Atomske bombe in kako delujejo

Uran-235 lahko olajšata dve vrsti atomske eksplozije: fisija in fuzija. Fisija, preprosto povedano, je jedrska reakcija, v kateri se atomsko jedro razcepi na drobce (običajno dva delci primerljive mase), medtem ko oddajajo od 100 milijonov do nekaj sto milijonov voltov energija. Ta energija se v Eksplozivno in silovito izganja atomska bomba. Po drugi strani se fuzijska reakcija običajno začne z reakcijo cepitve. Toda za razliko od cepitvene (atomske) bombe fuzijska (vodikova) bomba črpa svojo moč iz zlivanja jeder različnih vodikovih izotopov v helijeva jedra.

Ta članek razpravlja o A-bomba ali atomska bomba. Ogromna moč reakcije v atomski bombi izhaja iz sil, ki atom držijo skupaj. Te sile so podobne, a ne povsem enake kot magnetizem.

Atomi so sestavljeni iz različnih števil in kombinacij treh subatomskih delcev: protonov, nevtroniin elektronov. Protoni in nevtroni se združijo v tvorbo jedra (osrednje mase) atoma, medtem ko elektroni krožijo po jedru, podobno kot planeti okoli sonca. Stabilnost atoma določa ravnotežje in razporeditev teh delcev.

Večina elementov ima zelo stabilne atome, ki jih ni mogoče razdeliti, razen z bombardiranjem v pospeševalcih delcev. Za vse praktične namene je edini naravni element, katerega atome je mogoče enostavno razdeliti, uran, a težka kovina z največjim atomom vseh naravnih elementov in nenavadno visokim nevtronom do protonom razmerje. To višje razmerje ne poveča njegove "zložljivosti", vendar ima pomemben vpliv na njegovo zmožnost lažje eksplozije, zato je uran-235 izjemen kandidat za jedrsko cepitev.

Obstajata dva naravno prisotna izotopa uran. Naravni uran je večinoma sestavljen iz izotopa U-238 z 92 protoni in 146 nevtroni (92 + 146 = 238), ki jih vsebuje vsak atom. Mešanica s tem je 0,6-odstotna akumulacija U-235, le 143 nevtronov na atom. Atomi tega lažjega izotopa se lahko razcepijo, zato je "deljiv" in uporaben pri izdelavi atomske bombe.

Neutronsko težak U-238 ima pomembno vlogo tudi v atomski bombi, saj lahko njeni nevtronski težki atomi odklonijo potepuške nevtroni, ki preprečujejo nenamerno verižno reakcijo v uranovi bombi in zadržijo nevtrone v plutoniju bomba. U-238 je lahko tudi "nasičen" za proizvodnjo plutonija (Pu-239), umetnega radioaktivnega elementa, ki se uporablja tudi v atomskih bombah.

Oba izotopa urana sta naravno radioaktivna; njihovi glomazni atomi se sčasoma razpadajo. Glede na dovolj časa (sto tisoč let) bo uran sčasoma izgubil toliko delcev, da se bo spremenil v svinec. Ta proces razpada se lahko močno pospeši v verižni reakciji. Namesto da se razkrajajo naravno in počasi, se atomi prisilno razcepijo z bombardiranjem z nevtroni.

Udar iz enega samega nevtrona je dovolj za razcepitev manj stabilnega atoma U-235 in ustvarjanje atomov manjših elementov (pogosto barij in kripton) in sproščata toploto in gama sevanje (najmočnejša in smrtonosna oblika radioaktivnost). Ta verižna reakcija nastane, ko "rezervni" nevtroni iz tega atoma letijo z zadostno silo, da razcepijo druge atome U-235, s katerimi pridejo v stik. Teoretično je treba cepiti le en atom U-235, ki bo sprostil nevtrone, ki bodo cepili druge atome, ki bodo sproščali nevtrone... in tako naprej. To napredovanje ni aritmetično; je geometrijska in se odvija v milijoninki sekunde.

Minimalna količina za začetek verižne reakcije, kot je opisana zgoraj, je znana kot nadkritična masa. Za čisti U-235 znaša 110 kilogramov (50 kilogramov). Vendar noben uran nikoli ni čisto čist, zato bo v resnici potrebno več, kot so U-235, U-238 in Pluton.

Uran ni edini material, ki se uporablja za izdelavo atomske bombe. Drugi material je izotop Pu-239 umetnega elementa plutonij. Pluton se nahaja v naravi le v nekaj minutah, zato je treba iz urana proizvesti uporabne količine. V jedrskem reaktorju lahko uran težji izotop U-238 prisili, da pridobi dodatne delce, ki sčasoma postane plutonij.

Pluton ne bo sam sprožil hitre verižne reakcije, vendar to težavo odpravimo z a vir nevtronov ali visoko radioaktivni material, ki oddaja nevtrone hitreje kot plutonij sama. V določenih vrstah bomb se uporablja mešanica elementov Berilij in Polonij, ki povzroči to reakcijo. Potreben je le majhen kos (nadkritična masa je približno 32 kilogramov, čeprav jih lahko uporabimo kar 22). Material sam po sebi ni deljiv, ampak le deluje kot katalizator večje reakcije.