В ядерной физике энергия измеряется в электроновольтах (эв). Энергия в 1 эв соответствует кинетической энергии частицы, обладающей одним элементарным зарядом и проходящей в электрическом поле разность потенциалов в 1 в. Эта энергия очень мала: 600 млрд. эв составляют 1 эрг. Для получения искусственным путем пары электронов нужно затратить энергию в 1 Мэв (1 млн. эв); такой опыт был проделан в 1933 году. Как было установлено в 1948 году, для получения пары мезонов (частиц, обнаруженных в космических излучениях) необходима энергия в 400 Мэв, а для получения пары протон — антипротон нужна энергия в 2000 Мэв.
Такие огромные энергии могут быть получены лишь на мощных ускорителях частиц. Берклейский ускоритель в США позволяет получать частицы с энергией в 6000 Мэв. На нем в конце 1955 года впервые был получен антипротон. Установки, где получают такие громадные энергии, называются беватронами (1 бэв = 109 эв), или космотронами, так как они позволяют получать энергии, которые до сих пор наблюдались лишь в космических излучениях.
Глава II
Принцип действия ядерных бомб
Напомнив некоторые общие сведения из области ядерной физики, мы можем перейти к изложению принципа действия ядерных бомб.
Все ядерные бомбы делятся на две большие группы: бомбы, основанные на реакции деления, называемые иногда «малыми бомбами», и бомбы, основанные на реакции синтеза, или термоядерные бомбы, называемые иногда «большими бомбами».
Действие как «малых», так и «больших» бомб основано на законе взаимосвязи массы и энергии. Хотя исходным материалом для обеих групп служат различные вещества, при взрыве и тех и других бомб происходят реакции, характеризующиеся значительным дефектом массы.
I. Бомбы, основанные на делении ядер
1. Сущность явления.
В бомбах, основанных на делении ядер, исходным материалом служат тяжелые элементы: уран 235 или плутоний 239.
Ядра этих элементов в определенных условиях могут делиться или расщепляться под действием различных частиц, преимущественно нейтронов, поскольку, будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают на себе воздействия сил отталкивания протонов ядра. Эту реакцию можно записать так:
92U235 + оn1 = 92U236 = ZXA + Z'XA' + (2 или 3) оn1 + Е.
Образовавшееся ядро урана 236 моментально расщепляется на два осколка с примерно равными массами. При этом происходят:
а) образование продуктов распада zХА +z'XA'. Продуктами распада могут быть самые различные элементы — от цинка (Z=30) до европия (Z=63).
Так как Z+Z'=92, то может образоваться пара: барий (Z=56) и криптон (Z'= 36). Каждый из этих двух продуктов распада в свою очередь распадается на три или четыре радиоактивных элемента, которые в конечном счете превращаются в устойчивые элементы;
б) испускание нейтронов. При делении ядра тяжелого элемента образуется в среднем 2–3 свободных нейтрона, которые не участвуют в образовании новых элементов, находящихся в средней части таблицы Менделеева. Эти нейтроны в свою очередь вызывают деление других ядер, и начинается цепная реакция при условии, что потеря нейтронов в результате их поглощения ядрами или вылета в атмосферу будет минимальной. Очень большая потеря нейтронов происходит, например, в уране 238, ядра которого делятся только в результате их бомбардировки «быстрыми» нейтронами, тогда как для деления урана 235 достаточно «медленных» нейтронов;
в) высвобождение огромного количества энергии порядка 200 Мэв на деление ядра. Это высвобождение энергии происходит за счет дефекта массы, который в реакциях деления составляет 0,1 % всей участвовавшей в реакции массы.
Для того чтобы цепная реакция приняла характер взрыва, необходимо наличие определенного количества массы расщепляющихся материалов, называемой критической массой. Размеры критической массы должны превышать расстояние, называемое в физике средним свободным пробегом нейтронов, так как в противном случае нейтроны могут вылетать за пределы массы, не производя деления новых ядер, и в этих условиях цепная реакция начаться не может. Для урана 235 критическая масса соответствует примерно 20 кг, для плутония — всего 5–6 кг. Впрочем, размеры критической массы можно значительно сократить, используя так называемые отражатели нейтронов, не допускающие вылета нейтронов за пределы этой массы.