2 ամսից մի փոքր ավելի է անցել մարդկության պատմության մեջ ամենավատ պատերազմի ավարտից։ Եվ այսպես, 1945 թվականի հուլիսի 16-ին ԱՄՆ զինվորականների կողմից փորձարկվեց առաջին միջուկային ռումբը, իսկ մեկ ամիս անց ճապոնական քաղաքների հազարավոր բնակիչներ մահանում են ատոմային դժոխքում։ Այդ ժամանակից ի վեր միջուկային զենքերը, ինչպես նաև դրանք թիրախներ հասցնելու միջոցները շարունակաբար կատարելագործվել են ավելի քան կես դար։
Զինվորականները ցանկանում էին իրենց տրամադրության տակ ունենալ և՛ գերհզոր զինամթերք՝ մեկ հարվածով քարտեզից հեռացնելով ամբողջ քաղաքներն ու երկրները, և՛ ծայրահեղ փոքրերը, որոնք տեղավորվում էին պայուսակի մեջ: Նման սարքը դիվերսիոն պատերազմը կհասցներ աննախադեպ մակարդակի։ Ե՛վ առաջինի, և՛ երկրորդի հետ կային անհաղթահարելի դժվարություններ։ Սրա պատճառը այսպես կոչված կրիտիկական զանգվածն է։ Այնուամենայնիվ, առաջին հերթին առաջինը:
Այսպիսի պայթուցիկ միջուկ
Որպեսզի հասկանանք, թե ինչպես են աշխատում միջուկային սարքերը և հասկանալ, թե ինչ է կոչվում կրիտիկական զանգված, եկեք մի փոքր վերադառնանք սեղանին: Դպրոցական ֆիզիկայի դասընթացից մենք հիշում ենք մի պարզ կանոն՝ նույնանուն լիցքերը վանում են միմյանց։ Նույն տեղում՝ ավագ դպրոցում, աշակերտներին պատմում են ատոմային միջուկի կառուցվածքի մասին՝ բաղկացած նեյտրոններից, չեզոք մասնիկներից և.դրական լիցքավորված պրոտոններ. Բայց ինչպե՞ս է դա հնարավոր։ Դրական լիցքավորված մասնիկները այնքան մոտ են միմյանց, որ վանող ուժերը պետք է հսկայական լինեն։
Գիտությունը լիովին տեղյակ չէ ներմիջուկային ուժերի բնույթի մասին, որոնք միասին պահում են պրոտոնները, թեև այդ ուժերի հատկությունները բավականին լավ ուսումնասիրված են: Ուժերը գործում են միայն շատ մոտ տարածությունից։ Բայց արժի գոնե մի փոքր առանձնացնել պրոտոնները տիեզերքում, քանի որ վանող ուժերը սկսում են գերակշռել, և միջուկը կտոր-կտոր է լինում։ Եվ նման ընդլայնման ուժն իսկապես հսկայական է: Հայտնի է, որ չափահաս տղամարդու ուժը չի բավականացնի կապարի ատոմի միայն մեկ միջուկի պրոտոնները պահելու համար։
Ինչից էր վախենում Ռադերֆորդը
Պարբերական աղյուսակի տարրերի մեծ մասի միջուկները կայուն են: Այնուամենայնիվ, քանի որ ատոմային թիվը մեծանում է, այս կայունությունը նվազում է: Դա մոտավորապես միջուկների չափ է: Պատկերացրեք ուրանի ատոմի միջուկը, որը բաղկացած է 238 նուկլիդներից, որոնցից 92-ը պրոտոններ են։ Այո, պրոտոնները սերտ շփման մեջ են միմյանց հետ, և ներմիջուկային ուժերը ապահով կերպով ցեմենտավորում են ամբողջ կառուցվածքը: Սակայն միջուկի հակառակ ծայրերում գտնվող պրոտոնների վանող ուժը նկատելի է դառնում։
Ի՞նչ էր անում Ռադերֆորդը: Նա ատոմները ռմբակոծել է նեյտրոններով (էլեկտրոնը չի անցնի ատոմի էլեկտրոնային թաղանթով, իսկ դրական լիցքավորված պրոտոնը վանող ուժերի պատճառով չի կարողանա մոտենալ միջուկին)։ Նեյտրոնը, մտնելով ատոմի միջուկ, առաջացնում է նրա տրոհումը։ Երկու առանձին կեսեր և երկու կամ երեք ազատ նեյտրոններ թռան իրարից։
Այս քայքայումը, թռչող մասնիկների ահռելի արագության պատճառով, ուղեկցվել է հսկայական էներգիայի արտազատմամբ։ Խոսակցություն կար, որ Ռադերֆորդը նույնիսկ ցանկացել է թաքցնել իր հայտնագործությունը՝ վախենալով մարդկության համար դրա հնարավոր հետևանքներից, բայց դա, ամենայն հավանականությամբ, ոչ այլ ինչ է, քան հեքիաթ։
Այսպիսով, ի՞նչ կապ ունի զանգվածը դրա հետ և ինչու է այն կրիտիկական
Ուրեմն ի՞նչ: Ինչպե՞ս կարելի է պրոտոնների հոսքով ճառագայթել բավականաչափ ռադիոակտիվ մետաղ՝ հզոր պայթյուն առաջացնելու համար: Իսկ ի՞նչ է կրիտիկական զանգվածը։ Խոսքն այն մի քանի ազատ էլեկտրոնների մասին է, որոնք դուրս են թռչում «ռմբակոծված» ատոմային միջուկից, նրանք, իրենց հերթին, բախվելով այլ միջուկների հետ, կառաջացնեն նրանց տրոհումը։ Կսկսվի այսպես կոչված միջուկային շղթայական ռեակցիա։ Այնուամենայնիվ, դրա գործարկումը չափազանց դժվար կլինի։
Ստուգեք սանդղակը. Եթե մեր սեղանի վրա վերցնենք խնձորը որպես ատոմի միջուկ, ապա հարեւան ատոմի միջուկը պատկերացնելու համար նույն խնձորը պետք է տանել և դնել սեղանին ոչ թե կողքի սենյակում, այլ․․․ կողքի տանը։ Նեյտրոնը կկազմի բալի հատիկի չափ։
Որպեսզի արտանետվող նեյտրոնները իզուր չթռչեն ուրանի ձուլակտորից դուրս, և դրանց 50%-ից ավելին ատոմային միջուկների տեսքով թիրախ գտնի, այս ձուլակտորը պետք է ունենա համապատասխան չափս։ Սա այն է, ինչ կոչվում է ուրանի կրիտիկական զանգված՝ այն զանգվածը, որի դեպքում արտանետվող նեյտրոնների կեսից ավելին բախվում է այլ միջուկների հետ։
Իրականում դա տեղի է ունենում մի ակնթարթում։ Պառակտված միջուկների թիվն աճում է ձնահյուսի պես, նրանց բեկորները շտապում են բոլոր ուղղություններով՝ համեմատելի արագությամբ.լույսի արագությունը, բաց օդի, ջրի, ցանկացած այլ միջավայրի պատռում: Շրջակա միջավայրի մոլեկուլների հետ նրանց բախումից պայթյունի տարածքն ակնթարթորեն տաքանում է մինչև միլիոնավոր աստիճաններ՝ ճառագելով ջերմություն, որը այրում է ամեն ինչ մի քանի կիլոմետր տարածքի վրա։
Հանկարծ տաքացվող օդը ակնթարթորեն մեծանում է չափերով՝ ստեղծելով հզոր հարվածային ալիք, որը փչում է շենքերը հիմքերից, շրջում և ոչնչացնում ամեն ինչ, ինչ ճանապարհին… սա ատոմային պայթյունի պատկերն է։
Ինչպես է այն գործնականում
Ատոմային ռումբի սարքը զարմանալիորեն պարզ է. Ուրանի (կամ այլ ռադիոակտիվ մետաղի) երկու ձուլակտոր կա, որոնցից յուրաքանչյուրը կրիտիկական զանգվածից փոքր-ինչ պակաս է։ Ձուլակտորներից մեկը պատրաստված է կոնի տեսքով, մյուսը՝ կոնաձև անցք ունեցող գնդիկ։ Ինչպես կարող եք կռահել, երբ երկու կեսերը միավորվում են, ստացվում է գնդիկ, որի մեջ հասնում է կրիտիկական զանգվածը: Սա ստանդարտ պարզ միջուկային ռումբ է: Երկու կեսերը միացված են սովորական տրոտիլ լիցքավորման միջոցով (կոնը հարվածվում է գնդակի մեջ):
Բայց մի կարծեք, որ որևէ մեկը կարող է նման սարք հավաքել «ծնկների վրա»: Խաբեությունն այն է, որ ուրանը, որպեսզի ռումբը պայթի, պետք է շատ մաքուր լինի, կեղտերի առկայությունը գործնականում զրոյական է։
Ինչու չկա ծխախոտի տուփի չափ ատոմային ռումբ
Բոլորը նույն պատճառով: Ուրանի 235 ամենատարածված իզոտոպի կրիտիկական զանգվածը մոտ 45 կգ է։ Միջուկային վառելիքի այս քանակի պայթյունն արդեն իսկ աղետ է։ Իսկ քիչ գումարով պայթուցիկ սարք պատրաստելնյութի քանակն անհնար է, այն պարզապես չի աշխատի:
Նույն պատճառով հնարավոր չէր ուրանի կամ այլ ռադիոակտիվ մետաղներից գերհզոր ատոմային լիցքեր ստեղծել։ Որպեսզի ռումբը շատ հզոր լինի, այն պատրաստվել է մեկ տասնյակ ձուլակտորներից, որոնք պայթեցնող լիցքերը պայթեցնելիս շտապել են կենտրոն՝ միանալով նարնջի կտորների նման։։
Բայց ի՞նչ է եղել իրականում: Եթե, ինչ-ինչ պատճառներով, երկու տարրերը հանդիպեին մեկ հազարերորդական վայրկյանից շուտ, քան մյուսները, ապա կրիտիկական զանգվածը կհասներ ավելի արագ, քան մնացածը «ժամանակին կհասնեին», պայթյունը տեղի չունեցավ այն հզորությամբ, որը ակնկալում էին դիզայներները: Գերհզոր միջուկային զենքի խնդիրը լուծվեց միայն ջերմամիջուկային զենքի հայտնվելով։ Բայց դա մի փոքր այլ պատմություն է:
Ինչպես է գործում խաղաղ ատոմը
Ատոմակայանը ըստ էության նույն միջուկային ռումբն է։ Միայն այս «ռումբում» կան վառելիքի տարրեր (վառելիքի տարրեր)՝ պատրաստված ուրանից, որոնք գտնվում են միմյանցից որոշ հեռավորության վրա, ինչը չի խանգարում նրանց փոխանակել նեյտրոնային «հարված»։
Վառելիքի տարրերը պատրաստվում են ձողերի տեսքով, որոնց միջև կան հսկիչ ձողեր՝ պատրաստված նեյտրոնները լավ ներծծող նյութից։ Գործողության սկզբունքը պարզ է՝
- կարգավորող (ներծծող) ձողեր տեղադրվում են ուրանի ձողերի միջև ընկած տարածության մեջ. ռեակցիան դանդաղում է կամ ընդհանրապես դադարում;
- կառավարման ձողերը հանվում են գոտուց. ռադիոակտիվ տարրերն ակտիվորեն փոխանակում են նեյտրոնները, միջուկային ռեակցիան ավելի ինտենսիվ է ընթանում:
Իսկապես, պարզվում է նույն ատոմային ռումբը,որտեղ կրիտիկական զանգվածը հասնում է այնքան սահուն և այնքան հստակ կարգավորվում, որ դա չի հանգեցնում պայթյունի, այլ միայն տաքացնում է հովացուցիչ նյութը։
Չնայած, ցավոք, ինչպես ցույց է տալիս պրակտիկան, միշտ չէ, որ մարդկային հանճարը կարողանում է զսպել այս հսկայական և կործանարար էներգիան՝ ատոմային միջուկի քայքայման էներգիան։
