مر أكثر من شهرين بقليل على نهاية أسوأ حرب في تاريخ البشرية. وهكذا ، في 16 يوليو 1945 ، تم اختبار أول قنبلة نووية من قبل الجيش الأمريكي ، وبعد شهر ، مات الآلاف من سكان المدن اليابانية في الجحيم الذري. منذ ذلك الحين ، تم تحسين الأسلحة النووية ، وكذلك وسائل إيصالها إلى الأهداف ، بشكل مستمر لأكثر من نصف قرن.
أراد الجيش أن يكون تحت تصرفه ذخيرة فائقة القوة ، تجتاح مدنًا وبلدانًا بأكملها خارج الخريطة بضربة واحدة ، وذخيرة صغيرة جدًا يمكن وضعها في حقيبة. مثل هذا الجهاز من شأنه أن يرفع حرب التخريب إلى مستوى غير مسبوق. في كل من الأول والثاني كانت هناك صعوبات لا يمكن التغلب عليها. والسبب في ذلك هو ما يسمى بالكتلة الحرجة. ومع ذلك ، أول الأشياء أولاً.
مثل هذه النواة المتفجرة
لفهم كيفية عمل الأجهزة النووية وفهم ما يسمى بالكتلة الحرجة ، دعنا نعود إلى المكتب لبعض الوقت. من دورة الفيزياء المدرسية ، نتذكر قاعدة بسيطة: الشحنات التي تحمل الاسم نفسه تتنافر. في نفس المكان ، في المدرسة الثانوية ، يتم إخبار الطلاب عن بنية النواة الذرية ، التي تتكون من نيوترونات وجسيمات محايدة وبروتونات موجبة الشحنة. ولكن كيف يكون هذا ممكنا؟ الجسيمات المشحونة إيجابياً قريبة جدًا من بعضها البعض ، يجب أن تكون قوى التنافر هائلة.
العلم ليس مدركًا تمامًا لطبيعة القوى الداخلية التي تربط البروتونات ببعضها البعض ، على الرغم من أن خصائص هذه القوى قد دُرست جيدًا. القوات تعمل فقط من مسافة قريبة جدا. لكن الأمر يستحق القليل على الأقل لفصل البروتونات في الفضاء ، حيث تبدأ قوى التنافر بالسيطرة ، وتتفكك النواة إلى أجزاء. وقوة هذا التوسع هائلة حقًا. من المعروف أن قوة الذكر البالغ لن تكون كافية لحمل بروتونات نواة واحدة فقط من ذرة الرصاص.
ما الذي كان يخافه رذرفورد
نوى معظم عناصر الجدول الدوري مستقرة. ومع ذلك ، مع زيادة العدد الذري ، يتناقص هذا الاستقرار. إنها بحجم النوى. تخيل أن نواة ذرة يورانيوم تتكون من 238 نويدات ، منها 92 بروتونات. نعم ، البروتونات على اتصال وثيق مع بعضها البعض ، وتقوم القوى النووية بتدعيم الهيكل بأكمله بشكل آمن. لكن قوة التنافر للبروتونات الموجودة على طرفي نقيض للنواة تصبح ملحوظة.
ماذا كان يفعل رذرفورد؟ لقد قصف الذرات بالنيوترونات (لن يمر الإلكترون عبر غلاف الإلكترون للذرة ، ولن يتمكن البروتون الموجب الشحنة من الاقتراب من النواة بسبب قوى التنافر). نترون يدخل نواة ذرة يسبب انشطاره. تطاير نصفان منفصلان واثنان أو ثلاثة نيوترونات حرة.
هذا الاضمحلال ، بسبب السرعة الهائلة للجسيمات الطائرة ، رافقه إطلاق طاقة هائلة. كانت هناك شائعة مفادها أن رذرفورد أراد إخفاء اكتشافه ، خوفًا من عواقبه المحتملة على البشرية ، لكن هذا على الأرجح ليس أكثر من قصة خيالية.
إذن ما علاقة الكتلة بها ولماذا هي حرجة
ماذا في ذلك؟ كيف يمكن تشعيع ما يكفي من المعدن المشع بتيار من البروتونات لإنتاج انفجار قوي؟ وما هي الكتلة الحرجة؟ يتعلق الأمر كله بتلك الإلكترونات الحرة القليلة التي تطير من نواة الذرة "المفجورة" ، والتي بدورها ستصطدم مع نوى أخرى ، مما يتسبب في انشطارها. سيبدأ ما يسمى بالتفاعل النووي المتسلسل. ومع ذلك ، فإن إطلاقه سيكون صعبًا للغاية.
تحقق من المقياس. إذا أخذنا تفاحة على مائدتنا كنواة ذرة ، فلكي نتخيل نواة ذرة مجاورة ، يجب حمل نفس التفاحة ووضعها على الطاولة حتى في الغرفة المجاورة ، ولكن… في البيت المجاور. النيوترون سيكون بحجم حبة الكرز
لكي لا تطير النيوترونات المنبعثة بعيدًا عبثًا خارج سبيكة اليورانيوم ، وسيجد أكثر من 50٪ منها هدفًا على شكل نوى ذرية ، يجب أن يكون لهذه السبيكة الحجم المناسب. هذا ما يسمى بالكتلة الحرجة لليورانيوم - الكتلة التي يصطدم بها أكثر من نصف النيوترونات المنبعثة مع نوى أخرى.
في الواقع ، يحدث هذا في لحظة. ينمو عدد النوى المنقسمة مثل الانهيار الجليدي ، وتندفع شظاياها في جميع الاتجاهات بسرعات مماثلة لـسرعة الضوء ، تمزيق الهواء الطلق ، الماء ، أي وسيلة أخرى. من تصادمها مع الجزيئات البيئية ، ترتفع درجة حرارة منطقة الانفجار على الفور إلى ملايين الدرجات ، مشعة للحرارة التي تحرق كل شيء في منطقة عدة كيلومترات.
يتمدد الهواء المسخن فجأة في الحجم على الفور ، مما يخلق موجة صدمة قوية تهب المباني من الأساسات ، وتقلب وتدمر كل شيء في طريقها … هذه صورة انفجار نووي.
كيف يبدو في الممارسة
جهاز القنبلة الذرية بسيط بشكل مدهش. هناك نوعان من سبائك اليورانيوم (أو معدن مشع آخر) ، كل واحدة منها أقل بقليل من الكتلة الحرجة. صنعت إحدى السبائك على شكل مخروط ، والأخرى عبارة عن كرة بفتحة مخروطية الشكل. كما قد تتخيل ، عندما يتم الجمع بين النصفين ، يتم الحصول على كرة ، حيث يتم الوصول إلى الكتلة الحرجة. هذه قنبلة نووية بسيطة معيارية. يتم توصيل النصفين باستخدام شحنة تي إن تي المعتادة (يتم إطلاق المخروط في الكرة).
لكن لا تعتقد أن أي شخص يمكنه تجميع مثل هذا الجهاز "على الركبة". الحيلة هي أن اليورانيوم ، لكي تنفجر القنبلة ، يجب أن يكون نقيًا جدًا ، ووجود الشوائب عمليًا صفر.
لماذا لا توجد قنبلة ذرية بحجم علبة السجائر
الكل لنفس السبب. تبلغ الكتلة الحرجة للنظير الأكثر شيوعًا لليورانيوم 235 حوالي 45 كجم. إن انفجار هذه الكمية من الوقود النووي هو بالفعل كارثة. ولصنع عبوة ناسفة بأقلكمية المادة مستحيلة - إنها لن تعمل.
لنفس السبب ، لم يكن من الممكن إنشاء شحنات ذرية فائقة القوة من اليورانيوم أو غيره من المعادن المشعة. من أجل أن تكون القنبلة قوية جدًا ، فقد تم تصنيعها من اثني عشر سبيكة ، والتي عند تفجير عبوات ناسفة ، تم نقلها إلى المركز ، مترابطة مثل الشرائح البرتقالية.
لكن ماذا حدث بالفعل؟ إذا التقى عنصران ، لسبب ما ، أبكر بألف من الثانية عن العناصر الأخرى ، تم الوصول إلى الكتلة الحرجة أسرع من البقية التي "تصل في الوقت المناسب" ، فإن الانفجار لم يحدث بالقوة التي توقعها المصممون. تم حل مشكلة الأسلحة النووية فائقة القوة فقط مع ظهور أسلحة نووية حرارية. لكن هذه قصة مختلفة قليلاً.
كيف تعمل الذرة المسالمة
محطة الطاقة النووية هي في الأساس نفس القنبلة النووية. فقط هذه "القنبلة" تحتوي على عناصر وقود (عناصر وقود) مصنوعة من اليورانيوم تقع على مسافة ما من بعضها البعض ، مما لا يمنعها من تبادل "الضربة" النيوترونية.
عناصر الوقود مصنوعة على شكل قضبان ، وبينها قضبان تحكم مصنوعة من مادة تمتص النيوترونات جيدًا. مبدأ العملية بسيط:
- يتم إدخال قضبان تنظيم (ماصة) في الفراغ بين قضبان اليورانيوم - يتباطأ التفاعل أو يتوقف تمامًا ؛
- تتم إزالة قضبان التحكم من المنطقة - العناصر المشعة تتبادل النيوترونات بنشاط ، ويستمر التفاعل النووي بشكل مكثف.
في الواقع ، اتضح أن نفس القنبلة الذرية ،حيث يتم الوصول إلى الكتلة الحرجة بسلاسة شديدة ويتم تنظيمها بوضوح بحيث لا يؤدي إلى حدوث انفجار ، ولكن يؤدي فقط إلى تسخين المبرد.
على الرغم من أنه ، للأسف ، كما تظهر الممارسة ، ليس دائمًا عبقري الإنسان قادرًا على كبح هذه الطاقة الهائلة والمدمرة - طاقة اضمحلال النواة الذرية.
