Автор: Прокопенко А.Е. (Ангарск)
2. ГОРИ, ГОРИ МОЯ ЗВЕЗДА
2.6 Ядерный взрыв
2.6
Ядерный взрыв
В природе существует ряд тяжелых
химических элементов, ядра которых подвержены распаду. Наиболее часто эти
превращения связаны с испусканием альфа (a)- и/или бета (b)‑лучей,
открытых Резерфордом в 1899 году. Он установил, что a‑лучи представляют собой поток ядер гелия,
а b‑лучи -
поток электронов. В ходе таких превращений радиоактивные природные
элементы претерпевают серию a- и b‑распадов и
порождают целую группу новых элементов. Известны три естественные
последовательности генетически связанных радиоактивных нуклидов (радиоактивных
рядов), начинающихся соответственно с нуклидов Тh232, U235 (ряд
актиноурана) и U238 (ряд
урана-радия).
При испускании радиоактивным
элементом a‑лучей
образуется новый элемент, стоящий в периодической таблице Менделеева на две
позиции левее. При испускании b‑лучей образуется новый элемент, стоящий в вышеуказанной таблице на
одну позицию правее. Некоторые промежуточные нуклиды могут распадаться путём
как a-распада, так и b‑распада, но каждый радиоактивный ряд
начинается с определённого нуклида и определённым нуклидом заканчивается.
Природные нуклиды U234, U235,
U238, а также некоторые
искусственно полученные нуклиды (Pu239, Pu241) испытывают слабое
спонтанное деление, в результате которого ядра делятся в подавляющем большинстве
случаев на две близкие по массе части (вероятность тройного деления не
превосходит 0,1%). Распределение продуктов деления по массовым числам
описывается двугорбой кривой с максимумами = 90 -100 (легкая
группа - ядра циркония, молибдена, технеция, рутения) и =
130 -140 (тяжелая группа - ядра йода, ксенона, цезия, бария).
Образующиеся в момент деления ядра осколки сильно перегружены нейтронами, поэтому сразу же после акта деления из них вылетают “мгновенные” нейтроны в количестве от одного до четырёх (в среднем 2,42) на один акт деления со средней энергией 2 МэВ. Тем не менее, полученные ядра остаются перегруженными нейтронами, из-за чего в них происходят активные цепочки превращений. В результате ряда последовательных излучений электрона из ядра осколка заряд ядра (порядок) возрастает на несколько единиц.
Нейтроны,
выделившиеся в результате деления ядра, могут быть захвачены ядрами других
элементов. Нуклиды U235 и Pu239, захватывая нейтрон, становятся
нестабильными и мгновенно распадаются, как и при спонтанном делении. Вот один
из вариантов такого распада.
U235 + n ® Y95 + I139 + 2n
Из чистых вышеуказанных нуклидов
можно создать размножающуюся систему. Если размножающаяся система очень мала, в
ней не может протекать стационарная цепная реакция деления: слишком много
нейтронов улетает через внешнюю поверхность. Но по мере роста размеров
системы роль поверхности уменьшается. И существуют такие размеры для
каждой определённой формы (они называются
критическими), при которых осуществляется цепная реакция. Если же размеры
больше критических, то цепная реакция экспоненциально нарастает. Эта идея
реализована в атомной бомбе, где из нескольких небольших (докритических) масс
чистого делящегося вещества (U235, Pu239) получают одну
закритическую. В результате нарастающей цепной реакции получают взрыв
огромной мощности.
При делении одного ядра U235
мгновенно выделяется в среднем 200 МэВ энергии, в том числе (в среднем):
- кинетическая энергия осколков
деления...............……….166,2
- энергия мгновенного g‑излучения.............………………....… 8,0
- кинетическая энергия
нейтронов деления.............……….... .4,8
- остальное (b - и g - излучение продуктов деления и др.)….19,0
Пробег осколков в веществе крайне мал
и вся кинетическая энергия их расходуется на ионизацию среды. Энергия
мгновенного g‑излучения и
значительная часть кинетической энергии нейтронов деления за счет упругого
рассеяния или g‑кванта при
неупругом рассеянии переходит в кинетическую энергию ядер с последующим
торможением последних за счёт ионизационных потерь. Ионизация окружающего
вещества приводит к испусканию им фотонов. Части оболочки и продукты деления,
поглощая фотоны, нагреваются до миллиона градусов и излучают легкие
рентгеновские лучи.
При расщеплении всех ядер 1 кг U235
(2,56 ´10\24 ядер)
выделяется энергия равная 2 ´10\10 килокалорий, что соответствует энергии
взрыва 20 килотонн тротила. Длительность взрыва ядерной бомбы измеряется
миллионными долями секунды и в цепной реакции успевает участвовать только пятая
часть расщепляющегося вещества.
В зоне цепной реакции
исключительно высокая концентрация энергии. Температура здесь быстро повышается
до нескольких миллионов градусов, а давление - миллиардов атмосфер.
Оболочка и вещество бомбы мгновенно испаряются. Эта высокотемпературная зона
излучает мягкие рентгеновские лучи. Они поглощаются окружающим воздухом, он
нагревается и испускает излучение в видимом диапазоне. Образуется огненный шар.
Размеры огненного шара и время его свечения зависят от мощности заряда. Для
заряда в 20 килотонн время свечения составляет около трёх секунд, при этом
размеры огненного шара достигают 235 метров. Одно из важнейших отличий
ядерного взрыва от обычного в том, что при ядерном взрыве значительная часть
энергии (около 35%) высвобождается в форме светового излучения.
При надземном взрыве светящаяся
область быстро всплывает вверх. При подъёме создаётся поток, который увлекает с
собой и пыль. Скорость подъёма газопылевого облака более 100 м/сек.
За 10 - 12 минут оно достигает высоты более 15 км. Там верхняя
часть сплющивается, отчего облако становится похожим на гриб. Можно подумать,
что шар всплывает из-за большой разности в плотности окружающего воздуха и
низкой плотности газов в светящейся области, обусловленной высокой её
температурой. Тогда взрыв в безвоздушном пространстве не принесёт такого
эффекта.
А получается всё наоборот. Американскими военными был
произведён взрыв ядерного устройства мощностью в несколько мегатонн на высоте
77 км. Из-за низкой плотности воздуха на этой высоте рентгеновские лучи
проходят большое расстояние и нагревают атомы атмосферы на большом
пространстве. Через 0,3 сек. после взрыва диаметр огненного шара достиг
17,6 км, а через 3,5 сек. - 29 км. И этот громадный шар
поднимался со скоростью более 1 км/сек. Через минуту он был уже на высоте
145 км. Облако поднялось до высоты 160 км. а затем опустилось до
135 км, где и продолжало дрейфовать. Атмосферное давление на высоте взрыва
составляет всего миллионную часть нормального, а на максимальной высоте подъёма
шара - стомиллионную.
Какие же силы подняли шар? Электрические. За несколько
миллисекунд вещество ядерной бомбы превратилось в огненный шар с температурой в
миллион градусов. Положительный заряд вещества значительно уменьшился и вся
область стала отрицательно заряженной. Оторванные в результате ионизации от
своих ядер электроны дружно покинули эту область. Это b‑излучение, наблюдаемое в первые секунды
взрыва.
Но в результате мощного
светового излучения температура быстро падает. Если через 100 миллисекунд
после начала цепной реакции 20‑килотонной бомбы температура шара была
300000°, то через
0,2 сек. она снизилась до 8000°, через секунду - до 5000°, а через 3 сек. свет его погаснет. Похолодевшие ядра опять станут
положительными. Но уже большой дефицит в электронах. Положительно
заряженная область оттолкнётся от земли, тоже положительной. Последнее можно
утверждать на основании того, что при грозе молнии часто устремляются к земле.
А молния - это след движения отрицательно заряженных частиц
(электронов).
По мере подъема фронт облака
впитывает свободные электроны атмосферы, отчего верхняя часть его
нейтрализуется, останавливается и сам шар уплощается. Наконец электрические
силы уравновешиваются с гравитационными и облако начнёт дрейфовать на данной
высоте. Частицы величиной в 50 мкм с высоты 10 км осядут за
4,5 часа, в 25 мкм - за 16 часов, в 5 мкм - за 2 –3 недели.
При высотных взрывах сопротивление разряженной атмосферы меньше и свободных
электронов в атмосфере меньше, а потому и скорость подъёма больше.
На такой высокой скорости шар проскакивает точку равновесия и потом
возвращается.
Ядерному взрыву сопутствуют
электромагнитные эффекты двух типов: излучение мощного электромагнитного
импульса и изменение электрических свойств атмосферы. Считают, что в
образовании импульса участвуют несколько различных механизмов. Под
действием g-излучения электроны
двигаются от центра взрыва . В связи с различной плотностью воздуха по
высоте и из-за асимметрии g‑излучения,
вызванной различной толщиной оболочки бомбы и других факторов получается
асимметрия в распределении электрического заряда,
Электроны (b-частицы) пробегают в воздухе в зависимости от
энергии от 3 см при энергии 0,05 МэВ до 17 м при 5 МэВ и
значительного вклада в изменение пространственного заряда не вносят. Да и
плотности воздуха в нижней и верхней точках огненного шара отличаются
незначительно. А мгновенное g-излучение выделяется только во время цепной реакции и полностью
экранируется мощным корпусом бомбы. b- и g‑излучения
продуктов деления значительно растянуты во времени и поэтому значительного
вклада в формировании электромагнитного импульса тоже принести не могут.
Маломощные электромагнитные импульсы
возникают и при взрыве обычных взрывчатых веществ. Но никакой ионизации
воздуха при этом не возникают. При обычном взрыве температура вещества
возрастает до 3 - 5 тыс. градусов. Общим в обеих случаях является резкое
повышение температуры. Если заряд протона при этом уменьшается, становится
понятным причина рождения электромагнитного импульса. Она в стремительном
появлении отрицательного заряда в области повышения температуры.
Остывающий газовый шар представляет
собой ионизированный газ (плазму). Из-за дефицита электронов заряженные частицы
часами держатся в воздухе. Плазменное облако вытесняет из себя магнитное поле
Земли, рождая тем самым сильную магнитную бурю. Она будет продолжаться до тех
пор, пока большая часть плазмы не нейтрализуется свободными электронами
атмосферы.
Резкое появление отрицательного
заряда, а затем быстрое изменение его на такой же большой положительный ведёт к
перемагничиванию почв в районе взрыва и на трассе движения плазменного облака.
Выпадающие из него продукты деления радиоактивны. В них происходят цепочки
b-распадов. Этот процесс увеличивает в несколько
раз мутационный фон у растений.
*Принятые обозначения:
-\n-число в степени n,
-U235 – химический элемент с массовым числом.
Web-страница geostar26
