Взрыв и взрывчатые вещества - [34]

Возьмем каплю нитроглицерина и будем ее держать при умеренно повышенной температуре, например при 100°. Нитроглицерин постепенно разложится, и взрыва не произойдет. Если же мы будем нагревать при той же температуре сто граммов нитроглицерина, то опыт закончится разрушительным взрывом. Объясняется это тем, что при медленном разложении нитроглицерина выделяется тепло, но, когда нитроглицерина взято мало, это тепло через поверхность капли успевает отводиться наружу; разогрева взрывчатого вещества почти не происходит.

Если же нитроглицерина взять больше, например, в тысячу раз, то и тепла будет выделяться в тысячу раз больше. Поверхность же нитроглицерина, через которую тепло отводится наружу, будет только в сто раз больше. Поэтому тепло не будет успевать уходить, температура нитроглицерина станет расти, скорость распада от этого тоже будет расти, что и приведет к взрыву.

Те, кто знакомы с сельским хозяйством, знают, что если недосушенное сено сложить в стог, то оно начинает нагреваться и этот разогрев может привести к загоранию. Если такое же сено лежит в небольших копнах, то разогрева не наблюдается, так как путь теплу из середины копны до ее поверхности гораздо короче и сама поверхность всех копен больше, чем в большом стогу. Объясняется это совершенно так же, как и в примере с нитроглицерином.

Оказалось, что путем увеличения количества вещества можно ускорить и некоторые ядерные реакции.

Известны некоторые элементы, ядра атомов которых претерпевают самопроизвольный распад. Это уран, торий, радий и некоторые другие радиоактивные элементы. Распад перечисленных радиоактивных элементов протекает очень медленно: радий распадается наполовину за 1600 лет, уран еще медленнее — за четыре с половиной миллиарда лет.

До недавнего времени не было известно никаких путей, чтобы ускорить радиоактивный распад; ни нагрев в доступных пределах, ни повышение давления не изменяют ею скорости. Однако такие пути были найдены. Дело в том, что при некоторых формах самопроизвольного распада тяжелых ядер, ведущих к образованию ядер более легких элементов, выделяются нейтроны. При поглощении такого нейтрона тяжелым ядром оно распадается, причем вновь образуются нейтроны. При этом при распаде каждого ядра выделяется не один, а два — три нейтрона. Поэтому, если все выделяющиеся нейтроны попадают в ядра и вызывают их распад, то число распадающихся ядер непрерывно и очень быстро растет, ядерная реакция самоускоряется и принимает характер взрыва.

Однако это происходит лишь в том случае, если количество взятого вещества превосходит некоторую критическую величину. Для урана 235,^[8] например, это критическое количество, если заряд имеет форму шара, равно приблизительно одному килограмму; такой шар по размерам соответствует небольшому яблоку.

Если количество вещества взять меньше, то не все образующиеся нейтроны будут поглощаться ядрами; часть из них пролетит через вещество в окружающую среду, не успев попасть в ядро, размеры которого очень малы по сравнению с размерами атома. Таким образом, при малом количестве радиоактивного вещества взрыва не произойдет так же, как это было при разогреве малого количества нитроглицерина.

Это свойство ядерных реакций и используется для получения атомного взрыва. Атомный заряд состоит из двух или более частей, каждая из которых меньше критической, но сумма их превышает критическую массу. Части атомного заряда удалены на такое расстояние друг от друга, чтобы нейтроны каждой из них не могли заметно ускорять распад других. Когда нужно вызвать взрыв, части заряда чрезвычайно быстро сближают; при этом общая масса становится больше критической и это практически мгновенно приводит к взрыву.

Не все радиоактивные вещества способны давать взрыв при описанных условиях. Известны три таких вещества: уран с атомным весом 235, уран с атомным весом 233 и плутоний. Уран 235 и уран 233 являются изотопами элемента урана. Атомы урана, как и многих других элементов, существуют в виде нескольких разновидностей, которые называются изотопами. Изотопы одного элемента отличаются числом нейтронов, входящих в состав ядра; различны поэтому и атомные веса; число же протонов, а следовательно, и заряд ядра у них одинаковы. Так как число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно заряду ядра, то число и расположение электронов в изотопах одинаковы, поэтому одинаковы и их химические свойства.

Природный уран состоит главным образом из изотопа с массой 238. Урана 235 в нем содержится только 0,7 проц. После разделения изотопов, что представляет собой трудную, но осуществимую задачу, уран 235 можно применять в атомной бомбе. Первая бомба, сброшенная американцами над Хиросимой, имела заряд из урана 235.

Плутоний получается из естественного урана в специальных аппаратах (так называемых атомных котлах); в этих аппаратах создаются условия для того, чтобы распад урана 235 шел достаточно быстро и чтобы нейтроны, образующиеся при этом распаде, захватывались частично ядрами урана 238. В результате этого уран 238 превращается в новый элемент — плутоний, который отличается по своим химическим свойствам от урана и поэтому легче может быть отделен от урана 238, чем уран 235. Плутоний был применен во второй атомной бомбе, сброшенной американцами над Нагасаки.