З моменту закінчення найстрашнішої в історії людства війни пройшло трохи більше двох місяців. І ось 16 липня 1945 року американськими військовими була випробувана перша ядерна бомба, а ще через місяць в атомному пеклі гинуть тисячі жителів японських міст. З тих пір ядерну зброю, так само як і засоби доставки його до цілей, безперервно вдосконалювалася протягом більш ніж півстоліття. Військовим хотілося отримати в своє розпорядження як надпотужні боєприпаси, одним ударом змітає з карти цілі міста і країни, так і надмалі, що уміщаються в портфель. Такий пристрій вивело б диверсійну війну на небачений досі рівень. Як з першим, так і другим виникли непереборні труднощі. Виною всьому, так звана критична маса. Однак, про все по порядку.

Таке вибухонебезпечне ядро

Щоб розібратися в порядку роботи ядерних пристроїв і зрозуміти, що називається критичною масою, повернемося ненадовго за парту. Зі шкільного курсу фізики ми пам'ятаємо просте правило: однойменні заряди відштовхуються. Там же, в середній школі учням розповідають про будову атомного ядра, що складається з нейтронів, нейтральних частинок і протонів, заряджених позитивно. Але як таке можливо? Позитивно заряджені частинки розташовані так близько один до одного, сили відштовхування повинні бути колосальними. Науці до кінця не відома природа внутрішньоядерних сил, що утримують разом протони, хоча властивості цих сил вивчені досить добре. Сили діють тільки на дуже близькій відстані. Але варто хоча б трохи розділити протони в просторі, як сили відштовхування починають превалювати, і ядро розлітається на шматки. А потужність такого розльоту воістину колосальна. Відомо, що сили дорослого чоловіка не вистачило б для утримання протонів всього лише одного єдиного ядра атома свинцю.

Чого злякався Резерфорд

Ядра більшості елементів таблиці Менделєєва стабільні. Однак з ростом атомного числа ця стабільність все зменшується. Річ у розмірі ядер. Уявімо собі ядро атома урану, що складається з 238 нуклідів, з яких 92 – протони. Так, протони знаходяться в тісному контакті один з одним, і внутриядерные сили надійно цементують всю конструкцію. Але сила відштовхування протонів, що знаходяться на протилежних кінцях ядра стає помітною. Що робив Резерфорд? Він виробляв бомбардування атомів нейтронами (електрон не пройде через електронну оболонку атома, а позитивно заряджений протон не зможе наблизитися до ядра через сил відштовхування). Нейтрон потрапляє в ядро атома, викликав його поділ. В боки розліталися дві окремі половинки і два-три вільних нейтрона. Цей розпад, в силу величезних швидкостей часток, що розлітаються, супроводжувався викидом величезної енергії. Ходив слух, що Резерфорд навіть хотів приховати своє відкриття, злякавшись його можливих наслідків для людства, але це, швидше за все, не більш ніж казки.

Так при чому тут маса і чому вона критична

Ну і що? Як можна опромінити потоком протонів достатню кількість радіоактивного металу, щоб отримати потужний вибух? І що таке критична маса? Вся справа в тих кількох вільних електронах, які вилітають з «розбомбленого» атомного ядра, вони у свою чергу так само, зіткнувшись з іншими ядрами, викличуть їх розподіл. Почнеться так звана ланцюгова ядерна реакція. Однак запустити її буде надзвичайно складно.
Уточнимо масштаб. Якщо ядро атома взяти яблуко на нашому столі, то для того, щоб уявити собі ядро сусіднього атома, таке ж яблуко доведеться віднести і покласти на стіл навіть не в сусідній кімнаті, а в сусідньому будинку. Нейтрон ж буде розміром з вишневу кісточку. Для того, щоб виділилися нейтрони не відлітали даремно за межі злитка урану, а більше 50 % з них знаходили б собі за мету у вигляді атомних ядер, цей злиток повинен мати відповідні розміри. Ось що називається критичною масою урану – маса, при якій більше половини виділяються нейтронів стикаються з іншими ядрами. На ділі це відбувається в одну мить. Кількість розщеплених ядер наростає як лавина, їх осколки спрямовуються на всі боки зі швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла, розпорюючи повітря, воду, будь-яку іншу середу. Від їх зіткнень з молекулами навколишнього середовища область вибуху миттєво нагрівається до мільйонів градусів, випромінюючи жар, спопеляючий все в окрузі декількох кілометрів. Різко нагріте повітря миттєво збільшується в розмірах, створюючи потужну ударну хвилю, яка зносить з фундаментів будівлі, перевертає і трощить все на своєму шляху така картина атомного вибуху.

Як це виглядає на практиці

Пристрій атомної бомби на диво просто. Є два злитки урану (або іншого радіоактивного металу), маса кожного з яких трохи менше критичної. Один із злитків виготовлений у вигляді конуса, інший – кулі з конусоподібним отвором. Як неважко здогадатися, при поєднанні обох половинок виходить куля, у якого досягається критична маса. Це стандартна найпростіша ядерна бомба. З'єднуються дві половинки за допомогою звичайного тротилового заряду (конус вистрілюється в кулю).
Але не варто думати, що такий пристрій зможе зібрати «на коліні» будь-який бажаючий. Весь фокус полягає в тому, що уран, щоб бомба з нього вибухнула, повинен бути дуже чистим, наявність домішок – практично нуль.

Чому не буває атомної бомби розміром з пачку сигарет

Все з тієї ж причини. Критична маса самого розповсюдженого ізотопу урану-235 становить близько 45 кг. Вибух такої кількості ядерного палива – це вже катастрофа. А виготовити вибуховий пристрій з меншою кількістю речовини неможливо – воно просто не спрацює. З тієї ж причини не вийшло і створити надпотужні атомні заряди з урану або інших радіоактивних металів. Для того, щоб бомба була дуже потужною, її робили з десятка злитків, які при підриві детонуючих зарядів прямували до центру, з'єднуючись як часточки апельсина. Але що відбувалося насправді? Якщо з якихось причин два елемента зустрічалися на тисячну частку секунди раніше інших, критична маса досягалася швидше ніж «приспіють» інші, вибух відбувався не тієї потужності, на яку розраховували конструктори. Проблема надпотужних ядерних боєприпасів була вирішена тільки з появою термоядерної зброї. Але це трохи інша історія.

А як же працює мирний атом

Атомна електростанція – по суті та ж ядерна бомба. Тільки у цієї «бомби» Твели (тепловиділяючі елементи), виготовлені з урану, знаходяться на деякій відстані один від одного, що не заважає їм обмінюватися нейтронними «ударами». Твели виготовляються у вигляді стрижнів, між якими знаходяться регулюючі стрижні, виконані з матеріалу, добре поглинає нейтрони. Принцип роботи простий:

регулюючі (поглинають) вони вводяться в простір між стрижнями урану – реакція сповільнюється або зупиняється зовсім;

регулюючі стрижні виводяться із зони – радіоактивні елементи активно обмінюються нейтронами, ядерна реакція протікає інтенсивніше.

Дійсно, виходить та ж атомна бомба, в якій критична маса досягається настільки плавно і регулюється так чітко, що це не призводить до вибуху, а лише до нагрівання теплоносія. Хоча, на жаль, як показує практика, не завжди людський геній здатний приборкати цю величезну і руйнівну енергію – енергію розпаду атомного ядра.