Моисей Нейман - Термоядерное оружие

Позднее нашли способ превращать дешевый уран 238 в новый искусственный химический элемент, названный плутонием. Из плутония тоже научились извлекать атомную энергию, причем производство плутония обходилось дешевле, чем разделение изотопов урана. Это было одной из причин, которые привели к удешевлению атомной энергии.

Каким же образом человек освобождает из атомов заключенную в них колоссальную энергию?

Ученые установили, что почти вся энергия атомов сосредоточена в их ядрах. Так как эта энергия заключается в ядре атома, то правильнее ее следует называть не атомной, а ядерной энергией, а оружие, основанное на использовании этой энергии, — ядерным оружием, но так как термины атомная энергия, атомная бомба общеизвестны и привычны, то часто употребляют эти распространенные названия.

Когда стало известно, что в ядре атома заключается колоссальная энергия, ядро привлекло к себе внимание ученых. В изучении атомного ядра значительны заслуги советских ученых И. В. Курчатова, И. Е. Тамма, А. И. Алиханова, Я. И. Френкеля, Д. Д. Иваненко и других.

Ученые установили, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Ядро атома примерно в 100 тысяч раз меньше самого атома, оно имеет необычайно большую плотность. Если бы можно было спичечную коробку наполнить ядрами атомов, плотно их упаковав, то такая спичечная коробка, заполненная ядерным веществом, весила бы больше, чем весит большой город со всеми домами, заводами и многомиллионным населением (рис. 6).

Все виды энергии, которые были раньше известны человеку, обусловлены двумя видами сил: либо электрическими силами, либо силами тяготения (гравитационными силами). Как выяснилось, ядерная энергия не обусловлена ни теми, ни другими силами, она обусловлена новыми, ранее незнакомыми человеку силами. Силы, действующие в ядре атома, назвали ядерными. Если бы ядерных сил не существовало, ядро разлетелось бы на составные части вследствие действия мощных электрических сил отталкивания между протонами, которые находятся в ядре очень близко друг к другу. Ядерные силы на малых расстояниях внутри ядра во много раз превосходят силы отталкивания, действующие между протонами, вследствие чего ядро очень трудно разрушить.

Какова природа ядерных сил?

Этот вопрос изучается учеными ряда стран уже более 20 лет. Оказалось, что поле ядерных сил существует между нейтронами, между протонами, а также между нейтронами и протонами. Носителями этих сил являются материальные частицы, называемые пи-мезонами. Масса пи-мезона в 274 раза превышает массу электрона. Ученые СССР и некоторых других стран умеют получать пи-мезоны в лабораториях. Многие свойства этих частиц изучены. Существуют пи-мезоны, заряженные положительным электричеством, отрицательным, а также нейтральные. Ядерные силы возникают в результате того, что ядерные частицы — протоны и нейтроны — способны обмениваться пи-мезонами. При этом обмене нейтроны и протоны могут превращаться друг в друга.

Известны и другие виды мезонов, различающиеся по массе, электрическому заряду и ряду других свойств. Например, известны мю-мезоны, которые тяжелее электронов в 207 раз. Открыты так называемые К-мезоны — частицы, масса которых примерно в 965 раз больше массы электрона. Эти частицы весьма недолговечны, они живут лишь миллиардные доли секунды. Установлено, что К-мезон может распадаться на два или три пи-мезона.

Ученые СССР и других стран продолжают усиленно изучать природу ядерных сил, и можно не сомневаться, что будут открыты новые, ныне неизвестные свойства ядерных сил, что позволит лучше познать их природу и научиться еще полнее использовать ядерную энергиюдля нужд человечества.

Атомная энергия является одним из видов потенциальной (скрытой) энергии. Она может преобразовываться в другие виды энергии постепенно, как это происходит, например, при распаде урана, радия и других радиоактивных элементов и при работе ядерного реактора. Кроме того, атомная энергия может выделяться в больших количествах почти мгновенно, со взрывом, как это происходит при взрыве атомной или водородной бомбы.

Источником атомной энергии могут служить изотопы урана: 92U 235и 92U 233, и плутония 94Pu 239, которые принято называть ядерным горючим.

Уран 235 входит в состав природного урана, а другие виды ядерного горючего готовятся искусственно: 92U 233— из тория, а 94Pu 239— из урана.

Источником атомной энергии могут служить также некоторые легкие элементы, например изотопы водорода и лития.

Чтобы получить энергию в результате соединения ядер этих легких элементов, необходима очень высокая температура порядка нескольких миллионов градусов. Для выделения же энергии из урана или плутония такая температура не нужна.

Раньше человек не мог создать такой высокой температуры, следовательно, не мог искусственно осуществить получение атомной энергии из водорода и других легких элементов. Ученые сумели овладеть атомной энергией урана и плутония. При взрывах атомных бомб получается температура, измеряемая миллионами градусов. Значит, атомной бомбой можно было воспользоваться для того, чтобы создать условия получения энергии из водорода и лития и таким образом создать водородное оружие. Процессы, при которых для получения атомной энергии требуется очень высокая температура, называются термоядерными. Оружие, в котором используются термоядерные процессы, называют термоядерным. Следовательно, термоядерное оружие — один из видов ядерного оружия.

Когда ядра тяжелых атомов, например изотопов урана 92U 235и 92U 233или плутония 94Pu 239, 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.

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.