Atomipommit ja miten ne toimivat

Uraani-235 voi helpottaa kahta tyyppiä olevista atomiräjähdyksistä: fissio ja fuusio. Fissio, yksinkertaisesti sanottuna, on ydinreaktio, jossa atominen ydin jakautuu fragmentteihin (yleensä kahteen vertailukelpoisen massan fragmentit), emittoiden samalla 100 miljoonasta useaan sataan miljoonaan voltin energiaa. Tämä energia karkutetaan räjähtävästi ja väkivaltaisesti atomipommi. Fuusioreaktio puolestaan ​​käynnistyy yleensä fissioreaktiolla. Mutta toisin kuin fissio (atomi) pommi, fuusio (vety) pommi saa voimansa sulauttamalla erilaisten vety-isotooppien ytimiä heeliumytimiin.

Tässä artikkelissa käsitellään Pommi tai atomipommi. Atomipommissa tapahtuvan reaktion takana oleva valtava voima syntyy voimista, jotka pitävät atomin yhdessä. Nämä voimat ovat samankaltaisia, mutta eivät aivan samoja kuin magnetismi.

atomit koostuvat useista lukuista ja yhdistelmistä kolmesta atomaarisesta hiukkasesta: protoneista, neutronit, ja elektronit. Protonit ja neutronit klusteroituvat yhdessä atomin ytimen (keskimassan) muodostamiseksi samalla kun elektronit kiertävät ytimen, aivan kuten planeettoja auringon ympärillä. Näiden hiukkasten tasapaino ja järjestely määrää atomin stabiilisuuden.

Useimmissa elementteissä on erittäin stabiileja atomeja, joita on mahdoton jakaa paitsi pommittamalla hiukkaskiihdyttimissä. Kaikissa käytännöllisissä tarkoituksissa ainoa luonnollinen alkuaine, jonka atomit voidaan helposti jakaa, on uraani, a raskasmetalli, jolla on suurin luonnollisten elementtien atomi ja epätavallisen korkea neutroni-protoni suhde. Tämä suurempi suhde ei paranna sen "halkeilua", mutta sillä on tärkeä vaikutus sen kykyyn helpottaa räjähdystä, mikä tekee uraani-235: stä poikkeuksellisen ehdokkaan ydinfissioon.

Luonnollisesti esiintyviä isotooppeja on kaksi uraani. Luonnollinen uraani koostuu pääosin isotoopista U-238, ja jokaisessa atomissa on 92 protonia ja 146 neutronia (92 + 146 = 238). Tähän sekoitettuna U-235 on kertynyt 0,6%, vain 143 neutronia atomia kohti. Tämän kevyemmän isotoopin atomit voidaan jakaa, joten se on "halkeava" ja hyödyllinen atomipommien valmistuksessa.

Neutronipainoisella U-238: lla on myös merkitys atomipommissa, koska sen neutronipaksut atomit voivat taipua kulkuneuvoihin neutronit, estävät vahingossa tapahtuvan ketjureaktion uraanipommissa ja pitävät neutronit sisältävänä plutoniumina pommi. U-238 voi myös olla "kyllästetty" plutoniumin (Pu-239) tuottamiseksi, ihmisen tekemä radioaktiivinen elementti, jota käytetään myös atomipommeissa.

Molemmat uraanin isotoopit ovat luonnostaan ​​radioaktiivisia; niiden tilaa vievät atomit hajoavat ajan myötä. Riittävän ajan (satoja tuhansia vuosia) vuoksi uraani menettää lopulta niin monet hiukkaset, että se muuttuu lyijyksi. Tätä hajoamisprosessia voidaan nopeuttaa suuresti niin kutsutussa ketjureaktiossa. Sen sijaan, että hajoavat luonnollisesti ja hitaasti, atomit hajoavat pakollisesti pommittamalla neutroneilla.

Yhden neutronin isku riittää jakamaan vähemmän vakaa U-235-atomi, jolloin syntyy pienempien elementtien atomeja (usein barium ja krypton) ja vapauttaen lämpöä ja gammasäteilyä (voimakkain ja tappava muoto radioaktiivisuus). Tämä ketjureaktio tapahtuu, kun "ylimääräiset" neutronit tästä atomista lentävät ulos riittävän voiman avulla jakamaan muut U-235-atomit, joiden kanssa he ovat kosketuksissa. Teoriassa on tarpeen jakaa vain yksi U-235-atomi, joka vapauttaa neutroneja, jotka jakavat muut atomit, mikä vapauttaa neutroneja... ja niin edelleen. Tämä eteneminen ei ole aritmeettista; se on geometrinen ja tapahtuu miljoonan sekunnin sisällä.

Edellä kuvatun vähimmäismäärän ketjureaktion aloittamiseksi tunnetaan ylikriittisenä massana. Puhtaalla U-235: llä se on 110 kiloa (50 kiloa). Mikään uraani ei ole kuitenkaan koskaan aika puhdasta, joten todellisuudessa tarvitaan enemmän, kuten U-235, U-238 ja plutonium.

Uraani ei ole ainoa materiaali, jota käytetään atomipommien valmistukseen. Toinen materiaali on ihmisen tekemän plutonium-elementin Pu-239-isotooppi. Plutoniumia esiintyy luonnossa vain pienissä jäännöksissä, joten uraanista on tuotettava käyttökelpoisia määriä. Ydinreaktorissa uraanin raskaampi U-238-isotooppi voidaan pakottaa hankkimaan ylimääräisiä hiukkasia, muuttuen lopulta plutoniumiksi.

Plutonium ei käynnistä nopeaa ketjureaktiota itsessään, mutta tämä ongelma ratkaistaan, jos sillä on neutronilähde tai erittäin radioaktiivinen aine, joka vapauttaa neutroneja nopeammin kuin plutonium itse. Tietyntyyppisissä pommeissa tämän reaktion aikaansaamiseksi käytetään seosta elementteistä berryllium ja polonium. Tarvitaan vain pieni pala (ylikriittinen massa on noin 32 kiloa, tosin vähän kuin 22 voidaan käyttää). Materiaali ei ole itsessään fissioituva, vaan toimii vain katalysaattorina suurempaan reaktioon.