Chỉ còn hơn hai tháng nữa kể từ khi cuộc chiến tồi tệ nhất trong lịch sử nhân loại kết thúc. Và như vậy, ngày 16/7/1945, quả bom hạt nhân đầu tiên được quân đội Mỹ thử nghiệm, và một tháng sau, hàng nghìn cư dân của các thành phố Nhật Bản chết trong địa ngục nguyên tử. Kể từ đó, vũ khí hạt nhân, cũng như các phương tiện đưa chúng tới mục tiêu, đã liên tục được cải tiến trong hơn nửa thế kỷ.
Quân đội muốn sử dụng cả loại đạn siêu mạnh, quét sạch toàn bộ các thành phố và quốc gia trên bản đồ chỉ bằng một đòn, và những loại siêu nhỏ vừa vặn trong một chiếc cặp. Một thiết bị như vậy sẽ đưa chiến tranh phá hoại lên một mức độ chưa từng có. Cả với lần đầu tiên và lần thứ hai đều có những khó khăn không thể vượt qua. Lý do cho điều này là cái gọi là khối lượng tới hạn. Tuy nhiên, điều đầu tiên trước tiên.
Như một lõi nổ
Để hiểu cách thức hoạt động của các thiết bị hạt nhân và hiểu được cái gọi là khối lượng tới hạn, chúng ta hãy quay lại bàn làm việc một lúc. Từ khóa học vật lý ở trường, chúng tôi nhớ một quy tắc đơn giản: các điện tích cùng tên đẩy nhau. Cũng tại nơi này, ở trường trung học, học sinh được nghe về cấu tạo của hạt nhân nguyên tử, bao gồm nơtron, các hạt trung hòa vàcác proton mang điện tích dương. Nhưng làm thế nào điều này là có thể? Các hạt mang điện tích dương rất gần nhau, lực đẩy phải rất lớn.
Khoa học chưa nhận thức đầy đủ về bản chất của các lực nội hạt nhân giữ các proton lại với nhau, mặc dù tính chất của các lực này đã được nghiên cứu khá kỹ. Lực lượng chỉ hành động ở cự ly rất gần. Nhưng ít nhất cũng đáng một chút để tách các proton trong không gian, vì lực đẩy bắt đầu chiếm ưu thế, và hạt nhân vỡ ra thành nhiều mảnh. Và sức mạnh của sự mở rộng như vậy thực sự khổng lồ. Người ta biết rằng sức mạnh của một nam giới trưởng thành sẽ không đủ để giữ các proton của chỉ một hạt nhân của nguyên tử chì.
Rutherford sợ gì
Lõi của hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn đều ổn định. Tuy nhiên, khi số lượng nguyên tử tăng lên, tính ổn định này giảm đi. Đó là kích thước của các lõi. Hãy tưởng tượng hạt nhân của một nguyên tử uranium, bao gồm 238 nuclôn, trong đó 92 là proton. Đúng vậy, các proton tiếp xúc chặt chẽ với nhau, và các lực nội hạt nhân kết dính toàn bộ cấu trúc một cách an toàn. Nhưng lực đẩy của các proton nằm ở hai đầu đối diện của hạt nhân trở nên đáng chú ý.
Rutherford đang làm gì? Anh ta bắn phá nguyên tử bằng neutron (một electron sẽ không đi qua lớp vỏ electron của nguyên tử, và một proton mang điện tích dương sẽ không thể đến gần hạt nhân do lực đẩy). Một neutron đi vào hạt nhân của một nguyên tử gây ra sự phân hạch của nó. Hai nửa riêng biệt và hai hoặc ba nơtron tự do bay ra ngoài.
Sự phân rã này, do tốc độ cực lớn của các hạt bay, kèm theo sự giải phóng năng lượng khổng lồ. Có tin đồn rằng Rutherford thậm chí muốn che giấu phát hiện của mình, sợ hậu quả của nó có thể xảy ra đối với nhân loại, nhưng đây rất có thể chẳng khác gì một câu chuyện cổ tích.
Vậy khối lượng có liên quan gì đến nó và tại sao nó lại quan trọng
Vậy thì sao? Làm thế nào người ta có thể chiếu xạ đủ kim loại phóng xạ với một dòng proton để tạo ra một vụ nổ mạnh? Và khối lượng tới hạn là gì? Đó là tất cả về những electron tự do bay ra khỏi hạt nhân nguyên tử bị "ném bom", đến lượt chúng, va chạm với các hạt nhân khác, sẽ gây ra sự phân hạch của chúng. Một cái gọi là phản ứng dây chuyền hạt nhân sẽ bắt đầu. Tuy nhiên, việc khởi chạy nó sẽ vô cùng khó khăn.
Kiểm tra thang đo. Nếu chúng ta lấy một quả táo trên bàn làm hạt nhân của một nguyên tử, thì để hình dung hạt nhân của một nguyên tử lân cận, quả táo đó sẽ phải được mang và đặt trên bàn thậm chí không phải ở phòng bên cạnh, nhưng… trong ngôi nhà tiếp theo. Neutron sẽ có kích thước bằng hạt anh đào.
Để các neutron phát ra không bay đi vô ích bên ngoài thỏi uranium, và hơn 50% trong số chúng sẽ tìm thấy mục tiêu dưới dạng hạt nhân nguyên tử, thỏi này phải có kích thước thích hợp. Đây được gọi là khối lượng tới hạn của uranium - khối lượng mà tại đó hơn một nửa số neutron phát ra va chạm với các hạt nhân khác.
Trên thực tế, nó xảy ra ngay lập tức. Số lượng hạt nhân bị tách ra tăng lên như một trận tuyết lở, các mảnh vỡ của chúng lao về mọi hướng với tốc độ tương đươngtốc độ ánh sáng, xé toạc không khí, nước, bất kỳ phương tiện nào khác. Từ sự va chạm của chúng với các phân tử môi trường, khu vực vụ nổ ngay lập tức nóng lên hàng triệu độ, tỏa nhiệt thiêu rụi mọi thứ trong một khu vực rộng vài km.
Không khí bị đốt nóng đột ngột ngay lập tức nở ra về kích thước, tạo ra một làn sóng xung kích cực mạnh thổi bay các tòa nhà khỏi nền móng, lật đổ và phá hủy mọi thứ trên đường đi của nó … đây là hình ảnh một vụ nổ nguyên tử.
Nó trông như thế nào trong thực tế
Thiết bị của bom nguyên tử đơn giản đến kinh ngạc. Có hai thỏi uranium (hoặc kim loại phóng xạ khác), mỗi thỏi nhỏ hơn một chút so với khối lượng tới hạn. Một trong những thỏi được làm dưới dạng hình nón, thỏi còn lại là một quả bóng có lỗ hình nón. Như bạn có thể đoán, khi hai nửa quả bóng được kết hợp với nhau, một quả bóng sẽ thu được, trong đó có khối lượng tới hạn. Đây là một quả bom hạt nhân đơn giản tiêu chuẩn. Hai nửa được kết nối bằng cách sử dụng điện tích TNT thông thường (hình nón được bắn vào quả bóng).
Nhưng không nghĩ rằng bất cứ ai cũng có thể lắp ráp một thiết bị "trên đầu gối" như vậy. Bí quyết là uranium, để một quả bom phát nổ, nó phải rất tinh khiết, sự hiện diện của các tạp chất trên thực tế là bằng không.
Tại sao không có quả bom nguyên tử nào to bằng bao thuốc lá
Tất cả vì cùng một lý do. Khối lượng tới hạn của đồng vị phổ biến nhất của uranium 235 là khoảng 45 kg. Một vụ nổ lượng nhiên liệu hạt nhân này đã là một thảm họa. Và để tạo ra một thiết bị nổ với ítlượng chất là không thể - nó sẽ không hoạt động.
Vì lý do tương tự, người ta không thể tạo ra các điện tích nguyên tử siêu mạnh từ uranium hoặc các kim loại phóng xạ khác. Để quả bom có sức công phá rất lớn, nó được làm từ hàng chục thỏi, khi kích nổ các khối lượng sẽ phóng thẳng vào tâm, kết nối như những lát cam.
Nhưng điều gì thực sự đã xảy ra? Nếu vì một lý do nào đó, hai phần tử gặp nhau sớm hơn một phần nghìn giây so với những phần khác, khối lượng tới hạn đạt được nhanh hơn phần còn lại sẽ “đến đúng lúc”, thì vụ nổ đã không xảy ra ở mức công suất mà các nhà thiết kế mong đợi. Vấn đề vũ khí hạt nhân siêu mạnh chỉ được giải quyết khi có sự ra đời của vũ khí nhiệt hạch. Nhưng đó là một câu chuyện hơi khác.
Nguyên tử hòa bình hoạt động như thế nào
Một nhà máy điện hạt nhân về bản chất là cùng một quả bom hạt nhân. Chỉ có "quả bom" này có các phần tử nhiên liệu (nguyên tố nhiên liệu) làm bằng uranium nằm ở một khoảng cách nào đó với nhau, điều này không ngăn cản chúng trao đổi "cuộc tấn công" neutron.
Các phần tử nhiên liệu được làm ở dạng thanh, giữa các thanh này có các thanh điều khiển làm bằng vật liệu hấp thụ tốt nơtron. Nguyên tắc hoạt động rất đơn giản:
- thanh điều tiết (hấp thụ) được đưa vào không gian giữa các thanh uranium - phản ứng sẽ chậm lại hoặc dừng hoàn toàn;
- thanh điều khiển được đưa ra khỏi khu vực - các nguyên tố phóng xạ tích cực trao đổi neutron, phản ứng hạt nhân diễn ra mạnh mẽ hơn.
Thật vậy, hóa ra cùng một quả bom nguyên tử,trong đó khối lượng tới hạn đạt được rất êm và được điều chỉnh rõ ràng đến mức không dẫn đến cháy nổ mà chỉ làm nóng chất làm mát.
Mặc dù, thật không may, như thực tiễn cho thấy, không phải lúc nào thiên tài của con người cũng có thể kiềm chế năng lượng khổng lồ và hủy diệt này - năng lượng của sự phân rã của hạt nhân nguyên tử.
