Atombomber och hur de fungerar

Det finns två typer av atomexplosioner som kan underlättas av Uranium-235: fission och fusion. Fission, helt enkelt uttryckt, är en kärnreaktion där en atomkärna delas upp i fragment (vanligtvis två fragment med jämförbar massa samtidigt som de avger 100 miljoner till flera hundra miljoner volt energi. Denna energi drivs ut explosivt och våldsamt i atombomb. En fusionsreaktion å andra sidan startas vanligtvis med en fissionreaktion. Men till skillnad från fission (atom) bomben, kommer fusionsbomben (väte) sin kraft från att smälta kärnor från olika väteisotoper till heliumkärnor.

Den här artikeln diskuterar En bomb eller atombomb. Den enorma kraften bakom reaktionen i en atombomb uppstår från krafterna som håller atomen samman. Dessa krafter är besläktade med, men inte riktigt samma som magnetism.

Atoms består av olika antal och kombinationer av de tre subatomära partiklarna: protoner, neutroneroch elektroner. Protoner och neutroner kluster samman för att bilda atomens kärna (centralmassa) medan elektronerna kretsar kring kärnan, ungefär som planeter runt en sol. Det är balansen och arrangemanget av dessa partiklar som bestämmer atomens stabilitet.

De flesta element har mycket stabila atomer som är omöjliga att dela förutom genom bombardering i partikelacceleratorer. För alla praktiska ändamål är det enda naturliga elementet vars atomer lätt kan delas uran, a tungmetall med den största atomen i alla naturliga element och en ovanligt hög neutron-till-proton förhållande. Detta högre förhållande förbättrar inte dess "delbarhet", men det har en viktig inverkan på dess förmåga att underlätta en explosion, vilket gör uran-235 till en exceptionell kandidat för kärnklyvning.

Det finns två naturligt förekommande isotoper av uran. Naturligt uran består mestadels av isotop U-238, med 92 protoner och 146 neutroner (92 + 146 = 238) i varje atom. Blandat med detta är en 0,6% ansamling av U-235, med endast 143 neutroner per atom. Atomerna i denna lättare isotop kan delas, så att den är "klyvbar" och användbar för att göra atombomber.

Neutrontung U-238 har också en roll att spela i atombomben eftersom dess neutrontunga atomer kan avleda bortfall neutroner, förhindrar en oavsiktlig kedjereaktion i en uranbom och hålla neutroner i ett plutonium bomba. U-238 kan också "mättas" för att producera plutonium (Pu-239), ett konstgjort radioaktivt element som också används i atombomber.

Båda isotoperna av uran är naturligtvis radioaktiva; deras skrymmande atomer sönderfaller med tiden. Med tanke på tillräckligt med tid (hundratusentals år) kommer uran så småningom att förlora så många partiklar att det kommer att bli bly. Denna förfallprocess kan kraftigt accelereras i vad som kallas en kedjereaktion. Istället för att sönderdelas naturligt och långsamt, delas atomerna med tvång genom bombardering med neutroner.

Ett slag från en enda neutron räcker för att dela upp den mindre stabila U-235-atomen, vilket skapar atomer av mindre element (ofta barium och krypton) och släpper värme- och gammastrålning (den mest kraftfulla och dödliga formen av radioaktivitet). Denna kedjereaktion inträffar när "reserv" neutroner från denna atom flyger ut med tillräcklig kraft för att dela upp andra U-235 atomer som de kommer i kontakt med. I teorin är det nödvändigt att dela bara en U-235-atom, som kommer att frigöra neutroner som kommer att dela upp andra atomer, som kommer att frigöra neutroner... och så vidare. Denna utveckling är inte aritmetisk; det är geometriskt och äger rum inom en miljonedel av en sekund.

Den minsta mängden för att starta en kedjereaktion som beskrivits ovan är känd som superkritisk massa. För ren U-235 är den 110 kilo (50 kilo). Inget uran är någonsin ganska rent, så i verkligheten kommer mer att behövas, till exempel U-235, U-238 och Plutonium.

Uran är inte det enda materialet som används för att göra atombomber. Ett annat material är Pu-239-isotopen av det konstgjorda elementet plutonium. Plutonium finns bara naturligt i små spår, så användbara mängder måste produceras av uran. I en kärnreaktor kan uran tyngre U-238-isotop tvingas förvärva extra partiklar och så småningom bli plutonium.

Plutonium kommer inte att starta en snabbkedjereaktion av sig själv, men detta problem övervinns genom att ha en neutronkälla eller mycket radioaktivt material som avger neutroner snabbare än plutonium sig. I vissa typer av bomber används en blandning av elementen Beryllium och Polonium för att åstadkomma denna reaktion. Endast en liten bit behövs (superkritisk massa är cirka 32 kilo, men så lite som 22 kan användas). Materialet är inte klyvbart i sig själv utan fungerar bara som en katalysator för den större reaktionen.