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.