Александр Никонов - Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям

Оказалось, что если в ядро изотопа урана-235 попадает случайный нейтрон, ядро может развалиться. Оно ведет себя, как капля жидкости – в эту «жидкость» ударяет прилетевший нейтрон, от удара «капля» деформируется, из круглой становясь продолговатой, то есть ее края разъезжаются. И в этот миг расстояние между протонами на дальних краях начинает превышать радиус действия ядерных сил, то есть того самого сильного взаимодействия, которое и держит нуклоны в ядре. Оно ведь очень короткодействующее! И тогда силы электростатического отталкивания между дальними протонами расталкивают куски ядра с огромной скоростью. Ядро урана разваливается на две части – барий и криптон (найдите эти вещества в таблице Менделеева). При этом еще получается уйма энергии в виде гамма-излучения и парочка лишних свободных нейтронов.

Распад урана под воздействием случайного протона

Физики подсчитали, что из одного грамма урана-235 можно извлечь энергии столько же, сколько от сжигания 3 тонн каменного угля. Но что будет инициировать дальнейшую реакцию? Да вот те самые два нейтрона, которые получились в ее результате! Мы начали с одного случайного нейтрона, в результате нейтронного удара по ядру получили осколки, кучу энергии и еще целых два нейтрона. Если теперь оба они попадут в соседние ядра и разрушат их, то у нас получится уже 4 свободных нейтрона! Если те попадут в соседние ядра, будет 8 нейтронов. Потом 16. И так далее. Пойдет цепная реакция с высвобождением все большей и большей энергии. Взрыв!

Атомный взрыв!

А если эта парочка нейтронов не попадет по соседним ядрам, а вылетит из куска урана и будет поглощена окружающей уран средой? Тогда цепная реакция не пойдет. И взрыва не будет.

Для взрыва нужно, чтобы первое делящееся ядро урана-235 довольно плотно окружали такие же ядра. Нейтронное излучение очень проникающее, нейтрон может пролететь в металле довольно долгий путь, не попасть при этом ни в одно ядро и вылететь из куска металла на волю. А попасть нейтрону в соседнее ядро не так-то и просто, потому что атом ведь практически пуст! Его маленькое ядро окружает довольно разреженная шуба электронных орбит. Это огромная планетная система! Вокруг ядра урана летает 92 электрона – если не верите, посмотрите в таблицу Менделеева или на рисунок выше.

Ядро атома меньше диаметра дальней электронной орбиты в 100 тысяч раз! Если мысленно атомное ядро увеличить до размеров горошины, то размер самого атома будет в полкилометра! При этом электроны в тысячи раз меньше протонов. То есть если ядро у нас теперь получилось с горошину, то электрон – размером с пылинку. И получается, что эти пылинки кружатся вокруг ядра-горошинки на расстоянии в сотни метров.

И вот в такую горошинку нам нужно попасть другой горошинкой (точнее, осколком горошинки) с расстояния в километры! Вероятность попадания ничтожна. Но ведь и атомов в веществе миллиарды, а значит вероятность попадания вырастает в миллиарды раз! То есть ничтожно малую величину нам нужно умножить на огромную и посмотреть, что перевесит. Иными словами, возникает вопрос: сколько атомов урана-235 слепить в комок, чтобы получившиеся в результате первичной реакции нейтроны попали все-таки в ядра атомов прежде, чем вылетят из куска металла?

Ответ на этот вопрос есть: критическая масса урана-235 содержится в шарике диаметром всего в 18 сантиметров. Небольшой мячик такой. В этом количестве металлического урана-235 содержится как раз такое число атомов, которое гарантированно обеспечит цепную реакцию – ядерный взрыв. То есть если сложить полмячика и полмячика вместе, они тут же взорвутся. Поэтому в хозяйственных магазинах уран-235 продается только по половинкам, а сложить его можно уже дома или около школы, чтобы проверить – сработает или нет.

Думаю, есть смысл послать маму в магазин и попросить купить две упаковки урана. Только смотрите, чтобы она не перепутала и брала именно 235-й, потому что уран-238 таким полезным свойством не обладает.

Но донесет ли мама из магазина эти две половинки? Сколько вообще весит шарик урана диаметром в 18 сантиметров? Если вы посмотрите в таблицу чудесного старика Менделеева, то увидите, что уран находится далеко внизу, то есть представляет собой довольно тяжелый элемент, что понятно: это вам не водород с одним нуклоном, в ядре урана этих нуклонов аж целых 235!

В общем, не буду вас томить и сразу скажу, что металлический урановый шар диаметром в 18 см весит 52 килограмма. Мама не донесет. Поэтому, если школы (и половины города) не жалко, то пожалейте хотя бы маму и не посылайте ее такие тяжести таскать.

Другое дело плутоний-239. Из него тоже можно делать атомные бомбы, причем критическая масса плутония составляет всего 11 кг при диаметре шарика в 9 см. Это получается по 5,5 кило в каждой руке. Мама донесет…

В общем, если слиток радиоактивного металла превышает критическую массу, он сам по себе взрывается.

А если не превышает, ядра атомов в куске металла просто постепенно распадаются, металл греется, гамма-излучает, но не взрывается, поскольку не начинается цепная реакция – нейтроны не успевают попасть в соседнее ядро, как уже вылетают из слитка наружу.

Так выглядит плутоний – тяжелый радиоактивный серебристый металл

Но мы немножко отвлеклись. Поэтому перенесем наше внимание с мамы на Гитлера.

Итак, в марте 1939 года, за несколько месяцев до Второй мировой войны французские физики опубликовали статью о том, что из металлического урана можно добывать энергию для мирных целей, а также использовать его в военном деле для создания бомб чудовищной мощности. Эта статья не осталась незамеченной. И потому уже в апреле к военным властям Германии обратились немецкие физики с предложением создать урановую бомбу.

К 20 сентября идея дошла до Гитлера. Вторая мировая война шла к тому времени уже три недели, правда, тогда еще никто не знал, что началась именно мировая война – немецкие войска успешно давили последнее сопротивление поляков, а им на помощь за три дня до указанной даты пришли советские войска, напавшие на Польшу с другой стороны. Казалось, военный пожар уже практически угас: Польша, согласно договору о дружбе, заключенному между Германией и СССР, поделена между двумя друзьями и перестала существовать, а Гитлера тем не менее ставят в известность о том, что возможно создание чудо-оружия.