Физические основы ядерного оружия
Для более ясного представления о свойствах атомного оружия необходимо вкратце ознакомиться с его физическими основами.
Как уже было сказано, свойства атомного оружия обусловливаются внутриядерными процессами, сопровождающимися выделением ядерной энергии, поэтому необходимо хотя бы в общих чертах иметь представление об этих процессах, строении атома и его свойствах.
Еще в V веке до нашей эры греческие философы Левкипп и Демокрит считали, что любое вещество состоит из атомов и межатомного пространства, при этом форма и величина атомов бесконечно разнообразна.
Впоследствии это предположение было подтверждено экспериментально. Все химические вещества как природные, так и полученные искусственным путем состоят из молекул, являющихся наименьшими частицами, которые обладают свойством этих веществ.
В свою очередь, молекулы состоят из более мелких частиц материи — атомов, которые также имеют сложное строение. В состав атомов входят частицы материи — электроны, протоны, нейтроны, позитроны, фотоны и т. д., которые имеют общее название — элементарных частиц. В настоящее время элементарных частиц насчитывается более двадцати, и, очевидно, сложность атома этим не исчерпывается.
Схематически строение атома можно представить в следующем виде. Основной массой атома является ядро, вокруг которого вращается с огромной скоростью (десятки тысяч километров в секунду) по определенным орбитам, послойно определенное число частиц, несущих отрицательный электрический заряд и названных электронами. Вращающиеся с большой скоростью электроны образуют как бы оболочку вокруг ядра. Заряд электрона является наименьшим в природе, поэтому в атомной физике он стал единицей измерения электричества. Любое другое количество электричества можег быть только кратным заряду электрона.
Если выразить заряд электрона в кулонах, то он будет равен 1∙6∙10-19 кулона К Масса (покоя) электрона равна приблизительно 9∙1∙10-28 г.
Кулон есть количество электричества, переносимое за одну секунду током в один ампер.
Число электронов в электрически нейтральном атоме равно числу положительных зарядов ядра.
В настоящее время известно 102 химических элемента. Атомы каждого из этих элементов по своему строению и свойствам отличаются один от другого. Так, например, ядро атома водорода, наиболее простого по строению, имеет один положительный заряд, следовательно, и один электрон; ядро атома гелия имеет два заряда, лития — три, берилия — четыре, бора — пять положительных зарядов и т. д. Соответственно и количество электронов в атоме гелия два, лития — три, берилия — четыре, бора — пять. Вокруг ядра атома урана, имеющего 92 положительных заряда, вращаются 92 электрона.
Изучая свойства химических элементов, великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев открыл один из важнейших законов природы — периодический закон химических элементов и на основе этого закона создал свою классификацию — периодическую систему элементов, представив ее в виде таблицы (см. табл. Менделеева).
В этой таблице все известные в то время (1869 г.) химические элементы Д. И. Менделеев расположил так, что каждый элемент оказался на том месте, которое соответствует строению его атомов.
На основе своего периодического закона Менделеев предсказал существование не открытых еще в то время элементов, оставив для них места в таблице, и описал их свойства. Все указанные элементы впоследствии были открыты.
В периодической таблице элементов системы Менделеева элементы расположены десятью рядами так, что по вертикали образовалось девять колонок (групп). Кроме этого, в рядах выделены периоды, которых получилось 7.
При рассмотрении данных о строении атомов нетрудно заметить, что порядковый номер таблицы элементов соответствует числу зарядов ядра, следовательно, числу электронов, а период — числу орбит, по которым вращаются электроны. На основании таблицы мы можем сказать, что атом кислорода, например, имеет 8 электронов, вращающихся в два слоя (по двум орбитам), и ядро соответственно имеет 8 зарядов.
В таблице указан также вес атома каждого элемента, выраженный не в граммах, а в атомных единицах. Этой единицей является 1/16 часть веса атома кислорода.
В ядре сконцентрирована основная масса атома. На долю электрона приходится очень малая часть массы. Масса электрона меньше массы даже самого легкого ядра атома водорода в 1800 раз.
Основными элементами ядра являются протоны, несущие положительный заряд электричества, и нейтроны, не имеющие заряда. Число протонов и число нейтронов в атомах разных элементов разное. Даже атомы одного и того же элемента по составу ядра могут быть разными.
Так, например, ядро атома обычного легкого водорода состоит из одного протона, а ядро атома тяжелого водорода, так называемого дейтерия, — из одного протона и одного нейтрона. Существуют атомы и сверхтяжелого водорода, в состав ядра которого входят один протон и два нейтрона. Однако во всех случаях атомы водорода имеют один заряд, следовательно, и один электрон, который определяет химические свойства элемента. Таким образом, химические свойства всех атомов водорода одинаковы, а атомный вес их может быть разным и отличаться на какое-то целое число единиц, равное количеству нейтронов. Атомы одного и того же элемента, но имеющие разное число ядерных частиц — нейтронов, следовательно, и разный атомный вес, называются изотопами (что значит — занимающие одно и то же место в таблице).
Таким образом, водород имеет 3 изотопа: протий, дейтерий и тритий.
Сумма чисел протонов и нейтронов определяет вес ядра и называется массовым числом. Число протонов и нейтронов в ядре атома можно определить, зная массовое число и порядковый номер элемента. Если, например, известно, что порядковый номер гелия равен 2, а его массовое число — 4, то в его ядре содержится 4—2 = 2 нейтрона. Порядковый номер урана 92, а массовое число 238.
Следовательно, в ядре урана содержится 92 протона и 146 нейтронов (238—92 = 146).
Многие элементы являются смесью изотопов. Известны также элементы, которые имеют только один природный изотоп. В лабораториях ученых физиков получено искусственных изотопов уже более 800, тогда как естественных известно около 200.
Для обозначения изотопа наряду с названием элемента или его химическим символом указывается также его массовое число. Например, Н2 означает изотоп элемента водорода с массовым числом 2; уран-235 — изотоп элемента урана с массовым числом 235 и т. д.
Ядра атомов большинства элементов очень устойчивы и могут оставаться неизмененными даже при температуре порядка десятков миллионов градусов и при давлении в несколько миллиардов атмосфер. Такая устойчивость ядра объясняется наличием сил притяжения, действующих между входящими в его состав элементарными частицами (нуклонами) — протонами и нейтронами. Силы эти получили название ядерных. Наряду с этими силами между протонами, имеющими одноименный заряд, действуют силы отталкивания (кулоновские силы).
Однако ядерные силы отличаются от кулоновских сил огромной величиной, и действие их проявляется только на очень близких расстояниях, когда частицы приходят почти в непосредственное соприкосновение с ядром. Этим только и можно объяснить устойчивость ядра, несмотря на наличие кулоновских сил отталкивания, в результате которых протоны должны были бы разлетаться во все стороны. Изучение физиками состава и свойств ядра показало, что внутриядерные силы могут быть использованы подобно тому, как используется энергия, выделяемая при химических реакциях; началом этого явилось открытие радиоактивности.
