GENEZA POWSTANIA BOMBY ATOMOWEJ.
Jeszcze w 1939 r. Albert Einstein i inni wybitni uczeni wystosowali do prezydenta Roosvelta list zawierający propozycję wdrożenia przez Stany Zjednoczone specjalnego programu badawczego w celu opracowania bomby atomowej. Od japońskiego ataku na Pearl Harbor w 1941 r. rząd amerykański nie widział potrzeby opracowania takiej broni. Jednak 1942 r. rząd amerykański poprzez, coraz większa przewagę wojsk japońskich na Pacyfiku oraz niemieckich w Europie postanowił, aby powstał supertajny program opracowania bomby atomowej pod kryptonimem Manhattan Project. W wielu miejscach Stanów Zjednoczonych zjechało się tysiące inżynierów, którzy zajęli się pracami badawczymi nad jedynym celem: zaprojektowanie praktycznej bomby. W specjalnie w tym celu zbudowanym ośrodku w Los Alamos w stanie Nowy Meksyk dr Jacob Robert Oppenheimer, dyrektor naukowy programu, nadzorował projektowanie bomby, która miała kryptonom „bestia”.
Trzy lata póĽniej, 16 lipca 1945 r. o 5.30 rano, bomba została sprawdzona na pustyni w stanie Nowy Meksyk. Zadziałała bezbłędnie. Niebo nad pustynią rozświetliła ogromna kula ognia, a grzyb po wybuchu wzniósł się na wysokość 12 200 metrów.
NA CZYM POLEGAŁY BADANIA.
Badania rozpoczęto w małym laboratorium na Chicagowskim Uniwersytecie, gdzie przeprowadzono pierwsze, niewielkie, kontrolowane rozszczepianie atomów, które przeprowadził Enrico Fermi (stworzył pierwszy reaktor atomowy CP-1). Próby wypadły bardzo pomyślnie, wobec czego pracujący nad „Projektem Manhattan” naukowcy rozpoczęli poszukiwania odpowiedniego paliwa dla bomby atomowej. Ciekawostką jest to, iż badania te początkowo przeprowadzane były (Oak Ride w stanie Tennessee) w małym baraku, drewnianej szopie przy plaży. Następnie wybudowano potężne fabryki, a zamieszkujące te tereny rodziny (ok. 1000) „przeprowadzono” na bezpieczne tereny. Kolejnym punktem poszukiwań była zmiana paliwa z U-239 na U-235 (uran). PóĽniej w Waszyngtonie, badania wykazały iż nowo odkryty pierwiastek- pluton także może ulegać rozszczepieniom w dość łatwy i zarazem dający wiele energii sposób. Uranu użyto w bombie „Little Boy” (mały chłopiec), a plutonu w bombie „Fatman” (gruby człowiek). Kolejne testy miały wykazać, które paliwo będzie miało większą
siłę rażenia.
JAK DZIAŁA BOMBA ATOMOWA.
Atomy, z których zbudowana jest wszelka materia, składają się ze znajdującego się w środku, naładowanego dodatnio jądra otoczonego ujemnie naładowanymi elektronami, które krążą wokół jądra jak planety wokół Słońca. Jądro utrzymywane jest w całości przez wielkie siły wiążące, które trudno jest w całości pokonać. Jednak urodzony w Nowej Zelandii, pracujący na Uniwersytecie w Manchesterze fizyk Ernest Rutherford wykazał w 1919 r., że jądro atomu można rozbić przez bombardowanie go silnie naładowanymi cząsteczkami. Ponieważ rozbicie sił wiążących jądro wymagało wielkiej energii, uczony wyraził wątpliwość, czy przemiana ta stanie się kiedykolwiek Ľródłem energii. Rutherford doszedł do tego wniosku nie znając uranu, który zawiera największe naturalnie występujące atomy. Podobne do kropli deszczu, która powiększa swoje rozmiary tak, że dzieli się na dwie krople, jądro atomu uranu znajduje się na granicy niestabilności. Do podziału potrzebuje jedynie niewielkiej siły zderzenia z neutronem, tworząc w tej reakcji z jednego ciężkiego pierwiastka dwa lżejsze. Odkrycie to okazało się rewolucyjnym, gdyż w procesie podziału uran uwalniał dwa neutrony, co wystarczało do rozszczepienia dwóch następnych jąder tak w nieskończoność. Ten proces nosi miano reakcji łańcuchowej. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów i kwantów gamma oraz wydzielenie znacznej ilości energii (defekt masy). Powstałe w wyniku rozszczepienia jądra atomowego fragmenty mają nadmiar neutronów, które emitowane są z tych jąder po rozszczepieniu (część jako neutrony opóĽnione). Rozkłady mas powstających w rozszczepieniu fragmentów mają charakterystyczny kształt z dwoma maksimami odpowiadającymi w przybliżeniu liczbom masowym A ≈ 100 i 140.Kwanty gamma to wysokoenergetyczny foton pochodzący z przemian zachodzących w jądrze atomowym lub z reakcji z udziałem cząstek elementarnych, w ogólności (przy nieznanym w szczegółach mechanizmie pochodzenia, np. w promieniowaniu kosmicznym) każdy foton o długości fali mniejszej niż 1 angstrem (fale elektromagnetyczne). Natomiast defekt masy Defekt masy, różnica pomiędzy masą Z protonów i N neutronów a masą danego jądra atomowego o liczbie masowej A=N+Z a brakująca masa odpowiada energii wiązania uwalnianej w trakcie łączenia się nukleonów w jądro.
Jednak, aby powstała reakcja łańcuchowa potrzeba jest odpowiednia ilość materiału, który ulegnie reakcji. Ta ilość materiału nazywana jest masą krytyczną, czyli najmniejszą ilością materiału rozszczepialnego, dla której zachodzi spontaniczna reakcja łańcuchowa. Masa krytyczna nie jest pojęciem ścisłym, zależy od formy geometrycznej bryły materiału, czystości oraz innych czynników.
Niezwykłą zależność wybuchu bomby atomowej określił Albert Einstein i nazwał to teorią względności:
E=mc2
gdzie:
E – energia
m– masa
c– prędkość światła.
W dzisiejszych czasach bomba atomowa składa się z
• Wysokościomierz
W zwykłym wysokościomierzu lotniczym stosuje się aneroid barometryczny, który mierzy zmiany od wysokości ciśnienia. Jednakże wpływ pogody na ciśnienie zwiększa błąd odczytu wysokości. Do wyznaczania poziomu zerowego bomby wygodniejszy w użyciu jest wysokościomierz radarowy lub radiowy.
• Detonator ciśnieniowy
Detonator czuły na ciśnienie powietrza może być mechanizmem bardzo skomplikowanym, ale do celów praktycznych stosuję się najczęściej prostszy rodzaj. Gdy ciśnienie powietrza osiągnie wymagany poziom, zainicjuje wybuch.
• Głowica detonacyjna
Głowica detonacyjna (lub głowice), umieszczona w konwencjonalnym materiale wybuchowym jest podobna do zwyczajnej spłonki. Służy po prostu jako katalizator głównego wybuchu. Bardzo ważna jest kalibracja tego urządzenia. Za mała głowica detonacyjna może stać się przyczyną kolosalnego niewypału, Głowica detonacyjna otrzyma impuls elektryczny z detonatora ciśnieniowego lub z wysokościomierza radarowego, zależnie od użytego typu.
• Konwencjonalne ładunki wybuchowe
Ładunek ten jest potrzebny do wstrzelenia (i zespolenia) wewnątrz obudowy bomby mniejszej części uranu z częścią większą. Do tego celu najlepiej nadaje się plastyczny materiał wybuchowy, można, bowiem go dowolnie kształtować, zależnie od potrzeby do bomby uranowej lub plutonowej.
• Reflektor neutronów
Reflektor neutronów składa się z czystego U-238. Jest nie tylko nierozszczepialny, ale ma właściwość zawracania neutronów z powrotem. Wykonany z U-238 reflektor neutronów służy do dwóch celów. W bombie uranowej służy on jako dodatkowe zabezpieczenie przed powstaniem masy nadkrytycznej z dwóch oddzielnych części U-235. W bombie plutonowej reflektor zmniejsza straty neutronów w segmentach plutonu przez zawracanie ich w stronę centralnej części urządzenia.
• Uran i pluton
Wydzielenie U-235 jest bardzo trudne. Z każdych 25.000 ton wydobytej rudy uzyskuje się tylko 50 ton metalicznego uranu, z czego 99,3 % stanowi U-238, nie nadający się do eksplozji jądrowych. Co gorsza, do separacji tych dwóch izotopów nie nadaje się żadna chemiczna metoda ekstrakcji, ich właściwości chemiczne są bowiem identyczne. W praktyce do rozdzielenia ich nadają się jedynie metody mechaniczne. U-235 jest odrobinę lżejszy od U-238. Do ich wstępnej separacji jest stosowany system dyfuzji gazowej. Uran jest idealnym materiałem rozszczepialnym, nie jest jednak jedynym. W bombie atomowej można również użyć plutonu. Umieszczony przez dłuższy czas w reaktorze jądrowym U-238 pochłania neutrony i stopniowo przekształca się w pluton. Pluton jest rozszczepialny, choć nie tak łatwo ja U-235. Uran daje się zdetonować jak proste urządzenie z dwóch wstrzeliwanych do siebie części, ale pluton, ułożony w formie bardziej złożonej, 32-częściowej komory implozyjnej, trzeba detonować silniejszym konwencjonalnym materiałem wybuchowym, o większej szybkości reagowania. Zaś mechanizm detonujący ten materiał musi zapewniać równoczesność zapłonu wszystkich jego fragmentów. Oprócz tej detonacji potrzebna jest jeszcze czysta mieszanina polonu z berylem. Krytyczna masa plutonu wynosi 16 kg.
W przypadku otoczenia plutonu reflektorem z U-238 masa ta wynosi 10 kg.
• Detonator uranu
Składa się z dwóch części. Większa ma kształt kulisty z wnęką. Kształt mniejszej odpowiada kształtowi wnęki. Zdetonowanie ładunku konwencjonalnego powoduje gwałtownego wbicie mniejszej masy w większa i ich zespolenie. Zostaje przekroczona masa krytyczna i w ciągu jednej milionowej sekundy rozwija się reakcja łańcuchowa rozszczepiania.
• Detonator plutonu
Składa się z 32 oddzielnych segmentów, razem tworzących wydrążoną kulę, obejmująca mieszaninę plonu z berylem. Kształty i masa wszystkich segmentów muszą być jednakowe. Kształt detonatora przypomina piłkę. Detonacja materiału konwencjonalnego musi doprowadzić do jednoczesnego scalenia wszystkich 32 sekcji z mieszaniną polonu z berylem w przeciągu jednej dziesięciomilionowej części sekundy.
• Osłona ołowiana
Jedynym zadaniem osłony ołowianej jest ochrona mechanizmów bomby przed radioaktywnością ładunku. Gęstość strumienia neutronów ładunku wystarcza do wywoływania zwarć wewnętrznych obwodów elektronicznych i spowodowania przedwczesnego przypadkowego wybuchu.
WYBUCH BOMBY ATOMOWEJ.
Każdemu wybuchowi bomby atomowej towarzyszą zjawiska będące Ľródłem czynników szkodliwych dla organizmów żywych i materii nieożywionej. Pierwszym możliwym do zaobserwowania jest błysk wybuchu jądrowego. Emitowana w tym momencie ogromna ilość promieniowania świetlnego może doprowadzić do trwałego porażenia wzroku. Na skutek wydzielania się w krótkim czasie olbrzymiej ilości energii materia znajdująca się w zasięgu wybuchu ogrzewa się do temperatury wielu milionów stopni i przechodzi w stan plazmy. Powstaje ognista kula, która jest Ľródłem promieniowania cieplnego. W wyniku wypalania się plazmy we wnętrzu kuli wytwarza się próżnia. Unosząca się do góry kula ciągnie za sobą ziemię i pył, przekształcając się w obłok radioaktywny. Słup zassanej materii oraz obłok tworzą grzyb atomowy. Po ponownym czasie, uzależnionym od odległości od centrum wybuchu, dotrze do obserwatora grzmot wybuchu jądrowego.
Do czynników rażenia wybuchu bomby atomowej możemy zaliczyć:
Falę uderzeniową - silne akustyczne zaburzenie ośrodka będące skokowym wzrostem ciśnienia i gęstości, rozchodzące się w danym ośrodku z prędkością większą od prędkości dĽwięku. Powstaje przy naddĽwiękowym ruchu w danym ośrodku oraz przy wybuchach. Przy wzroście ciśnienia o 0,1 ‰ wartości ciśnienia atmosferycznego uderzenie dĽwiękowe odbierane jest jako przykry hałas, przy 1 ‰ pękają szyby, przy większych skokach także ściany budynków itp. Rozchodzi się ona kuliście od miejsca wybuchu a jej czoło powoduje ogromne zniszczenie gdyż, na początku fali pojawia się zjawisko sprężania, czyli nadciśnienia a za nim powstaje zjawisko rozprężania, czyli podciśnienia. Właśnie na zasadzie podciśnienia działa odkurzacz.
Promieniowanie świetlne to Strumień energii fal elektromagnetycznych emitowanych przez ciało znajdujące się w temperaturze większej od zera bezwzględnego. W zależności od temperatury ciała w promieniowaniu cieplnym dominować może promieniowanie o różnej długości fal (od kwantów gamma w przypadku wczesnego Wszechświata do mikrofal w przypadku ciał o temperaturze kilku K, najczęściej jest to jednak promieniowanie podczerwone lub światło). Temperatura tego promieniowania podczas wybuchu dochodzi do 500oC i rozchodzi się z prędkością światła. Czas jego trwania wynosi od 10 do 20 sekund.
Promieniowanie przenikliwe to strumień wysokoenergetycznych fotonów (promieniowanie gamma lub promieniowanie rentgenowskie) albo cząstek naładowanych (np. elektronów, czyli cząstek beta, cząstek alfa, protonów, jonów itp.). Trwa przez 10 do 15 sekund i wywołuje ogromne spustoszenie w organizmach żywych. Na organizmy ma bardzo szkodliwy wpływ i trudno jest się przed nim uchronić gdyż przenika większość materiałów i osłon.
Promieniotwórcze skażenie terenu Głównymi Ľródłami skażenia promieniotwórczego środowiska są: opad promieniotwórczy globalny, powstały w wyniku testów z bronią jądrową (głównie w latach 1958-1963), katastrofy jądrowe (Czarnobyl, katastrofy w rejonie Czelabińska na Uralu w 1957 i 1967), przeróbka paliwa jądrowego (w tym radziecki program produkcji broni jądrowej uchodzący obecnie za największą katastrofę jądrową w dziejach), rutynowe i awaryjne wycieki radioaktywne w trakcie eksploatacji urządzeń jądrowych, wycieki ze składowisk odpadów promieniotwórczych, wypadki rozszczelnień Ľródeł promieniotwórczych wykorzystywanych w geologii, medycynie, przemyśle, itp.Głównymi sztucznymi długożyciowymi izotopami promieniotwórczymi, znajdującymi się obecnie w środowisku naturalnym na całej kuli ziemskiej, są m.in. (w nawiasach rodzaje emitowanego promieniowania i orientacyjny czas połowicznego zaniku): 137Cs (gamma, beta 30 lat), 90Sr (beta, 28 lat), 239Pu (alfa, 24 tys. lat), 240Pu (alfa, 8 tys. lat).
Impuls elektromagnetyczny powoduje powstanie prądów błądzących oraz zakłócenia w pracy urządzeń wykorzystujących energie elektryczną.
BEZPOŚREDNIE PRODUKTY PRZEMIAN JˇDROWYCH
Można ogólnie podzielić na:
• izotopy pierwiastków ciężkich - pluton i uran pochodzące bezpośrednio z wybuchu;
• stront (izotop 89 i 90), cyrkon(95), rubid (izotop 93 i 106), jod(131), cez(137), cer (izotop 141 i 144) itp. izotopy (w sumie 200) promieniotwórcze pochodzące z rozpadu uranu/plutonu (w bombie atomowej);
• hel i tryt ( w bombie termojądrowej)
1. PROMIENIOWANIE N , które stanowią emitowane z różnymi prędkościami neutrony, towarzyszące zarówno syntezie jak i rozpadowi
2. PRODUKTY WTÓRNE powstające przez absorbcję neutronów przez atomy powietrza.
3. PRODUKTY WYBUCHU, powstałe podczas rozpadu elementów konstrukcyjnych bomby (obudowa, urządzenia zapalające) pod wpływem zarówno siły wybuchu, jak i absorbcji neutronów.
Najważniejszą cechą jąder ciężkich uwolnionych podczas wybuchu jest zdolność do emisji promieniowania różnego rodzaju:
PROMIENIOWANIE KORPUSKULARNE (CZˇSTECZKOWE) - promieniowanie a , b(-), promieniowanie n (wiązka neutronowa) i promieniowanie p (wiązka protonów)
PROMIENIOWANIE FALOWE - promieniowanie g, promieniowanie rentgenowskie, mikrofale, promieniowanie cieplne (podczerwone), świetlne (widzialne), ultrafioletowe oraz fale radiowe.
PROMIENIOWANIE A-składa się z podwójnie zjonizowanych atomów helu (zawiera dwa protony i dwa neutrony); ma więc ładunek dodatni (równy ładunkowi dwóch protonów). Jądra te mają stosunkowo dużą masę, wobec czego ich energia kinetyczna ( a tym samym prędkość) przy emisji z jądra jest dość duża. Energia ta jest przekazywana na procesy jonizacji Jest to reakcja cząstek z atomami substancji, przez którą przenika promieniowanie (np. powietrze, ludzkie ciało), której efektem jest rozbicie atomu na jony (na drodze różnych mechanizmów). W przypadku promieniowania A, ze względu na jego dodatni ładunek następuje przyciąganie i wybicie elektronu z atomu. Promieniowanie to ze względu na dużą masę i rozmiar charakteryzuje się niewielką zdolnością przenikania.
PROMIENIOWANIE B-składa się ze strumienia szybkich elektronów; ma więc ładunek ujemny. Elektrony te powstają, upraszczając, na skutek przemiany neutronu w proton, w związku z tym zostaje zachowana liczba masowa, a jądro pierwiastka przekształca się w pierwiastek cięższy. Przemiana ta zachodzi w jądrach przed wszystkim transuranowców, gdzie liczba neutronów jest bardzo wysoka w porównaniu z liczbą protonów. Elektrony są lekkie i szybkie, w związku, z czym ich zdolność jonizacji jest mniejsza w porównaniu z promieniowaniem A; charakteryzują się jednak większą zdolnością przenikania.
Oto dwa wybuchy bomby atomowej, które ukazują, jaką ona jest straszliwą bronią:
6 sierpień 1945 roku:
- 00:00 Odprawa samolotu z „Little Boy’em” na pokładzie. Cel: Hiroszima, most Aioi.
- 02:45 Samolot Enola Gay wystartował
- 07:30 Uzbrojono bombę
- 08:50 Lecąca prawie 10 km nad ziemia Enola Gay przeleciała nad wschodnią dzielnicą Hiroszimy
- Nie napotkano żadnych sygnałów, które mogłyby sugerować, jakoby Japończycy zorientowali się, co planuje wojsko amerykańskie. Cel jest dobrze widoczny
- 09:16:02 „Little Boy” eksploduje ok. 580 metrów nad ziemią. Siłę eksplozji ocenia się na ok. 15 kiloton.
Bombę Fatman zrzucono na Nagasaki 9 sierpnia 1945 roku. Gdyby nie kłopoty techniczne oraz opór lotnictwa japońskiego, cel ataku, jakim pierwotnie była Wojskowa Fabryka Mitsubishi, zostałby całkowicie zniesiony z powierzchni ziemi, a tak tylko go uszkodzono.
W wyniku zrzucenia bomb atomowych zginęło ok. 120 000 ludzi, zniszczono tysiące budynków, tysiące osób chorowało na popromienne choroby. Hiroszima przestała istnieć i zmieniła się w rdzawa pustynię. Tragedia ta wstrząsnęła światem i skłoniła władze Japonii do zakończenia działań wojennych.
Od tego momentu rządy wielu krajów podpisywały umowy o nie używaniu bomby atomowej.
Amerykanie poinformowali o wynikach swoich prac nad bombą atomową. Brytyjczyków. ZSRR te informacje otrzymał nieco póĽniej, poprzez szpiegowską działalność ludzi pracujących przy powstaniu bomby atomowej.
W ten sposób wieloletnie prace naukowców doprowadziły do powstania śmiercionośnej, potężnej broni masowego rażenia. W chwili obecnej, bomby atomowe posiada wiele krajów, takich jak Rosja, USA, Irak, Pakistan i inne.
Koszt całego projektu MAHATTAN szacuje się na około 2 miliardy dolarów.
W 1963 mocarstwa atomowe USA, ZSRR i W. Brytania zawarły porozumienie zakazujące przeprowadzania wybuchów jądrowych w atmosferze ze względu na ich największą szkodliwość. W 1993 broń jądrową posiadały: Chińska Republika Ludowa, Francja, Wielka Brytania, USA, Rosja (jako prawno - międzynarodowy sukcesor ZSRR), czasowo Białoruś i Kazachstan, Ukraina a ponadto państwa, które osiągnęły próg nuklearny i są zdolne wyprodukować broń jądrową: Izrael, Indie, Korea Północna.
Jako ciekawostkę można dodać, że w 1961r. Stany Zjednoczone posiadały tyle broni atomowej, że Ziemię mogły zniszczyć 10 razy natomiast ZSRR „tylko” 2 razy.
Najbardziej znani członkowie „Projektu Manhattan” to:
Lawrence Ernest Orlando (1901-1958).
Wybitny fizyk amerykański, profesor uniwersytetu w Berkeley. Laureat Aagrody Nobla w 1939 roku, w 1931 roku skonstruował cyklotron
Franck James (1882- 1964).
Fizyk niemiecki, profesor uniwersytetu w Getyndze. Do USA wyemigrował w 1935 roku. Wraz z G. Hertzem w roku 1925 otrzymał Nagrodę Nobla. W 1945 roku był przeciwny zrzuceniu bomby atomowej na Japonię.
Albert Einstein (1870-1955).
Jeden z najwybitniejszych naukowców w historii. Fizyk, urodzony w Ulm, studiował w Zurychu. W 1921 roku został laureatem Nagrody Nobla. Był inicjatorem „Projektu Manhattan”. Twórca słynnej teorii względności (E=mc2)
Enrico Fermi (1901-1954).
Wybitny włoski fizyk, profesor wielu uniwersytetów. Zaprojektował pierwszy reaktor jądrowy (CP-1), był jedną z czołowych postaci „Manhattan Project”. W 1938 roku otrzymał Nagrodę Nobla.
Niels Henrik David Bohr (1885-1962).
Duński fizyk, jeden z najwybitniejszych w historii. Jeden z twórców mechaniki kwantowej. W 1922 roku laureat Nagrody Nobla za badania nad strukturą atomu. W 1943 roku w obawie przed aresztowaniem przedostał się z Danii do Anglii, skąd został wydelegowany do USA do wzięcia udziału w ”Manhattan Project”.
Arthur Holly Compton (1892-1962).
Wybitny fizyk amerykański, profesor uniwersytetów w St. Louis i Chicago. W 1923 roku otrzymał Nagrodę Nobla za tzw. „efekt Comptona” (rozpraszanie kwantów gamma i X na elektronach). W „Projekcie Manhattan” kierował całością prac związanych z budować reaktorów jądrowych.
Luis Walter Alvarez (1911-1988).
Wybitny fizyk amerykański, uczestnik „Manhattan Project”. W 1968 roku otrzymał Nagrodę Nobla za prace poświęcone cząstkom elementarnym.
Oppenheimer Jacob Robert (1904-1967)
fizyk amerykański. W latach 1927-1947 profesor University of California w Berkeley i California Institute of Technology w Pasadenie. Od 1947 profesor i dyrektor Institute for Advanced Study w Princeton. Autor prac z dziedziny fizyki jądrowej, kwantowej teorii atomu i cząsteczek dwuatomowych oraz kwantowej teorii promieniowania elektromagnetycznego. W 1939 zapoczątkował, wraz ze swymi współpracownikami, rozwój astrofizyki relatywistycznej, tworząc pierwszy model gwiazdy neutronowej i podając rozwiązanie równań A. Einsteina opisujących kolaps grawitacyjny.
Wygenerowano: 2003-12-04
chemia
darmowe wypracowania i ściągi - szkoła i studia