Sono passati poco più di due mesi dalla fine della peggiore guerra nella storia dell'umanità. E così, il 16 luglio 1945, la prima bomba nucleare fu testata dall'esercito americano e un mese dopo migliaia di abitanti delle città giapponesi muoiono nell'inferno atomico. Da allora, le armi nucleari, così come i mezzi per consegnarle agli obiettivi, sono state continuamente migliorate per più di mezzo secolo.
I militari volevano avere a loro disposizione sia munizioni superpotenti, che spazzavano via intere città e paesi dalla mappa con un colpo solo, sia munizioni ultra piccole che stavano in una valigetta. Un tale dispositivo porterebbe la guerra di sabotaggio a un livello senza precedenti. Sia con la prima che con la seconda ci sono state difficoltà insormontabili. La ragione di ciò è la cosiddetta massa critica. Tuttavia, prima di tutto.
Un nucleo così esplosivo
Per capire come funzionano i dispositivi nucleari e capire quella che viene chiamata massa critica, torniamo un po' alla scrivania. Dal corso di fisica della scuola, ricordiamo una semplice regola: le cariche omonime si respingono. Nello stesso luogo, al liceo, agli studenti viene raccontata la struttura del nucleo atomico, costituito da neutroni, particelle neutre eprotoni caricati positivamente. Ma come è possibile? Le particelle con carica positiva sono così vicine tra loro che le forze repulsive devono essere colossali.
La scienza non è del tutto consapevole della natura delle forze intranucleari che tengono insieme i protoni, sebbene le proprietà di queste forze siano state studiate abbastanza bene. Le forze agiscono solo a distanza molto ravvicinata. Ma vale la pena almeno un po' separare i protoni nello spazio, poiché le forze repulsive iniziano a prevalere e il nucleo va in frantumi. E il potere di tale espansione è davvero colossale. È noto che la forza di un maschio adulto non sarebbe sufficiente a contenere i protoni di un solo nucleo dell'atomo di piombo.
Di cosa aveva paura Rutherford
I nuclei della maggior parte degli elementi della tavola periodica sono stabili. Tuttavia, all'aumentare del numero atomico, questa stabilità diminuisce. Riguarda la dimensione dei core. Immagina il nucleo di un atomo di uranio, composto da 238 nuclidi, di cui 92 sono protoni. Sì, i protoni sono in stretto contatto tra loro e le forze intranucleari cementano saldamente l'intera struttura. Ma la forza repulsiva dei protoni situati alle estremità opposte del nucleo diventa evidente.
Cosa stava facendo Rutherford? Ha bombardato gli atomi con neutroni (un elettrone non passerà attraverso il guscio elettronico di un atomo e un protone caricato positivamente non sarà in grado di avvicinarsi al nucleo a causa delle forze repulsive). Un neutrone che entra nel nucleo di un atomo provoca la sua fissione. Due metà separate e due o tre neutroni liberi si separarono.
Questo decadimento, dovuto all'enorme velocità delle particelle volanti, è stato accompagnato dal rilascio di un'enorme energia. Girava voce che Rutherford volesse persino nascondere la sua scoperta, temendo le sue possibili conseguenze per l'umanità, ma molto probabilmente non è altro che una favola.
Quindi cosa c'entra la massa e perché è fondamentale
E allora? Come si può irradiare abbastanza metallo radioattivo con un flusso di protoni per produrre una potente esplosione? E cos'è la massa critica? Si tratta di quei pochi elettroni liberi che volano fuori dal nucleo atomico "bombardato", a loro volta, scontrandosi con altri nuclei, causeranno la loro fissione. Inizierà una cosiddetta reazione nucleare a catena. Tuttavia, lanciarlo sarà estremamente difficile.
Controlla la scala. Se prendiamo una mela sul nostro tavolo come nucleo di un atomo, allora per immaginare il nucleo di un atomo vicino, la stessa mela dovrà essere portata e messa sul tavolo nemmeno nella stanza accanto, ma…nella casa accanto. Il neutrone avrà le dimensioni di un seme di ciliegia.
Affinché i neutroni emessi non volino via invano al di fuori del lingotto di uranio, e più del 50% di essi trovi un bersaglio sotto forma di nuclei atomici, questo lingotto deve avere le dimensioni appropriate. Questa è quella che viene chiamata la massa critica dell'uranio, la massa alla quale più della metà dei neutroni emessi si scontrano con altri nuclei.
In effetti, succede in un istante. Il numero di nuclei divisi cresce come una valanga, i loro frammenti corrono in tutte le direzioni con velocità paragonabili ala velocità della luce, che squarcia l'aria aperta, l'acqua, qualsiasi altro mezzo. Dalle loro collisioni con le molecole ambientali, l'area dell'esplosione si riscalda istantaneamente fino a milioni di gradi, irradiando calore che incenerisce tutto in un'area di diversi chilometri.
L'aria riscaldata all'improvviso si espande istantaneamente di dimensioni, creando una potente onda d'urto che fa s altare gli edifici dalle fondamenta, rib alta e distrugge tutto ciò che incontra sul suo cammino… questa è l'immagine di un'esplosione atomica.
Come appare in pratica
Il dispositivo della bomba atomica è sorprendentemente semplice. Ci sono due lingotti di uranio (o altro metallo radioattivo), ciascuno dei quali è leggermente inferiore alla massa critica. Uno dei lingotti è realizzato a forma di cono, l' altro è una palla con un foro a forma di cono. Come si può intuire, quando le due metà si uniscono, si ottiene una palla, nella quale si raggiunge la massa critica. Questa è una semplice bomba nucleare standard. Le due metà sono collegate usando la consueta carica di TNT (il cono viene sparato nella palla).
Ma non pensare che chiunque possa assemblare un dispositivo del genere "sul ginocchio". Il trucco è che l'uranio, per far esplodere una bomba, deve essere purissimo, la presenza di impurità è praticamente zero.
Perché non esiste una bomba atomica delle dimensioni di un pacchetto di sigarette
Tutti per lo stesso motivo. La massa critica dell'isotopo più comune dell'uranio 235 è di circa 45 kg. Un'esplosione di questa quantità di combustibile nucleare è già un disastro. E per fare un ordigno esplosivo con menoquantità di sostanza è impossibile - semplicemente non funzionerà.
Per lo stesso motivo, non è stato possibile creare cariche atomiche super potenti dall'uranio o da altri metalli radioattivi. Affinché la bomba fosse molto potente, era composta da una dozzina di lingotti che, quando le cariche esplosive venivano fatte esplodere, si precipitavano al centro, collegandosi come fette d'arancia.
Ma cosa è successo davvero? Se, per qualche ragione, due elementi si sono incontrati un millesimo di secondo prima degli altri, la massa critica è stata raggiunta più velocemente di quanto il resto sarebbe "arrivato in tempo", l'esplosione non è avvenuta alla potenza che i progettisti si aspettavano. Il problema delle armi nucleari superpotenti è stato risolto solo con l'avvento delle armi termonucleari. Ma questa è una storia leggermente diversa.
Come funziona un atomo pacifico
Una centrale nucleare è essenzialmente la stessa bomba nucleare. Solo questa "bomba" ha elementi combustibili (elementi combustibili) fatti di uranio situati a una certa distanza l'uno dall' altro, il che non impedisce loro di scambiarsi "colpi" di neutroni.
Gli elementi del carburante sono realizzati sotto forma di barre, tra le quali ci sono barre di controllo fatte di un materiale che assorbe bene i neutroni. Il principio di funzionamento è semplice:
- Barre di regolazione (assorbenti) vengono inserite nello spazio tra le barre di uranio - la reazione rallenta o si interrompe del tutto;
- Le barre di controllo vengono rimosse dalla zona - gli elementi radioattivi scambiano attivamente neutroni, la reazione nucleare procede più intensamente.
In effetti, si scopre la stessa bomba atomica,in cui la massa critica viene raggiunta in modo così fluido ed è regolata in modo così chiaro da non portare a un'esplosione, ma solo al riscaldamento del liquido di raffreddamento.
Anche se, sfortunatamente, come dimostra la pratica, non sempre il genio umano è in grado di frenare questa energia enorme e distruttiva - l'energia del decadimento del nucleo atomico.
