X
تبلیغات
NBA & BIOLOGY - بمب هسته ای

NBA & BIOLOGY

(علمی _ بسکتبال_و...)

بمب هسته ای

توضیحات زیر ترجمه مطلبی است که توسط دکتر کرایگ سی فرودنریش Craig C. Freudenrich, Ph.D نوشته شده. بخوانید تا بیشتر بدانید !

 

بحث خلع سلاح اتمی مدتی است که در صدر اخبار جهان قرار دارد. در اکثر کشور ها بحث از بین بردن موضوع از بین بردن زرادخانه های اتمی بحث داغ روز است. با وجود این در طی چند سال اخیر شاهد بودیم که بعضی از کشور ها مانند هند و پاکستان در حال گسترش دادن برنامه های هسته ای خویشند.

بسیار دیده ایم که این سلاح ها دارای قدرت تخریب اعجاب آور و شگفت انگیزی هستند. در این نوشته که متن اصلی آن توسط سایت HowStuffWorks تهیه شده شما یاد خواهید گرفت که چگونه علم فیزیک موفق شد از هسته کوچکی بمب های با قدرت بسیار بسازد و یا اینکه یک بمب هسته ای چگونه طراحی و ساخته شد و بعد از اینکه بکار افتاد (منفجر شد) چه اتفاقی افتاد.

فیزیک و فن آوری هسته ای !

بمب های اتمی دارای قدرتی مثال زدنی ، پیچیده و در عین حال ناپایداری هستند که از با نگهداشتن دو اتم در کنار یکدیگر بوجود میایند. خصوصا اگر یکی از آنها دارای هسته ای بسیار ناپایدار و دارای رادیواکتیویته بالا باشد. در اینجا دو روش متفاوت برای بدست آوردن انرژی از هسته یک اتم را توضیح میدهیم:

Nuclear fission

فیسیون یا شکاف هسته ای : در این روش یک هسته اتم بزرگتر شکسته شده و به دو هسته کوچکتر تقسیم میشود. این متد معمولا استفاده از ایزوتوپ های اورانیوم (اورانیوم 235 ، اورانیوم 233 ) و یا پلوتونیوم 239 را در بر دارد.

Nuclear fusion

فوزیون یا جوش هسته ای : در این روش دو هسته کوچکتر، معمولا هیدروژن و یا ایزوتوپ هایی از هیدروژن (دوتریوم، تریتیوم) به یکدیگر جوش خورده و تشکیل یک اتم بزرگتر، معمولا هلیم و یا ایزوتوپ هایی از هلیم، را تشکیل میدهند. که معمولا در خورشید اتفاق می افتد.

 

در هر دو روش فیسیون یا فوزیون مقدار قابل توجهی انرژی و رادیو اکتیویته آزاد میشود .

 

ساخت بمب های هسته ای !

برای ساختن یک بمب اتمی مانند همه بمب های دیگر شما به ابزار زیر نیاز دارید .

- یک سوخت یا خرج اصلی از هسته های شکستنی و یا جوش خوردنی !

- یک چاشنی یا ابزار چکاننده !

- و یک ابزار کنترل کننده و یا نگاهدارنده برای زمانی که بخواهید بمب را منفجر و یا آنرا خنثی کنید.

اولین بمب اتمی با روش فیسیون یا شکاف هسته ای ساخته شد. و بعد ها استفاده از یک چاشنی فوزیونی ترجیح داده شد.

در اینجا ما روش های ساخت بمب های هسته ای مختلفی را که تا کنون ساخته شده اند و مورد اسفاده قرار گرفته اند مختصرا توضیح میدهیم.

بمب های فیسیونی ( بطور کلی )

بمب های فیسیونی که با چاشنی ماشه ای کار میکنند مانند (Little Boy) یعنی بمبی که بر فراز شهر هیروشیما رها شد.

بمب های فیسیونی که با چاشنی درونی کار میکنند مانند (Fat Man) یعنی بمبی که بر سر شهر ناکازاکی در ژاپن در سال 1945 رها شد.

بمب های فوزیونی( بطور کلی )

بمب هیدروژنی فوزیونی که توسط تلر و اولام طراحی شد و در سال 1952 در جزیره ایوگلپ آزمایش شد.

بمب های فیسیونی که با چاشنی ماشه ای کار میکنند:

بمب های فیسیونی از عناصری مانند اورانیوم 235 برای تولید انفجار هسته ای استفاده میکنند. در بخش رادیواکتیو چیست بزودی در مورد خواص این عناصر و اینکه چگونه رادیواکتیویته تولید میگنند صحبت خواهیم کرد. سپس شما خواهید فهمید که چگونه فرایند تدریجی واپاشی اتم های این عناصر باعث بوجود آمدن رادیواکتیویته و سپس فیسیون میشود.اورانیوم 235 دارای خواص فوق العاده ایست که هم در تولید انرژی هسته ای و هم در تولید بمب های هسته ای کاربرد دارد. یو 235 یکی از معدود موادی است که تن به شکافته شدن (فیسیون) میدهد. اگر یک نوترون آزاد به سمت هسته یو 235 پرتاب شود هسته اتم بیدرنگ آنرا به سمت خود جذب کرده ، تشکیل یک هسته ناپایدار داده و بیدرنگ شکسته میشود.

این تصویر به شما نشان میدهد که چگونه هسته اورانیوم 235  نوترونی را به سمت خود جذب میکند و در اثر این واکنش میشکند. در اثر این شکست دو هسته کوچکتر تشکیل شده و سه نوترون دیگر آزاد میشوند. تعداد نوترونهای آزاد شده نشان میدهد که چه تعداد اتم یو 235 دیگر بر اثر این واکنش شکسته میشوند. دو اتم جدید کوچکتر شروع به تابش اشعه گاما کرده و به مکانی دیگر برای واکنشی دیگر میروند که در بخش رادیواکتیو چیست مفصل توضیح خواهیم داد. سه اتفاق مهم در اثر واکنش فیسیونی می افتد که بسیار جالب است.

یک هسته یو 235 به این دلیل نوترون را به سمت خود جذب میکند که از آن سنگین تر است و قدرت جذب کنندگی آن زیاد است. و همانطور که توضیح دادیم بسیاری از این نوترونهای آزاد شده باعث شکست هسته های بیشتر میشود. این حالت به نام نقطه ابر بحرانی معروف است و در اصل حالتی است که بمب منفجر شده است.

این وضعیت برخورد نوترون با هسته اتم و شکسته شدن آن خیلی سریع اتفاق می افتد ( در حد پیکو ثانیه یعنی 12-^10 ثانیه). دو اتمی که پس از شکسته شدن هسته اتم یو 235 تشکیل میشوند مجموعا جرم کمتری از هسته اتم قبلی دارند و مابقی جرم آنها در این واکنش به انرژی تبدیل شده است و مقدار باور نکردنی از انرژی در این واکنش به صورت گرما و نور (اشعه گاما)  آزاد میشود.

ارتباط بین جرم و انرژی آزاد شده در شکست هسته یو 235 از رابطه معروف  e = m * c^2 بدست میاید . بر اساس این رابطه نیم کیلوگرم از اورانیوم غنی شده که در یک بمب اتمی بکار رفته قادر است نیرویی تقریبا برابر با انفجار 4.5 میلیون لیتر بنزین را فراهم کند. در اینجا ما در مورد نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده با حجمی کوچکتر از یک توپ بیس بال یا تنیس  صحبت میکنیم !!! و جالب است بدانید 4.5 میلیون لیتر بنزین حجمی در حدود یک ساختمان 5 طبقه را اشغال میکند.

خوب ، حتما متوجه شدید که برای استفاده از این خواص در اتم یو235 باید آنرا غنی سازی کرد. و حتما برای استفاده در سلاح هسته ای درجه خلوص آن میبایست بالای 90 درصد باشد.

در بمب های فیسیونی ، سوخت اصلی را میبایست جدای از جرم های بحرانی قرار داد ، در غیر اینصورت انفجار ، زود هنگام و ناقص صورت میگیرد. جرمهای بحرانی موادی هستند که در هر حالتی آمادگی شکست هسته ای را دارند و در اصل چاشنی اصلی بمب را تشکیل میدهند. این تفکیک سازی مهمترین مسئله در ساخت یک بمب هسته ایست که باید مد نظر قرار بگیرد.

دو یا چند جرم بحرانی در اثر نزدیک شدن به هم تشکیل یک نقطه ابر بحرانی را تشکیل خواهند داد ، بطوریکه به مقدار کافی نوترون های آزاد برای بمباران کردن هسته های اتم یکدیگر داشته باشند. نوترون های آزاد شده شروع نقطه ابر بحرانی و یا فیسیون را در بر خواهند داشت. هر چقدر که نوترونهای آزاد بیشتری در لحظه ابر بحرانی در اختیار باشند بمب قویتری خواهیم داشت. در غیر اینصورت بمب عمل نکرده و خراب میشود.

برای ایجاد یک فضای زیر بحرانی بطوریکه در لحظه دلخواه بتوان نقطه ابر بحرانی را ایجاد کرد از دو تکنیک مختلف استفاده میشود.

1 - روش استفاده کردن از یک چاشنی ( مثل چکاندن ماشه یک تفنگ) Gun - Triggerd Fission Bombs (Little Boy) s

2 - روش انفجار درونی ( یا انفجار خودکار) (Fat Man)

در اصل برای رسیدن به نقطه ابر بحرانی نوترون ها میبایست تقویت شوند. اینکار معمولا بوسیله یک ژنراتور انجام میشود. این ژنراتور معمولا از عناصری مانند پولونیوم و یا بریلیوم تشکیل میشود ، به این صورت که این عناصر به کمک صفحه نازکی که معمولا از جنس کربن است مابین سوخت اصلی بصورت یک لوله قرار میگیرند. عملکرد این ژنراتور به این صورت است:

1- در زمان انفجار صفحه نازک میشکند ، عنصر پولونیوم که بخودی خود رادیواکتیو است و ذرات آلفا از آن متساعد میگردند. آزاد میشود.

2- ذرات آلفا هسته بریلوم را بمباران کرده و بریلیوم 9 را به بریلیوم 8 تبدیل کرده و نوتروم آزاد میکنند.

3- نوترون های آزاد شده به سوخت اصلی رسیده و فیسیون اتفاق میافتد.

در نهایت بر اثر عمل فیسون کوچکی اتفاق میافتد. هسته بریلیومی اصلی بشدت گرم شده و هر لحظه (که البته بسیار سریعتر از حد تصور اتفاق میفتد.) بر حجم آن افزوده میشود. این اتساع و افزایش حجم با پولونیم تشکیل یک ماشه داده و باعث میشود قطعه پولونیومی به طرف سوخت اصلی حرکت کند. و ...

Little Boy بمبی که بر سر مردم بیگناه هیروشیما در سال 1945 رها شد. از این تکنیک استفاده میکرد . وزن این بمب حدود 450 کیلوگرم بود و برابر با 14.5 کیلوتن TNT انرژی حرارتی ایجاد کرد ، در حالی که راندمان انرژی آن فقط 1.5% انرژی واقعی موادی بود که آنرا تشکیل داده بودند.

بمب های فیسیونی که با چاشنی درونی کار میکنند:

در پروژه منهتن (پروژه ای که در سال 1942 بدستور رئیس جمهور وقت ایالات متحده  برنامه فوق محرمانه  ساخت بمب های اتمی در آن آغاز شد)  دانشمندان اعتقاد داشتند که فرو بردن دو جرم زیر بحرانی در یکدیگر میتواند روش خوبی برای رسیدن به نقطه ابر بحرانی باشد. به این صورت که یک گوی کوچک از مواد زیر بحرانی بوسیله یک حلقه کروی شکل از جنس یک ماده زیر بحرانی دیگر پوشیده میشود و در لحظه برخورد بمب با هدف به داخل گوی کوبیده میشد و تشکیل نقطه ابر بحرانی را میداد یا به اصطلاح بمب منفجر میشد. این روش چندین اشکال داشت ، بخصوص اینکه چطور میشد مستقیما تنش موجی یکنواخت در لحطه برخورد دو قطعه درونی و بیرونی با یکدیگر را ایجاد و کنترل کرد. ولی تیم پروژه منهتن این مشکل را حل کرد. به این صورت که قطعه گوی شکل داخلی را جنس اورانیوم غنی شده 235 و یک ماده رادیواکتیو بسیار حساس مانند پلوتونیوم 239 و حلقه کروی شکل خارجی از یک ماده منفجره بسیار حساس تشکیل میشود.  وقتی که بمب فعال میشود :

- ماده منفجره بیرونی منفجر شده و یک شوک حرارتی ایجاد میکند.

- شوک حرارتی ایجاد شده به بخش داخلی فشار وارد میاورد و حلقه کروی خارجی به گوی داخلی کوبیده میشود.

- فیسیون اتفاق می افتد و ...

- بنگ !

Fat Man  بمبی که بر سر مردم بیگناه شهر ناکازاکی ژاپن در سال 1945 فرو افتاد و در اثر آن بیش از 40،000 نفر در یک لحظه کشته شدند از این روش استفاده میکرد. این بمب حدود 1000 کیلوگرم وزن داشت و قدرت انفجاری برابر با 20 کیلو تن TNT ایجاد کرد.

 

ادامه دارد ...

منبع اصلی:

How Nuclear Bombs Works

+ نوشته شده در  پنجشنبه 1384/04/02ساعت   توسط mitra  |