Если же нитроглицерина взять больше, например, в тысячу раз, то и тепла будет выделяться в тысячу раз больше. Поверхность же нитроглицерина, через которую тепло отводится наружу, будет только в сто раз больше. Поэтому тепло не будет успевать уходить, температура нитроглицерина станет расти, скорость распада от этого тоже будет расти, что и приведет к взрыву.
Те, кто знакомы с сельским хозяйством, знают, что если недосушенное сено сложить в стог, то оно начинает нагреваться и этот разогрев может привести к загоранию. Если такое же сено лежит в небольших копнах, то разогрева не наблюдается, так как путь теплу из середины копны до ее поверхности гораздо короче и сама поверхность всех копен больше, чем в большом стогу. Объясняется это совершенно так же, как и в примере с нитроглицерином.
Оказалось, что путем увеличения количества вещества можно ускорить и некоторые ядерные реакции.
Известны некоторые элементы, ядра атомов которых претерпевают самопроизвольный распад. Это уран, торий, радий и некоторые другие радиоактивные элементы. Распад перечисленных радиоактивных элементов протекает очень медленно: радий распадается наполовину за 1600 лет, уран еще медленнее — за четыре с половиной миллиарда лет.
До недавнего времени не было известно никаких путей, чтобы ускорить радиоактивный распад; ни нагрев в доступных пределах, ни повышение давления не изменяют ею скорости. Однако такие пути были найдены. Дело в том, что при некоторых формах самопроизвольного распада тяжелых ядер, ведущих к образованию ядер более легких элементов, выделяются нейтроны. При поглощении такого нейтрона тяжелым ядром оно распадается, причем вновь образуются нейтроны. При этом при распаде каждого ядра выделяется не один, а два — три нейтрона. Поэтому, если все выделяющиеся нейтроны попадают в ядра и вызывают их распад, то число распадающихся ядер непрерывно и очень быстро растет, ядерная реакция самоускоряется и принимает характер взрыва.
Однако это происходит лишь в том случае, если количество взятого вещества превосходит некоторую критическую величину. Для урана 235,[8] например, это критическое количество, если заряд имеет форму шара, равно приблизительно одному килограмму; такой шар по размерам соответствует небольшому яблоку.
Если количество вещества взять меньше, то не все образующиеся нейтроны будут поглощаться ядрами; часть из них пролетит через вещество в окружающую среду, не успев попасть в ядро, размеры которого очень малы по сравнению с размерами атома. Таким образом, при малом количестве радиоактивного вещества взрыва не произойдет так же, как это было при разогреве малого количества нитроглицерина.
Это свойство ядерных реакций и используется для получения атомного взрыва. Атомный заряд состоит из двух или более частей, каждая из которых меньше критической, но сумма их превышает критическую массу. Части атомного заряда удалены на такое расстояние друг от друга, чтобы нейтроны каждой из них не могли заметно ускорять распад других. Когда нужно вызвать взрыв, части заряда чрезвычайно быстро сближают; при этом общая масса становится больше критической и это практически мгновенно приводит к взрыву.
Не все радиоактивные вещества способны давать взрыв при описанных условиях. Известны три таких вещества: уран с атомным весом 235, уран с атомным весом 233 и плутоний. Уран 235 и уран 233 являются изотопами элемента урана. Атомы урана, как и многих других элементов, существуют в виде нескольких разновидностей, которые называются изотопами. Изотопы одного элемента отличаются числом нейтронов, входящих в состав ядра; различны поэтому и атомные веса; число же протонов, а следовательно, и заряд ядра у них одинаковы. Так как число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно заряду ядра, то число и расположение электронов в изотопах одинаковы, поэтому одинаковы и их химические свойства.
Природный уран состоит главным образом из изотопа с массой 238. Урана 235 в нем содержится только 0,7 проц. После разделения изотопов, что представляет собой трудную, но осуществимую задачу, уран 235 можно применять в атомной бомбе. Первая бомба, сброшенная американцами над Хиросимой, имела заряд из урана 235.
Плутоний получается из естественного урана в специальных аппаратах (так называемых атомных котлах); в этих аппаратах создаются условия для того, чтобы распад урана 235 шел достаточно быстро и чтобы нейтроны, образующиеся при этом распаде, захватывались частично ядрами урана 238. В результате этого уран 238 превращается в новый элемент — плутоний, который отличается по своим химическим свойствам от урана и поэтому легче может быть отделен от урана 238, чем уран 235. Плутоний был применен во второй атомной бомбе, сброшенной американцами над Нагасаки.
Уран 233 получается из тория, радиоактивного элемента, природные запасы которого в три раза превосходят запасы урана. При действии на торий нейтронов он превращается в уран 233, который может быть выделен химическими методами.
Чтобы приготовить атомную бомбу из указанных веществ, может быть применено устройство, схематически показанное на рисунке 31. Два полушария, составляющие атомный заряд, разделены полостью, из которой выкачан воздух. Поверх полушарий расположены заряды обычного взрывчатого вещества. При взрыве этих зарядов полушария атомного взрывчатого вещества чрезвычайно быстро сближаются, масса его становится больше критической и наступает атомный взрыв.
![]()
Рис. 31. Схема устройства атомной бомбы.
Атомная бомба, как мы уже указывали, основана на превращении тяжелых элементов в более легкие элементы, идущем с выделением энергии.
В основе водородной бомбы лежит соединение легких элементов с образованием более тяжелых. Известно применение для этой цели изотопа водорода — тяжелого водорода — дейтерия и сверхтяжелого водорода — трития. При их взаимодействии образуется гелий, причем выделяется огромное количество энергии: на килограмм трития в 7 раз больше, чем при распаде килограмма урана.
Тяжелый водород, масса ядра которого вдвое больше массы ядра обычного водорода, получается из тяжелой воды, содержащейся в обычной воде в количестве двух сотых процента. Тритий получается искусственным путем при действии нейтронов на литий.
Главная трудность при осуществлении водородного взрыва заключается в его возбуждении. Мы видели, что и некоторые обычные вторичные взрывчатые вещества нелегко взорвать — для этого нужен удар большой силы, создаваемый взрывом инициирующего взрывчатого вещества.
Чтобы вызвать реакцию соединения ядер тяжелого водорода с образованием гелия, нужна крайне высокая температура. До осуществления атомного взрыва такая температура на земле была недостижимой. Атомный взрыв и оказался своего рода инициатором для возбуждения водородного взрыва. Атомный заряд, дающий при взрыве температуру в миллионы градусов, способен вызывать взрывную термоядерную реакцию в окружающей этот заряд смеси тяжелого и сверхтяжелого водорода.
Величина заряда атомной бомбы ограничивается тем обстоятельством, что масса каждой из частей радиоактивного вещества, составляющих атомный заряд, не может превосходить критическую.
У водородною заряда это ограничение отсутствует, и величина заряда и сила взрыва водородной бомбы по этой причине могут быть гораздо больше, чем атомной.
Принципиальная схема устройства водородной бомбы изображена на рисунке 32.
![]()
Рис. 32. Схема устройства водородной бомбы.
Взрыв заряда обычного взрывчатого вещества сближает части атомного заряда и приводит к атомному взрыву. Под действием разогрева, вызванного атомным взрывом, тяжелый и сверхтяжелый водород вступают в реакцию друг с другом.
Действие водородной бомбы чрезвычайно сильное и во много раз превосходит действие атомной бомбы. По данным иностранной печати, в одном из первых наземных водородных взрывов наблюдалось образование воронки диаметром свыше полутора километров и глубиной более 50 метров. По-видимому, в современной водородной бомбе достигнут предел разрушительного действия применительно к обычным постройкам городского и сельского типа в том смысле, что дальнейшее увеличение заряда этой бомбы идет на усиление ее действия в вертикальном направлении, то есть вверх и вниз, и не приводит поэтому к увеличению площади разрушений. По этой же причине площадь разрушений от взрыва атомной бомбы получается больше, если она взрывается в воздухе на некоторой высоте, а не на земле. В последнем случае много энергии расходуется на ненужное расплавление земли и стен зданий в месте взрыва. Понятно, что сказанное не относится к сооружениям повышенной прочности или расположенным на большой глубине в земле.
