Oт ядра до ядерки

Дисклеймер: я уже года два не делала контент такого типа, так что не критикуйте меня строго, пожалуйста, а еще я не знаю как вставлять картинки

С чего все начиналось?
Конечно, термин атома еще в 5 в. до н.э. ввел Демокрит, но так глубоко копать нет смысла. По-настоящему развиваться ядерная физика начала, когда стало известно такое явление, как радиоактивность.

В конце XIX века ученые были увлечены открытиями в области электромагнетизма и, в частности, рентгеновских лучей,которые обладали способностью проникать через многие вещества и засвечивать фотопластинки, что вызывало интерес в научном сообществе, и не зря. Анри Беккерель, французский физик, был одним из тех, кто активно изучал рентгеновские лучи. Он заинтересовался связью между рентгеновскими лучами и флуоресценцией. Флуоресценция — это явление, когда вещество, после облучения светом, начинает светиться само. Беккерель предположил, что флуоресцентные вещества могут испускать рентгеновские лучи, таким образом он начал экспериментировать с солями урана. Обернув фотопластинку в черную бумагу, дабы защитить ее от другого света, Беккерель положил на нее кристалл урановой соли, выставил на солнце, чтобы соль засветилась, и, возможно, испустила рентгеновские лучи. И о чудо, эксперимент подтвердил гипотезу! Проявив пластинку, ученый увидел, что на ней действительно красовалось изображение урана. Но однажды выяснилось, что для того, чтобы испускать излучение, способное отпечататься на бумаге, урану не нужен свет: В течение нескольких дней погода была пасмурной, и Беккерель убрал урановую соль и фотопластинку в темный ящик, не выставляя их на солнечный свет. Когда он решил проявить фотопластинку, чтобы убедиться, что она не засветилась, он с удивлением обнаружил на ней четкое изображение кристалла урана!!! И это значит, что уран излучает что-то, способное самопроизвольно проникать через черную бумагу и засвечиваться даже без помощи солнечного света, и это открытие Беккереля стало толчком к более подробному изучению радиоактивности, и следующими на очереди были супруги Кюри. Мари начала изучать разные вещества, чтобы узнать, не обладает ли тот или иной элемент способностью испускать самопроизвольное излучение, и вот что выяснилось:

• Торий также обладает радиоактивностью, независимо от того, в каком химическом соединении он находится.

• Интенсивность излучения пропорциональна количеству элемента в веществе.

Чуть позже присоединился Пьер, чтобы узнать, что еще может быть радиоактивным, и в качестве предмета для исследований Кюри выбрали урановую смолку(UO₂ или U₃O₈), потому что она была более активной, чем чистый уран, и можно было предположить, что минерал содержит что-то еще более радиоактивное, но доселе неизвестное, и в 1898 году супруги объявили об открытии нового элемента!!!!!!! Полоний был назван в честь Польши, оттуда родом была Мари, и он был гораздо более радиоактивным, чем уран. В том же году в декабре они открыли еще один элемент, который назвали радием(с латыни radius-луч) и он был еще более радиоактивным, чем полоний. Именно их исследования и заложили основу для развития ядерной физики и химии. 

Как оно работает?                       Я не очень хочу рассказывать про Резерфорда, поэтому введу вас в механику радиоактивности. В школе на физике и химии рассказывали о том, что атом состоит из протонов, нейтронов(в ядре) и электронов(на внешних орбиталях), если нет, теперь вы тоже знаете. Нам будет интересно ядро, а еще протоны и нейтроны я хочу соединить в слово нуклоны(nuclear-ядро). В химии у элемента есть два основных числа: массовое и порядковое в таблице Менделеева. Массовое число-сумма нуклонов, порядковый номер в таблице-количество протонов и электронов. И радиоактивность это следствие дисбаланса массового числа вследствие наличия в нем жирных нейтронов, которым очень тяжело там пристроиться. Дело в том, что чтобы протоны с одинаковым зарядом не отталкивались друг от друга, и ядро было устойчивым, в природе существует сильное ядерное взаимодействие, именно оно помогает нуклонам не разлететься в разные стороны, и проблема только в том, что радиус действия ядерных сил ограничен :( 

Радиоактивность основывается как раз на этом явлении. Ядро может быть возбуждено от переизбытка нуклонов, и чтобы стабилизироваться, ему надо что-то выкинуть(частицу), так работают альфа-(испускает ядро гелия 2 протона 2 нейтрона) и бета(испускает электрон ли позитрон и нейтрино или антинейтрино)- распады, или испустить гамма-квант(очень мощное электромагнитное излучение), а так же тяжелое ядро может делиться надвое(!!!)

Обычно радиоактивному распаду подвержены тяжелые ядра, потому что радиус действия ядерных сил внутри ядра может быть меньше, чем радиус ядра. И в целом, радиоактивность-вполне естественный и даже не страшный естественный процесс 

И к чему это всё?

Минуя все последующие исследования радиоактивности, хочу сразу перейти к виновнику торжества-атомной бомбе. Манхэттенский проект-таким было кодовое название сверхсекретной программы правительства США по созданию бомбы во время Второй мировой войны. В 1939 году появляются опасения, что Германия может разрабатывать атомное оружие, в 1941 году стало известно, что нацисты активно исследуют уран, в декабре того же года после нападения на Пёрл-Харбор США вступили в войну, и это ускорило ядерные разработки. 

В 1942 году Манхэттенский инженерный округ армии США под руководством генерала Лесли Гровса получает задание разработать атомную бомбу, а научруком проекта назначают Роберта Оппенгеймера.Манхэттенский проект включал в себя несколько секретных исследовательских центров, расположенных по всей территории США: 

Лос-Аламосская национальная лаборатория: Главный научный центр проекта, где разрабатывалась конструкция атомной бомбы. Здесь работали ведущие ученые со всего мира, включая Роберта Оппенгеймера, Энрико Ферми, Нильса Бора и многих других.

Ок-Ридж: Комплекс предприятий, предназначенных для обогащения урана. Для разделения изотопов урана использовались различные методы, такие как газодиффузионный и электромагнитный.

Ханфорд: Комплекс реакторов для наработки плутония, другого расщепляющегося материала, который мог быть использован в атомной бомбе.

Чикагский университет: Здесь под руководством Энрико Ферми в 1942 году был запущен первый в мире ядерный реактор, который доказал возможность осуществления управляемой цепной реакции деления урана. 

Радиационная лаборатория в Беркли: под руководством Эрнеста Лоуренса занималась разработкой электромагнитного метода разделения изотопов урана, усовершенствование циклотрона для использования в процессе разделения изотопов.

   Механики бомб:

1. Урановые бомбы:

• Принцип действия: "Пушечная схема". Внутри бомбы находятся два куска обогащенного урана-235, каждый из которых сам по себе не является критическим. Один кусок урана выстреливается в другой с помощью обычного взрывчатого вещества. При соединении двух кусков образуется сверхкритическая масса, которая приводит к цепной ядерной реакции деления и взрыву.

• Преимущества: Относительно простая конструкция, высокая надежность (практически невозможна случайное детонация).

• Недостатки: Требуется большое количество высокообогащенного урана-235, который сложно и дорого производить.

2. Плутониевые бомбы:

• Принцип действия: "Имплозия" (сжатие). Шар из плутония-239, окруженный слоем обычного взрывчатого вещества, сжимается сферическим взрывом. Сжатие увеличивает плотность плутония, что приводит к образованию сверхкритической массы и цепной ядерной реакции деления и взрыву. Для равномерного и точного сжатия плутония используется сложная система линз из взрывчатых веществ.

• Преимущества: Можно использовать плутоний-239, который легче производить, чем уран-235.

• Недостатки: Гораздо более сложная конструкция, требующая высокой точности и синхронизации взрывчатых веществ. Более сложный процесс инициирования цепной реакции.

Используемые уран-235 и плутоний-239:

Свойства плутония-239, важные для создания атомной бомбы:

Делящийся материал: Плутоний-239 является делящимся материалом, то есть он способен поддерживать цепную ядерную реакцию деления при бомбардировке нейтронами. Критическая масса: Плутоний-239 имеет относительно небольшую критическую массу (количество материала, необходимое для начала цепной реакции). Критическая масса плутония-239 составляет около 10 кг для сферы без отражателя нейтронов и около 4 кг для сферы с бериллиевым отражателем.
Для создания атомной бомбы необходим обогащенный уран, то есть уран с повышенным содержанием урана-235.В природном уране содержание урана-235 слишком мало для поддержания эффективной цепной реакции.Процесс обогащения урана заключается в разделении изотопов урана для увеличения концентрации урана-235.
Методы обогащения урана:

В Манхэттенском проекте использовались различные методы обогащения урана:

Электромагнитный метод

 Использовался на заводе Y-12 в Ок-Ридже.Этот метод был относительно простым, но очень медленным и энергоемким.

 Жидкотермический диффузионный метод

Использовался на заводе S-50 в Ок-Ридже.Основан на разнице в диффузии изотопов урана в жидкой среде при разных температурах.

 Этот метод был менее эффективным, чем газодиффузионный, и был закрыт после запуска завода K-25.         

  В рамках Манхэттенского проекта были разработаны два типа атомных бомб:

• "Малыш": Урановая бомба пушечного типа, в которой два куска обогащенного урана соединялись вместе для достижения критической массы. Она была сброшена на Хиросиму 6 августа 1945 года.

"Толстяк": Плутониевая бомба имплозивного типа, в которой плутониевый шар сжимался взрывом обычных взрывчатых веществ для достижения критической массы. Она была сброшена на Нагасаки 9 августа 1945 года.

Перед использованием атомных бомб в боевых условиях было проведено испытание плутониевой бомбы под кодовым названием "Тринити" 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо в Нью-Мексико. В 5:29:45 по местному времени пустыню озарила ослепительная вспышка, которая была видна на расстоянии сотен тысяч миль, земля содрогнулась от мощного взрыва, грибовидное облако поднялось на высоту 12 км, а на месте образовался кратер диаметром около 30» метров, песок вокруг оплавился, позеленел, и превратился в камушки, которые назвали тринититом.Испытание прошло успешно!!!! и подтвердило работоспособность плутониевой бомбы!!!

 Манхэттенский проект объединил учёных из Великобритании, Европы, Канады, США, среди которых было 12 лауреатов Нобелевской премии, некоторые из них: Роберт Оппенгеймер, Эрнест Лоуренс, Ричард Фейнман, Энрико Ферми, Нильс Бор, Лео Силард, Клаус Фукс, Гленн Сиборг, Джон фон Нейман, Юджин Вигнер, Гарольд Юри, Леона Вудс, и много-много других.

Манхэттенский проект оказал огромное и многогранное влияние на мир, стимулировал развитие многих отраслей науки, некоторые из тамашних технологий были внедрены в энергетику, некоторые в медицину, слава ученым 20 века, слава науке!