Как сделать атомную бомбу

Проблема применения накопленных знаний в целях разрушения встает перед человечеством каждый раз, когда оно овладевает какой-то новой энергией. Овладели огнем – придумали, как использовать его в военном деле. Изобрели порох, стали воевать с его помощью. Изобрели аэропланы – начали на них воевать. Ну и, разумеется, когда в начале XX века люди открыли феномен радиоактивности и поняли, что перед ними источник энергии необычайной силы, тут же встал вопрос: а как его применить для убийства других людей? Ведь энергия распада атомных ядер огромна, и Эйнштейн вовсе не зря сравнивал ее с овладением огнем. Только Эйнштейн мечтал об атомных электростанциях, а военные – об оружии.

«А нельзя ли сделать атомную бомбу на основе явления распада?» – задумался в свое время Гитлер. Точнее, не сам Гитлер, конечно, он-то в физике не разбирался и вообще имел довольно специфические представления о реальности. Задумались немецкие физики. Им было о чем подумать…

Мария и Пьер Кюри работали над проблемой распада вещества еще до Первой мировой войны, которая прокатилась по Европе тяжелым бульдозером. Германия ту войну проиграла. В результате в Германии пришел к власти фюрер, и через двадцать лет после Первой мировой началась Вторая мировая война. Но физики, принявшие у супругов Кюри эстафету исследований, не обращая внимания на политические бури и войны, увлеченно продолжали работу. И вот всего за год до начала Второй мировой войны физики обнаружили одно чертовски интересное явление.

Распад урана под воздействием случайного протона

Оказалось, что если в ядро изотопа урана-235 попадает случайный нейтрон, ядро может развалиться. Оно ведет себя как капля жидкости – в эту «жидкость» ударяет прилетевший нейтрон, от удара «капля» деформируется, из круглой становясь продолговатой, то есть ее края разъезжаются. И в этот миг расстояние между протонами на дальних краях начинает превышать радиус действия ядерных сил, то есть того самого сильного взаимодействия, которое и держит нуклоны в ядре. Оно ведь очень короткодействующее! И тогда силы электростатического отталкивания между дальними протонами расталкивают куски ядра с огромной скоростью. Ядро урана разваливается на две части – барий и криптон (найдите эти вещества в таблице Менделеева). При этом еще получается уйма энергии в виде гамма-излучения и парочка лишних свободных нейтронов.

Физики подсчитали, что из одного грамма урана-235 можно извлечь энергии столько же, сколько от сжигания 3 тонн каменного угля, если реакция распада будет идти не затухая. Но что должно инициировать дальнейшую реакцию? Да вот те самые два нейтрона, которые получились в ее результате! Мы начали с одного случайного нейтрона, в результате нейтронного удара по ядру получили осколки, кучу энергии и еще целых два нейтрона. Если теперь оба они попадут в соседние ядра и разрушат их, то у нас получится уже 4 свободных нейтрона! Если те попадут в соседние ядра, будет 8 нейтронов. Потом 16. И так далее. Пойдет цепная реакция распада с высвобождением все большей и большей энергии. Взрыв!

Атомный взрыв!

А если эта парочка нейтронов не попадет по соседним ядрам, а вылетит из куска урана и будет поглощена окружающей средой? Тогда цепная реакция не пойдет. И взрыва не будет.

Для взрыва нужно, чтобы первое делящееся ядро урана-235 довольно плотно окружали такие же ядра. Нейтронное излучение очень проникающее, нейтрон может пролететь в металле довольно долгий путь, не попасть при этом ни в одно ядро и вылететь из куска металла на волю. А попасть нейтрону в соседнее ядро не так-то и просто, потому что атом ведь практически пуст! Его маленькое ядро окружает довольно разреженная шуба электронных орбит. Это огромная планетная система! Вокруг ядра урана летает 92 электрона.

Попасть нейтроном в ядро все равно, что горошиной в горошину на расстоянии в сотни метров. Вероятность попадания ничтожна. Но ведь и атомов в веществе миллиарды, а значит, вероятность попадания вырастает в миллиарды раз! То есть ничтожно малую величину нам нужно умножить на огромную и посмотреть, что перевесит. Иными словами, возникает вопрос: сколько атомов урана-235 надо слепить в комок, чтобы получившиеся в результате первичной реакции нейтроны попали все-таки в ядра атомов прежде, чем вылетят из куска металла?

Ответ на этот вопрос есть: критическая масса урана-235 содержится в шарике диаметром всего в 18 сантиметров и массой в 52 кг. Небольшой мячик такой, но увесистый. В этом количестве металлического урана-235 содержится как раз такое число атомов, которое гарантированно обеспечит цепную реакцию – ядерный взрыв. То есть если сложить полмячика и полмячика вместе, они взорвутся.

Другое дело плутоний-239. Из него тоже можно делать шикарные атомные бомбы, причем критическая масса плутония составляет всего 11 кг при диаметре шарика в 9 см.

В общем, если слиток радиоактивного металла превышает критическую массу, он сам по себе взрывается. А если не превышает, ядра атомов в куске металла просто постепенно распадаются, металл греется, гамма-излучает, но не взрывается, поскольку не начинается цепная реакция – нейтроны не успевают попасть в соседнее ядро, как уже вылетают из слитка наружу.

Итак, в марте 1939 года, за несколько месяцев до Второй мировой войны, французские физики опубликовали статью о том, что из металлического урана можно добывать энергию для мирных целей, а также использовать его в военном деле для создания бомб чудовищной мощности. Эта статья не осталась незамеченной. И потому уже в апреле к военным властям Германии обратились немецкие физики с предложением создать урановую бомбу.

К 20 сентября идея дошла до Гитлера. Вторая мировая война шла к тому времени уже три недели, правда, тогда еще никто не знал, что началась именно мировая война – немецкие войска успешно давили последнее сопротивление поляков, а им на помощь за три дня до указанной даты пришли советские войска, напавшие на Польшу с другой стороны. Казалось, военный пожар уже практически угас: Польша, согласно договору о дружбе, заключенному между Германией и СССР, поделена между двумя друзьями и перестала существовать, а Гитлера тем не менее ставят в известность о том, что возможно создание чудо-оружия.

Гитлеру даже показали мультфильм, в котором самолет с крестами на крыльях сбрасывал над Англией какой-то металлический ящик, после чего разворачивался и улетал обратно. Когда самолет был уже достаточно далеко от места сброса, срабатывает взрыватель, который резко сближает две половинки критической массы металла, – и происходит ядерный взрыв. Вспышка – и Лондона нет. Миллионы людей гибнут в один момент.

Гитлер был в восторге от этого мультика! Он захлопал в ладоши и выделил ученым финансирование для создания столь чудесного приспособления.

Так началась работа по созданию урановой бомбы. Координировал всю работу Физический институт, который возглавлял великий немецкий физик Гейзенберг, именем которого назван так называемый принцип Гейзенберга, о котором мы еще поговорим. Гейзенберг был гений, он получил Нобелевскую премию в 32 года, а это о многом говорит.

Создание атомной бомбы – процесс непростой. Он находился на самом острие науки, человечество еще никогда ничего подобного не создавало, нужно было решить массу непростых чисто инженерных задач. Для этого у немцев было, казалось, все необходимое – талантливые физики, мощная научная школа, отличная передовая промышленность.

Однако для того, чтобы добывать уран, нужны еще две вещи – урановая руда и тяжелая вода. С рудой все понятно. Как железо добывается из железной руды, так и уран – из урановой. Но месторождений железной руды на земле много, потому что железо – очень распространенный химический элемент. А вот уран – элемент очень редкий, его месторождений на земле не так много. Правда, немцам повезло. Урановое месторождение было в Чехии, а Чехию немцы к тому времени уже захватили. Там добывали как раз ту самую руду – смоляную обманку, с которой экспериментировала Мария Кюри.

А вот зачем нужна тяжелая вода? И что это вообще такое?

Мы с вами уже знаем, что такое тяжелый и сверхтяжелый водород. Это дейтерий и тритий, то есть водород, у которого в ядре атома не одинокий протон, а протон с нейтроном (дейтерий) или даже с двумя нейтронами (тритий). Так вот, тяжелая вода – это вода, сделанная не из кислорода и водорода, как обычная вода, а из кислорода и тяжелого водорода. Если вода дейтериевая, она называется тяжелой, а если тритиевая – сверхтяжелой.

Молекулы тяжелой и сверхтяжелой воды всегда содержатся в очень небольшом количестве среди молекул обычной воды (на 7000 молекул обычной воды приходится одна тяжелая). Именно из обычной воды тяжелую воду и добывают путем обогащения – как из руды полезный материал. Правда, процесс этот долгий, нудный и весьма энергозатратный. Впервые небольшое количество тяжелой воды физиками было добыто в 1933 году – как раз в тот год, когда фашисты пришли к власти в Германии.

Любопытно, что свое название тяжелая вода вполне оправдывает, она действительно тяжелее обычной воды. А сверхтяжелая вода соответственно еще тяжелее. Сверхтяжелая вода замерзает при температуре +9°С. а кипит при температуре +104°С.

Ученые – существа любопытные. Им было интересно, как отнесутся к тяжелой воде живые существа. Выяснилось, что в небольших дозах – нормально. Человек может хлопнуть стакан-другой тяжелой воды, и ему ничего не будет. Другое дело, если все время поить животное только тяжелой водой.

Человек, как и прочие живые существа, примерно на 70 % состоит из воды. Все жизненные биохимические реакции в нашем теле идут в водном растворе. Когда мы пьем воду, она всасывается, проходит через все клеточки, принося туда вместе с собой питательные вещества в виде раствора. А затем выводит из клеточек продукты распада и отходы. Таким образом, человек – большой сложный фильтр, который все время промывается. И что же будет, если начать его или другое живое существо «промывать» тяжелой водой?

Над людьми такие эксперименты, конечно, не ставились, но вот опыты над животными показали, что постепенное упорное замещение в организме обычной воды на тяжелую даром не проходит. Когда четверть всей воды, из которой состоит организм, заменена тяжелой, животное теряет способность к размножению. А когда концентрация тяжелой воды достигает половины, животное погибает. И этот эффект достигается всего за неделю.

Почему такое происходит? Казалось бы, какая разница организму, какая в нем вода? А все дело именно в тяжести. Поскольку в ядре атома тяжелого водорода вдвое больше нуклонов, молекулы тяжелой воды больше весят и потому чуть хуже и медленнее участвуют в биохимических реакциях, сбивая тонкие настройки организма, который сначала компенсирует эти изменения, а потом просто перестает справляться.

Не менее интересен вопрос, а сколько видов тяжелой воды существует?

Мы знаем два вида – тяжелая (в которой вместо водорода дейтерий) и сверхтяжелая воды (в которой вместо водорода тритий). Но!

Но в молекуле воды два атома водорода! Смекаете?

А что, если не оба атома водорода, а только один будет заменен дейтерием? Возможно такое?

Конечно! Как правило, так и есть. Подобную воду – из водорода и дейтерия – называют полутяжелой. И вероятность такого варианта как раз намного больше, чем вероятность того, что два столь редких изотопа, как дейтерий, встретятся с одной молекулой кислорода, чтобы образовать молекулу тяжелой воды. В природе чаще встречается вода полутяжелая.

Ученые люди обычный водород обозначают латинской буквой Н (от латинского слова Hydrargyrum), тяжелый водород обозначают значком D (дейтерий), а сверхтяжелый – значком Т (тритий).

А теперь попробуем написать все возможные комбинации, которые могут изотопы водорода образовывать с кислородом (О):

Н-О-Н – обычная вода;

D-O-H – полутяжелая вода;

D-O-D – тяжелая вода;

Т-О-Т – сверхтяжелая вода;

T-O-H – не имеет специального названия, давайте назовем ее «сверхполулегкая» вода;

D-O-T – не имеет специального названия, предлагаю назвать ее «сверхполутяжелая» вода.

Но и это еще не все! Ведь изотопы имеются не только у водорода, но и у кислорода! Помимо обычного кислорода-16 существуют еще стабильные изотопы О¹⁷ и О¹⁸. Вода с такими тяжелыми изотопами кислорода называется тяжелокислородной.

И если теперь записать все возможное количество комбинаций, которые могут составить между собой изотопы кислорода и водорода, получится 18 видов различных «вод». Причем 9 из них стабильные, а 9 других слаборадиоактивные.

Так вот, тяжелая вода была нужна Гитлеру, точнее, его физикам, как элемент технологического процесса при обогащении радиоактивного металла – в качестве замедлителя цепной реакции.

Правда, изготовить ядерную бомбу до конца войны нацисты так и не успели. Первыми атомную бомбу сделали американцы и даже успели ее применить в войне с Японией. Урановую бомбу они сбросили на японский город Хиросиму, а плутониевую – на город Нагасаки.

Хиросима была уничтожена практически полностью, там одномоментно погибло 80 тысяч мирных жителей, причем среди них были и американские военнопленные. В Нагасаки погибло 75 тысяч мирных жителей. И впоследствии еще десятки тысяч в обоих городах умерли от лучевой болезни.

Это было первое и последнее военное применение ядерного оружия в истории земной цивилизации.

Через какое-то время после того, как физики открыли три вида ионизирующего излучения (альфа, бета, гамма), они обнаружили еще один вид – нейтронное излучение. Из названия понятно, что нейтронное излучение – это просто поток энергичных нейтронов, летящих с большой скоростью. Они очень опасны при проникновении в тело. Поэтому была даже придумана нейтронная бомба (разновидность атомной бомбы), которая при взрыве давала сравнительно небольшие разрушения зданий и сооружений, но убивала все живое мощным нейтронным излучением. Нейтронное оружие никогда не применялось, но идея была именно такой – выкосить излучением живую силу противника.

Нейтронное излучение легко прошивает даже танковую броню толщиной в 15–20 сантиметров. На это и был расчет у изобретателей. Никто не укроется!.. Однако вскоре выяснилось, что нейтроны легко задерживаются материалами, содержащими водород, – водой, полиэтиленом, парафином, из которого свечи делают. Недорогие добавки к броне надежно защищали экипаж, а простая полуметровая насыпь из влажного грунта, за которой могли спрятаться пехотинцы, ослабляла нейтронное излучение в сто раз.

Правда, у нейтронного излучения есть еще вторичный фактор поражения – взаимодействуя с различными веществами, нейтроны могут создавать радиоактивные изотопы в этом веществе. Мы помним, что изотоп – это атом, в ядре которого есть лишние нейтроны. Так вот, если вещество наберется этих шальных нейтронов, в изобилии летящих от бомбы, оно потом начинает само излучать.

Поэтому нейтронную бомбу еще называют грязной бомбой.