saplūšana. Frakcija, vienkārši izsakoties, ir kodolreakcija, kurā atoma kodols sadalās fragmentos (parasti divos salīdzināmas masas fragmenti), vienlaikus emitējot no 100 miljoniem līdz vairākiem simtiem miljonu voltu enerģija. Šī enerģija sprādzienbīstami un vardarbīgi tiek izvadīta atombumba. Saplūšanas reakcija, no otras puses, parasti tiek sākta ar dalīšanās reakciju. Bet atšķirībā no skaldīšanas (atomu) bumbas saplūšanas (ūdeņraža) bumba iegūst savu spēku no dažādu ūdeņraža izotopu kodolu saplūšanas hēlija kodolos.

Šajā rakstā apskatīts A-bumba vai atombumba. Atombumbas reakcijas milzīgā jauda rodas no spēkiem, kas kopā satur atomu. Šie spēki ir līdzīgi magnētismam, bet ne gluži tādi paši kā.

Atomi sastāv no dažādiem numuriem un trīs apakšatomu daļiņu kombinācijām: protoniem, neitroni, un elektroni. Protoni un neitroni apvienojas, veidojot atoma kodolu (centrālo masu), kamēr elektroni riņķo pa kodolu, līdzīgi kā planētas ap sauli. Tieši šo daļiņu līdzsvars un izvietojums nosaka atoma stabilitāti.

Lielākajai daļai elementu ir ļoti stabili atomi, kurus nav iespējams sadalīt, izņemot ar bombardēšanu daļiņu paātrinātājos. Praktiskos nolūkos vienīgais dabīgais elements, kura atomus var viegli sadalīt, ir urāns, a smagais metāls ar lielāko atomu no visiem dabiskajiem elementiem un neparasti augstu neitronu-protonu attiecība. Šī augstākā attiecība nepalielina tā "sadalāmību", bet tai ir būtiska ietekme uz tās spēju atvieglot sprādzienu, padarot urānu-235 par izņēmuma kandidātu kodolskaldīšanai.

Pastāv divi dabiski sastopami izotopi urāns. Dabīgais urāns galvenokārt sastāv no izotopa U-238, un katrā atomā ir 92 protoni un 146 neitroni (92 + 146 = 238). Jauktajā ar to ir 0,6% U-235 uzkrāšanās ar tikai 143 neitroniem uz vienu atomu. Šī vieglākā izotopa atomus var sadalīt, tādējādi tas ir "sašķeļams" un noderīgs atombumbu veidošanā.

Neitronu smagajam U-238 ir nozīme arī atombumbā, jo tā neitronu smagie atomi var novirzīties neitroniem, novēršot nejaušu ķēdes reakciju urāna bumbā un neitronus turot plutonijā bumba. U-238 var būt arī "piesātināts", lai iegūtu plutoniju (Pu-239) - cilvēka radītu radioaktīvu elementu, ko izmanto arī atombumbās.

Abi urāna izotopi ir dabiski radioaktīvi; to lielie atomi laika gaitā sadalās. Ņemot vērā pietiekami daudz laika (simtiem tūkstošu gadu), urāns galu galā zaudēs tik daudz daļiņu, ka pārvērtīsies par svinu. Šo sabrukšanas procesu var ievērojami paātrināt tā dēvētajā ķēdes reakcijā. Tā vietā, lai dabiski un lēni sadalītos, atomi tiek piespiedu kārtā sadalīti, bombardējot ar neitroniem.

Trieciens no viena neitrona ir pietiekams, lai sadalītu mazāk stabilu U-235 atomu, veidojot mazāku elementu atomus (bieži vien bārijs un kriptons) un izdalot siltumu un gamma starojumu (visspēcīgākā un nāvējošā forma) radioaktivitāte). Šī ķēdes reakcija notiek, kad "rezerves" neitroni no šī atoma izlido ar pietiekamu spēku, lai sadalītu citus U-235 atomus, ar kuriem tie nonāk saskarē. Teorētiski ir nepieciešams sadalīt tikai vienu U-235 atomu, kas atbrīvos neitronus, kas sadalīs citus atomus, un atbrīvos neitronus... un tā tālāk. Šī progresēšana nav aritmētiska; tas ir ģeometrisks un notiek sekundes miljondaļas laikā.

Minimālais daudzums, lai sāktu ķēdes reakciju, kā aprakstīts iepriekš, ir pazīstams kā superkritiskā masa. Tīram U-235 tas ir 110 mārciņas (50 kilogrami). Tomēr neviens urāns nekad nav diezgan tīrs, tāpēc patiesībā būs vajadzīgs vairāk, piemēram, U-235, U-238 un plutonijs.

Urāns nav vienīgais materiāls, ko izmanto atombumbu izgatavošanai. Cits materiāls ir mākslīgā elementa plutonija izotops Pu-239. Plutonijs dabiski atrodams tikai nelielās pēdās, tāpēc no urāna jāizgatavo izmantojamie daudzumi. Kodolreaktorā urāna smagāko U-238 izotopu var piespiest iegūt papildu daļiņas, galu galā kļūstot par plutoniju.

Plutonijs pats par sevi neuzsāks ātru ķēdes reakciju, taču šo problēmu var novērst, ja ir neitronu avots vai ļoti radioaktīvs materiāls, kas izdala neitronus ātrāk nekā plutonijs pati. Atsevišķu veidu bumbās šīs reakcijas izraisīšanai izmanto berilija un polonija elementu maisījumu. Nepieciešams tikai mazs gabals (superkritiskā masa ir apmēram 32 mārciņas, lai gan var izmantot tikai 22). Materiāls pats par sevi nav dalāms, bet darbojas tikai kā lielākas reakcijas katalizators.