Термоядерное оружие

Когда ядра тяжелых атомов, например изотопов урана ₉₂U²³⁵ и ₉₂U²³³ или плутония ₉₄Pu²³⁹, расщепляются, то освобождается очень большое количество энергии. Такое расщепление может происходить самопроизвольно, как это обнаружили в 1940 году советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак.

При самопроизвольном расщеплении (распаде) ядро атома делится в большинстве случаев на две части, массы которых чаще всего относятся как 2 к 3. При делении ядер, кроме «осколков» большой массы, образуются также свободные нейтроны.

Однако самопроизвольное деление ядер урана и плутония происходит чрезвычайно редко. Время, в течение которого разделилась бы половина наличного количества ядер урана, измеряется миллионами миллиардов лет. Поэтому процесс самопроизвольного деления ядер урана или плутония практически нельзя использовать для получения атомной энергии.

Ядерные реакции

Английский ученый Резерфорд нашел маленькие, но могучие снаряды, которыми можно обстреливать ядра атомов и разрушать их. Такие снаряды дает человеку сама природа — это альфа-частицы, вылетающие при распаде ядер некоторых радиоактивных элементов. Из атомов радия альфа-частица вылетает со скоростью около 20 000 км/сек. Она летит во столько раз быстрее современного самолета, во сколько раз самолет летит быстрее, чем ползет черепаха. Движущаяся с такой колоссальной скоростью маленькая, но сравнительно тяжелая альфа-частица обладает большой энергией. При попадании в ядро атома альфа-частица способна разрушить это ядро. В 1919 году Резерфорд осуществил первое превращение атомных ядер путем обстрела их альфа-частицами. Из азота таким образом ему удалось получить кислород. Затем научились обстреливать ядра протонами, дейтронами (ядра дейтерия) и другими быстролетящими частицами. Сейчас известно уже много способов разрушения и превращения атомных ядер.

Процессы, при которых изменяются ядра атомов, называются ядерными реакциями. Рассмотрим для примера несколько ядерных реакций, происходящих при бомбардировке алюминия различными частицами.

1. При обстреле алюминиевой мишени быстролетящими ядрами гелия последние проникают в ядро алюминия, из которого при этом выбивается нейтрон, причем получается новое ядро, а именно ядро одного из изотопов фосфора. Эта ядерная реакция записывается следующим образом:

₁₃Al²⁷+₂Не⁴=₁₅Р³⁰+₀n¹

2. Если же алюминиевую мишень подвергнуть бомбардировке не ядрами гелия, а быстролетящими ядрами тяжелого водорода, то происходит следующая ядерная реакция:

₁₃Al²⁷+₁H²=₁₃Al²⁸+₁H¹

В результате из ядра выбрасывается протон и получается более тяжелый изотоп алюминия.

3. При бомбардировке ₁₃Al²⁷ быстролетящими протонами из ядра выбивается нейтрон и образуется один из изотопов кремния по реакции

₁₃Al²⁷+₁H¹=₁₄Si²⁷+₀n¹

4. Если алюминиевую мишень подвергнуть бомбардировке нейтронами, то из ядра выбивается протон и получается магний по реакции

₁₃Al²⁷+₀n¹=₁₂Mg²⁷+₁H¹

Число ядерных реакций, изученных до настоящего времени, достигает нескольких тысяч.

Так как ядро весьма мало и невидимо ни в какой микроскоп, то попасть в него с целью осуществить ядерную реакцию очень трудно.

Как попасть в эту невидимую цель? Приходится применять здесь тот же способ, который используют для уничтожения невидимого противника, например в темноте или в лесу. В этом случае пространство, в котором где-то находятся солдаты врага, «прочесывают». Автоматные очереди следуют одна за другой. Множество пуль пролетит мимо, пока какая-то из них убьет врага. Чтобы попасть в невидимую цель в этих условиях, нередко приходится выпускать сотни и тысячи пуль.

Подобное явление имеет место и при обстреле атомных ядер. Только в данном случае приходится еще больше расходовать снарядов главным образом из-за того, что ядра в атомах занимают ничтожную долю объема. Когда на атомы в определенных условиях, например на атомы металла, составляющие слой толщиной в один микрон, направляют поток альфа-частиц, то из десятков и сотен тысяч альфа-частиц только одна попадает в ядро. В общей сложности на проведение ядерной реакции затрачивается энергии значительно больше, чем выделяется в результате реакции. Поэтому для использования ядерной энергии было необходимо найти такой процесс, при котором достаточно было бы разрушить только несколько первых ядер атомов, что вызывало бы разрушение остальных подобно тому, как в печке поджигают только одну щепку, а остальные щепки и поленья уже сами от нее загораются и при сгорании выделяют энергию.

Такой процесс, при котором разрушения атомных ядер следуют друг за другом, называют цепным процессом, цепной реакцией.

Что представляет собой цепная реакция?

Если нейтрон попадет в ядро урана 235 или плутония 239, то это ядро разделится на два «осколка», причем, как показали опыты Фредерика Жолио-Кюри, образуется два или три новых быстролетящих нейтрона. Реакции деления могут быть различными, например:

₀n¹+₉₂U²³⁵=₅₆Ba+₃₆Kr+2(или 3)₀n¹

или

₀n¹+₉₂U²³⁵=₆₇La+₃₅Br+2(или 3)₀n¹

или