Aatomipommid ja nende tööpõhimõte

Uraan-235 abil saab hõlbustada kahte tüüpi aatomiplahvatusi: lõhustumine ja liitumine. Lihtsalt öeldes on lõhustumine tuumareaktsioon, mille käigus aatomituum jaguneb fragmentideks (tavaliselt kaheks võrreldava massi fragmendid), kiirgades kogu aeg 100 miljonit kuni mitusada miljonit volti energia. See energia väljutatakse plahvatuslikult ja ägedalt aatompomm. Sulamisreaktsioon seevastu algab tavaliselt lõhustumisreaktsioonist. Kuid erinevalt lõhustuvast (aatompommist) tuleneb termotuumasünteesi (vesiniku) pomm oma võimsusest erinevate vesiniku isotoopide tuumade sulandumisel heeliumi tuumadesse.

Selles artiklis käsitletakse A-pomm või aatompomm. Aatomipommis toimuva reaktsiooni taga olev tohutu jõud tekib jõudude kaudu, mis hoiavad aatomit koos. Need jõud on küll sarnased magnetismiga, kuid mitte päris samad.

Aatomid koosnevad erinevatest arvudest ja kolme alaaatomi osakeste kombinatsioonidest: prootonitest, neutronid, ja elektronid. Prootonid ja neutronid rühmituvad koos, moodustades aatomi tuuma (keskmassi), samal ajal kui elektronid tuuma ümber tiirlevad, sarnaselt päikese ümber asuvatele planeetidele. Nende osakeste tasakaal ja paigutus määravad aatomi stabiilsuse.

Enamikul elementidel on väga stabiilsed aatomid, mida on võimatu lõhestada, välja arvatud pommitamine osakeste kiirendites. Kõigil praktilistel eesmärkidel on uraan ainus looduslik element, mille aatomeid saab hõlpsalt jagada, a raskemetall, milles on suurim looduslike elementide aatom ja ebatavaliselt kõrge neutronproteiin-prooton suhe. See suurem suhe ei suurenda selle "hajutatavust", kuid sellel on oluline roll selle võimes hõlbustada plahvatust, muutes uraan-235 erakordseks tuumalõhustumise kandidaadiks.

Looduses esinevaid isotoope on kaks uraan. Looduslik uraan koosneb peamiselt isotoobist U-238, igas aatomis on 92 prootonit ja 146 neutronit (92 + 146 = 238). Sellega segades on U-235 kogunenud 0,6%, aatomi kohta on ainult 143 neutronit. Selle kergema isotoobi aatomeid saab jagada, seega on see "lõhustuv" ja kasulik aatomipommide valmistamisel.

Neutron-rasketel U-238-l on oma roll ka aatomipommis, kuna selle neutron-rasked aatomid võivad hajuda neutronid, hoides ära juhusliku ahelreaktsiooni uraanipommis ja hoides neutronite sisalduvat plutooniumis pomm. U-238 võib olla "küllastunud" ka plutooniumi (Pu-239) tootmiseks, mis on inimese loodud radioaktiivne element, mida kasutatakse ka aatomipommides.

Mõlemad uraani isotoobid on looduslikult radioaktiivsed; nende mahukad aatomid lagunevad aja jooksul. Piisava aja (sadu tuhandeid aastaid) tõttu kaotab uraan lõpuks nii palju osakesi, et see muutub pliiks. Seda lagunemisprotsessi saab ahelreaktsioonina tunduvalt kiirendada. Selle asemel, et looduslikult ja aeglaselt laguneda, jagunevad aatomid sunniviisiliselt neutronitega pommitamise teel.

Vähem stabiilse U-235 aatomi lõhestamiseks piisab ühest neutronist saadud löögist, moodustades väiksemate elementide aatomid (sageli baarium ja krüptoon) ja vabastavad soojust ja gammakiirgust (kõige võimsam ja surmav vorm) radioaktiivsus). See ahelreaktsioon toimub siis, kui sellest aatomist "varu" neutronid lendavad välja piisava jõuga, et jagada ülejäänud U-235 aatomid, millega nad kokku puutuvad. Teoreetiliselt on vaja jagada ainult üks U-235 aatom, mis vabastab neutroneid, mis lõhestavad teisi aatomeid, vabastades neutroneid... ja nii edasi. See progressioon ei ole aritmeetiline; see on geomeetriline ja toimub sekundi sekundi jooksul.

Ülalkirjeldatud minimaalset ahelreaktsiooni alustamiseks vajalikku kogust nimetatakse ülekriitiliseks massiks. Puhta U-235 puhul on see 110 naela (50 kilogrammi). Ükski uraan pole kunagi üsna puhas, nii et tegelikult on vaja rohkem, näiteks U-235, U-238 ja plutoonium.

Uraan pole ainus materjal, mida kasutatakse aatomipommide valmistamiseks. Veel üks materjal on keemilise elemendi plutooniumi Pu-239 isotoop. Plutooniumi leidub looduslikult vaid väikeste jälgedega, seega tuleb uraanist toota vajalikke koguseid. Tuumareaktoris saab uraani raskema U-238 isotoobi sundida omandama lisaosakesi, muutudes lõpuks plutooniumiks.

Plutoonium ei käivita iseenesest kiiret ahelreaktsiooni, kuid sellest probleemist saab üle a neutroniallikas või väga radioaktiivne materjal, mis eraldab neutroneid kiiremini kui plutoonium ise. Teatud tüüpi pommides kasutatakse selle reaktsiooni saavutamiseks elementide berüllium ja poloonium segu. Vaja on vaid väikest tükki (ülekriitiline mass on umbes 32 naela, ehkki kasutada võib vaid 22). Materjal ei ole iseenesest lõhustuv, vaid toimib ainult suurema reaktsiooni katalüsaatorina.