Atominės bombos ir kaip jos veikia

Yra du atominių sprogimų tipai, kuriuos gali palengvinti Uranas-235: skilimas ir sintezė. Paprastai dalijimasis yra branduolinė reakcija, kurios metu atominis branduolys suskaidomas į fragmentus (paprastai du palyginamos masės fragmentai), tuo pačiu metu skleidžiant nuo 100 milijonų iki kelių šimtų milijonų voltų energija. Ši energija išmetama sprogstamai ir žiauriai į atominė bomba. Susiliejimo reakcija, kita vertus, paprastai pradedama dalijimosi reakcija. Tačiau skirtingai nuo dalomosios (atominės) bombos, sintezės (vandenilio) bomba gauna savo galią iš įvairių vandenilio izotopų branduolių susiliejimo į helio branduolius.

Šiame straipsnyje aptariama A-bomba arba atominė bomba. Atominėje bomboje esanti didžiulė reakcijos galia kyla iš jėgų, kurios kartu laiko atomą. Šios jėgos yra panašios į magnetizmą, bet nėra visiškai tokios pačios kaip.

Atomai sudaro įvairūs skaičiai ir trijų subatominių dalelių deriniai: protonai, neutronai, ir elektronai. Protonai ir neutronai susilieja, sudarydami atomo branduolį (centrinę masę), o elektronai skrieja aplink branduolį, panašiai kaip planetos aplink saulę. Atomų stabilumą lemia šių dalelių pusiausvyra ir išdėstymas.

Daugelyje elementų yra labai stabilūs atomai, kurių neįmanoma suskaidyti, nebent bombarduojant dalelių greitintuvuose. Visiems praktiniams tikslams vienintelis natūralus elementas, kurio atomus galima lengvai padalyti, yra uranas, a sunkusis metalas, turintis didžiausią visų natūralių elementų atomą ir neįprastai aukštą neutronų-protonų kiekį santykis. Šis didesnis santykis nepadidina jo „suskaidomumo“, tačiau jis daro didelę įtaką jo gebėjimui palengvinti sprogimą, todėl uranas-235 yra išskirtinis kandidatas į branduolio dalijimąsi.

Yra du natūraliai susidarantys izotopai uranas. Natūralųjį uraną daugiausia sudaro izotopas U-238, kurio kiekviename atome yra 92 protonai ir 146 neutronai (92 + 146 = 238). Sumaišius su tuo, U-235 kaupiasi 0,6%, o viename atome yra tik 143 neutronai. Šio lengvesnio izotopo atomai gali būti suskaidomi, todėl jis yra „dalijamasis“ ir naudingas gaminant atomines bombas.

Neutronų sunkusis U-238 taip pat vaidina svarbų vaidmenį atominėje bomboje, nes jo neutronų sunkieji atomai gali nukreipti pasklidusius neutronai, užkertantys kelią atsitiktinei grandininei reakcijai į urano bombą ir išlaikantys neutronus plutonio bomba. U-238 taip pat gali būti „prisotintas“ gaminti plutonį (Pu-239), žmogaus sukurtą radioaktyvųjį elementą, taip pat naudojamą atominėse bombose.

Abu urano izotopai yra natūraliai radioaktyvūs; ilgainiui jų dideli atomai suyra. Turėdamas pakankamai laiko (šimtus tūkstančių metų), uranas ilgainiui praras tiek dalelių, kad pavirs švinu. Šis skilimo procesas gali būti labai paspartintas vadinamojoje grandininėje reakcijoje. Užuot natūraliai ir lėtai susiskaidę, atomai yra prievarta suskaidomi bombarduojant neutronus.

Smūgio iš vieno neutrono pakanka padalinti mažiau stabilų U-235 atomą, sukuriant mažesnių elementų atomus (dažnai bario ir kriptono) ir skleidžiančios šilumą bei gama spinduliuotę (galingiausia ir mirtiniausia radioaktyvumas). Ši grandininė reakcija įvyksta, kai „atsarginiai“ neutronai iš šio atomo išskrenda su pakankama jėga, kad suskaidytų kitus U-235 atomus, su kuriais jie liečiasi. Teoriškai reikia padalinti tik vieną U-235 atomą, kuris išleis neutronus, kurie suskaidys kitus atomus, kurie išlaisvins neutronus... ir taip toliau. Šis progresas nėra aritmetinis; jis yra geometrinis ir vyksta per milijonąją sekundės dalį.

Minimalus kiekis grandininei reakcijai pradėti, kaip aprašyta aukščiau, yra žinomas kaip superkritinė masė. Dėl gryno U-235 jis yra 110 svarų (50 kilogramų). Tačiau joks uranas niekada nebūna gana grynas, todėl iš tikrųjų reikės daugiau, pavyzdžiui, U-235, U-238 ir plutonio.

Uranas nėra vienintelė medžiaga, naudojama atominėms bomboms gaminti. Kita medžiaga yra žmogaus sukurto elemento plutonio „Pu-239“ izotopas. Plutonis natūraliai randamas tik nedideliais pėdsakais, todėl iš urano turi būti pagamintas tinkamas kiekis. Branduoliniame reaktoriuje sunkesnis urano izotopas U-238 gali būti priverstas įgyti papildomų dalelių, ilgainiui virsdamas plutoniu.

Plutonis savaime nepradės greitos grandininės reakcijos, tačiau šią problemą įveikia turėdamas neutronų šaltinis arba labai radioaktyvi medžiaga, išskirianti neutronus greičiau nei plutonis pats. Tam tikros rūšies bombose šiai reakcijai sukelti naudojamas elementų berilio ir polonio mišinys. Reikia tik nedidelio gabalėlio (superkritinė masė yra apie 32 svarus, nors gali būti naudojama ir 22). Medžiaga savaime nėra dalioji, o tik veikia kaip didesnės reakcijos katalizatorius.