Ядерные реакции в отличие от реакций химических всегда сопровождаются изменениями в ядрах атомов, влекущими за собой увеличение или уменьшение числа ядерных частиц — протонов или нейтронов.
Как известно, при химических реакциях изменения претерпевают только электронные оболочки атомов. При этом происходит увеличение или уменьшение электронов, а ядро остается неизменным.
Как было сказано выше, естественная радиоактивность является следствием процессов изменения состава ядра, при которых выделяется внутриядерная энергия. Скорость естественного радиоактивного распада является постоянной.
Ядерные превращения можно осуществить и искусственным путем, притом с регулируемой скоростью. Для этого необходимо изменить каким-либо путем состав ядра, ввести, например, дополнительно протон или нейтрон. Этого можно достичь воздействием на ядро атома альфа-частицами или нейтронами. Количество энергии, выделяемой при этой реакции, практического значения не могло иметь, так как на ускорение альфа-частиц затрачивалось во много раз больше энергии, чем ее выделялось.
В дальнейшем было открыто, что нейтрон значительно легче проникает в ядро, так как в отличие от альфа-частиц заряда не имеет, поэтому силы отталкивания положительного заряда ядра на электрон не действуют. При использовании нейтрона в качестве снаряда при бомбардировке ядер удалось осуществить ядерные реакции со многими химическими элементами. Так, например, с помощью нейтронов можно из ртути получить золото, из атома обычного водорода можно получить атом его стабильного изотопа — дейтерий и т. д.
Подобные ядерные реакции широко используются в настоящее время для получения различных изотопов, применяемых во многих отраслях науки и техники, а также в медицине, сельском хозяйстве при исследовании различных процессов, происходящих в живых организмах и растениях.
Поскольку расход энергии для осуществления подобных реакций часто превышает выход ядерной энергии, этот путь получения энергии практического значения не имеет.
Опыты расщепления урана, произведенные еще в 1934 году, показали, что пути практического использования ядерной энергии могут быть найдены. Впоследствии было установлено, что ядро урана-235 при воздействии на него нейтроном захватывает последний и распадается на два новых ядра, называемых «осколками».
Эти «осколки» являются ядрами других атомов, например атомов ксенона-139 и стронция-95 или теллура-137 и циркония-97 и т. д. Образовавшиеся при этом атомы с огромными скоростями разлетаются в стороны. Помимо образования новых радиоактивных атомов, при делении ядра урана происходит испускание нейтронов и гамма-квантов.
Согласно этой реакции разница в массах исходных и конечных продуктов деления составит 0,23 атомных единицы массы. Это количество массы эквивалентно приблизительно 200 Мэв (мегаэлектроно-вольт). Если перевести количество выделяемой энергии на 1 кг урана, то получим цифру 5,12∙1026 Мэв. Такое количество энергии может выделиться при сгорании 300 т каменного угля или при взрыве 20 000 т тротила.
Энергия, освобождаемая при делении ядер урана-235, представляет собой сумму кинетической энергии «осколков» и нейтронов (около 83%) и энергии радиоактивного излучения (17%).
При определенных условиях реакция деления урана становится цепной, т. е. развивается с нарастающей силой, подобно горной лавине, вызванной падением одного камня.
В основе цепной реакции лежит нарастание количества нейтронов, которое выделяется при делении ядер. Это нарастание схематически можно представить следующим образом. При ударе нейтрона в ядре выделяются два новых нейтрона, каждый из которых может вызвать выделение следующих двух и т. д. Процесс деления протекает почти мгновенно. Теоретически достаточно одного нейтрона для того, чтобы взорвать любое количество ядерного горючего, в данном случае урана-235.
Однако практически цепная реакция может осуществиться лишь при наличии определенного количества урана. Объясняется это тем, что при небольшом его количестве часть образующихся нейтронов не попадет в ядро, а разлетится в стороны и не вызовет последующего выделения нейтронов, следовательно, цепная реакция не получит дальнейшего развития. Поэтому требуется определенное количество урана, обеспечивающее протекание цепной реакции. Наименьшее количество вещества, в котором начатая реакция в дальнейшем нарастает, называется критическим. Критическая масса урана немного более 30 кг, следовательно, любое другое количество урана менее 30 кг, взятое в отдельности, является безопасным: взрыва не происходит, несмотря на выделение нейтронов при естественном радиоактивном распаде ядер урана. Стоит только соединить куски урана, в сумме имеющие вес более 30 кг, моментально, в тысячные доли секунды, произойдет реакция со взрывом.
Приведенные выше свойства урана или плутония использованы для создания ядерного оружия — атомных бомб.
С тех пор, как была создана первая атомная бомба, прошло немного времени, однако современные образцы ядерного оружия в своем совершенстве превзошли самые смелые в этом отношении ожидания, В настоящее время найдены пути создания ядерного оружия, превосходящего по своей мощности первые образцы атомных бомб в десятки тысяч раз.
Ядерное оружие можно разделить на два типа: атомное оружие, основой которого является цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, и термоядерное (водородное), созданное на принципе использования ядерной реакции синтеза легких элементов.
В свою очередь атомное оружие подразделяют на два вида: атомное оружие взрывного действия и боевые радиоактивные вещества.
Термоядерное оружие известно только взрывного действия.
Прежде чем рассматривать последние образцы ядерного оружия, необходимо познакомиться с наиболее известными первыми образцами атомных бомб, испытанных в прошлую мировую войну, так как основные их свойства аналогичны. Кроме того, атомные бомбы, сброшенные на японские города Хиросиму и Нагасаки, используются часто в качестве эталона для сравнения атомных и термоядерных взрывов различной мощности. В литературе эти бомбы часто называют номинальными.
Атомное оружие взрывного действия предназначено для разрушения городов, промышленных районов, различных объектов, сооружений, уничтожения коммуникаций и поражения людей. Боевые радиоактивные вещества служат для заражения местности и воздуха с целью поражения людей или животных.
