Pouco mais de dois meses se passaram desde o fim da pior guerra da história da humanidade. E assim, em 16 de julho de 1945, a primeira bomba nuclear foi testada pelos militares dos EUA e, um mês depois, milhares de moradores de cidades japonesas morreram no inferno atômico. Desde então, as armas nucleares, bem como os meios de entregá-las aos alvos, foram continuamente aprimorados por mais de meio século.
Os militares queriam ter à sua disposição tanto munições superpoderosas, varrendo cidades e países inteiros do mapa com um só golpe, e ultrapequenas que cabem em uma maleta. Tal dispositivo levaria a guerra de sabotagem a um nível sem precedentes. Tanto com o primeiro como com o segundo houve dificuldades intransponíveis. A razão para isso é a chamada massa crítica. No entanto, as primeiras coisas primeiro.
Um núcleo explosivo
Para entender como os dispositivos nucleares funcionam e entender o que é chamado de massa crítica, vamos voltar para a mesa por um tempo. Do curso de física da escola, lembramos de uma regra simples: cargas com o mesmo nome se repelem. No mesmo local, no ensino médio, os alunos são informados sobre a estrutura do núcleo atômico, composto por nêutrons, partículas neutras eprótons carregados positivamente. Mas como isso é possível? Partículas carregadas positivamente estão tão próximas umas das outras que as forças repulsivas devem ser colossais.
A ciência não está totalmente ciente da natureza das forças intranucleares que mantêm os prótons juntos, embora as propriedades dessas forças tenham sido muito bem estudadas. As forças agem apenas a uma distância muito próxima. Mas vale pelo menos um pouco separar os prótons no espaço, pois as forças repulsivas começam a prevalecer e o núcleo se despedaça. E o poder de tal expansão é verdadeiramente colossal. Sabe-se que a força de um macho adulto não seria suficiente para conter os prótons de apenas um único núcleo do átomo de chumbo.
Do que Rutherford tinha medo
Os núcleos da maioria dos elementos da tabela periódica são estáveis. No entanto, à medida que o número atômico aumenta, essa estabilidade diminui. É sobre o tamanho dos núcleos. Imagine o núcleo de um átomo de urânio, composto por 238 nuclídeos, dos quais 92 são prótons. Sim, os prótons estão em contato próximo uns com os outros e as forças intranucleares cimentam com segurança toda a estrutura. Mas a força repulsiva dos prótons localizados nas extremidades opostas do núcleo torna-se perceptível.
O que Rutherford estava fazendo? Ele bombardeou átomos com nêutrons (um elétron não passará pela camada eletrônica de um átomo e um próton carregado positivamente não será capaz de se aproximar do núcleo devido a forças repulsivas). Um nêutron entrando no núcleo de um átomo causa sua fissão. Duas metades separadas e dois ou três nêutrons livres se separaram.
Esse decaimento, devido à enorme velocidade das partículas voadoras, foi acompanhado pela liberação de uma enorme energia. Houve um boato de que Rutherford até queria esconder sua descoberta, com medo de suas possíveis consequências para a humanidade, mas isso provavelmente não passa de um conto de fadas.
Então o que a massa tem a ver com isso e por que ela é crítica
E daí? Como se pode irradiar metal radioativo suficiente com um fluxo de prótons para produzir uma explosão poderosa? E o que é massa crítica? É tudo sobre aqueles poucos elétrons livres que saem do núcleo atômico "bombardeado", eles, por sua vez, colidindo com outros núcleos, causarão sua fissão. A chamada reação em cadeia nuclear começará. No entanto, lançá-lo será extremamente difícil.
Verifique a escala. Se pegarmos uma maçã em nossa mesa como o núcleo de um átomo, então, para imaginar o núcleo de um átomo vizinho, a mesma maçã terá que ser carregada e colocada na mesa nem mesmo na sala ao lado, mas…na próxima casa. O nêutron será do tamanho de uma semente de cereja.
Para que os nêutrons emitidos não voem em vão para fora do lingote de urânio, e mais de 50% deles encontrem um alvo na forma de núcleos atômicos, esse lingote deve ter o tamanho adequado. Isso é o que é chamado de massa crítica do urânio - a massa na qual mais da metade dos nêutrons emitidos colidem com outros núcleos.
Na verdade, acontece em um instante. O número de núcleos divididos cresce como uma avalanche, seus fragmentos correm em todas as direções com velocidades comparáveis aa velocidade da luz, rasgando ar aberto, água, qualquer outro meio. A partir de suas colisões com moléculas ambientais, a área da explosão aquece instantaneamente até milhões de graus, irradiando calor que incinera tudo em uma área de vários quilômetros.
De repente, o ar aquecido se expande instantaneamente, criando uma poderosa onda de choque que derruba edifícios das fundações, derruba e destrói tudo em seu caminho … esta é a imagem de uma explosão atômica.
Como fica na prática
O dispositivo da bomba atômica é surpreendentemente simples. Existem dois lingotes de urânio (ou outro metal radioativo), cada um dos quais é ligeiramente menor que a massa crítica. Um dos lingotes é feito em forma de cone, o outro é uma bola com um orifício em forma de cone. Como você pode imaginar, quando as duas metades são combinadas, uma bola é obtida, na qual a massa crítica é atingida. Esta é uma bomba nuclear simples padrão. As duas metades são conectadas usando a carga usual de TNT (o cone é atirado na bola).
Mas não pense que alguém pode montar tal dispositivo "no joelho". O truque é que o urânio, para que uma bomba exploda, deve ser muito puro, a presença de impurezas é praticamente zero.
Por que não existe bomba atômica do tamanho de um maço de cigarros
Todos pelo mesmo motivo. A massa crítica do isótopo mais comum de urânio 235 é de cerca de 45 kg. Uma explosão dessa quantidade de combustível nuclear já é um desastre. E para fazer um artefato explosivo com menosquantidade de substância é impossível - simplesmente não vai funcionar.
Pela mesma razão, não foi possível criar cargas atômicas superpoderosas a partir de urânio ou outros metais radioativos. Para que a bomba fosse muito poderosa, ela era feita de uma dúzia de lingotes, que, quando as cargas detonantes eram detonadas, corriam para o centro, conectando-se como fatias de laranja.
Mas o que realmente aconteceu? Se, por algum motivo, dois elementos se encontrassem um milésimo de segundo mais cedo do que os outros, a massa crítica fosse atingida mais rapidamente do que o restante “chegaria a tempo”, a explosão não ocorreu na potência que os projetistas esperavam. O problema das armas nucleares superpoderosas foi resolvido apenas com o advento das armas termonucleares. Mas essa é uma história um pouco diferente.
Como funciona um átomo pacífico
Uma usina nuclear é essencialmente a mesma bomba nuclear. Somente esta "bomba" possui elementos combustíveis (elementos combustíveis) feitos de urânio localizados a alguma distância um do outro, o que não impede que eles troquem "ataque" de nêutrons.
Os elementos combustíveis são feitos na forma de hastes, entre as quais existem hastes de controle feitas de um material que absorve bem os nêutrons. O princípio de operação é simples:
- barras reguladoras (absorventes) são inseridas no espaço entre as barras de urânio - a reação diminui ou para completamente;
- barras de controle são removidas da zona - elementos radioativos trocam ativamente nêutrons, a reação nuclear prossegue mais intensamente.
De fato, é a mesma bomba atômica,em que a massa crítica é atingida tão suavemente e é regulada com tanta clareza que não leva a uma explosão, mas apenas ao aquecimento do refrigerante.
Embora, infelizmente, como mostra a prática, nem sempre o gênio humano seja capaz de frear essa enorme e destrutiva energia - a energia do decaimento do núcleo atômico.
