В этой главе мы напомним некоторые элементарные сведения о строении вещества, необходимые для понимания принципа действия ядерных бомб.

В отличие от химических соединений, которых в природе существует очень много (3,5 тыс. соединений из общего количества 300 тыс., известных нам на сегодняшний день), количество простых веществ, или элементов, в природе ограниченно. Последние принято классифицировать по их атомному весу, который при обозначении элемента стоит обычно рядом с его символом. Наиболее известной классификацией элементов является периодическая система элементов Менделеева, где за основу принят кислород, обозначаемый латинской буквой О, с атомным весом 16. Атом кислорода по этой системе обозначается О

16

. В таблице Менделеева в клетке № 1 стоит самый легкий элемент — водород, а в клетке № 92 — уран.

В 1869 году, когда Менделеев предложил свою классификацию, было известно всего 63 элемента. Менделеев утверждал, что большинство принятых в то время атомных весов были неверными и что всего в природе должно существовать 92 элемента. И действительно, в 1871 году Лекок де Буабодран открыл галлий (№ 31), в 1879 году Нильсон выделил скандий (№ 21), а в 1887 году Винклер открыл германий (№ 32). В дальнейшем открытие новых элементов пошло более быстрыми темпами, и в 1939 году все пустые клетки таблицы Менделеева были заполнены, за исключением клеток под номерами 41, 63, 85 и 87.

К началу 1956 года был известен 101 элемент. Элемент № 100 — фермий — впервые был получен искусственным путем в конце 1953 года, а в конце 1954 года ученым удалось обнаружить 17 атомов 101-го элемента периодической системы Менделеева. В настоящее время говорят уже о существовании 108 элементов, причем элементы от № 102 до № 105 являются довольно устойчивыми, и их можно обнаружить обычным химическим путем, а три последних элемента неустойчивы, и для их исследования приходится прибегать к помощи ядерной химии.

В каждой клетке периодической системы Менделеева могут стоять несколько разновидностей одного и того же элемента, называемых изотопами. Так, в клетке № 1, кроме обычного (легкого) водорода, можно обнаружить еще два его изотопа: дейтерий и тритий, а в клетке № 92 находятся 11 изотопов урана.

Каждое химическое вещество состоит из однородных частиц, называемых молекулами. Если разложить молекулу на более элементарные составные части, мы получим атомы.

Атом принято схематически изображать в виде ядра с вращающимися вокруг него электронами. Ядро состоит из двух видов элементарных частиц (нуклонов): протонов, несущих положительный электрический заряд, и нейтронов, не имеющих никакого электрического заряда. Вокруг ядра вращается целый рой отрицательно заряженных электронов, расположенных в несколько слоев.

Количество протонов, содержащихся в ядре того или иного элемента, равно атомному номеру Z этого элемента. Например, в ядре водорода и его изотопов содержится всего один протон, а в ядре урана — 92 протона. Поэтому водород имеет атомный номер 1, а уран — 92.

Атом электрически нейтрален. Поскольку величина электрического заряда протона равна величине заряда электрона, который называется элементарным зарядом, можно сделать вывод, что число протонов в ядре равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра. Следовательно, атомный номер элемента дает возможность судить как о количестве протонов, так и о количестве электронов, содержащихся в атоме этого элемента.

Мы знаем, что существует закон сохранения массы: «Ничто в природе не пропадает бесследно и не создается из ничего, все превращается». С другой стороны, известно, что есть закон сохранения энергии. Энергия проявляется в различных формах, причем тепловая энергия является самой последней из них. Это было доказано Джоулем еще лет сто тому назад.

В 1905 году Эйнштейн, который в то время служил в Федеральном бюро патентов в Берне, опубликовал три статьи, имевшие огромное значение не только для развития физики, но и для всей современной науки. Рассматривая в одной из своих статей специальную теорию относительности, Эйнштейн доказал эквивалентность массы и энергии. Масса и энергия, по Эйнштейну, являются выражением одной и той же сущности, и это дает основание говорить, что энергия = массе.

Но, чтобы получить действительное равенство, необходимо ввести поправочный коэффициент, а именно квадрат скорости света, обозначаемой буквой с. Тогда формула Эйнштейна примет следующий вид: Е = т 

.

с

2

, где т — масса покоя. Эта формула, кстати, близка формуле кинетической энергии Е = т v

2

(с примерно постоянным коэффициентом).

Напомнив некоторые общие сведения из области ядерной физики, мы можем перейти к изложению принципа действия ядерных бомб.

Все ядерные бомбы делятся на две большие группы: бомбы, основанные на реакции деления, называемые иногда «малыми бомбами», и бомбы, основанные на реакции синтеза, или термоядерные бомбы, называемые иногда «большими бомбами».

Действие как «малых», так и «больших» бомб основано на законе взаимосвязи массы и энергии. Хотя исходным материалом для обеих групп служат различные вещества, при взрыве и тех и других бомб происходят реакции, характеризующиеся значительным дефектом массы.

1. Сущность явления.

В бомбах, основанных на делении ядер, исходным материалом служат тяжелые элементы: уран 235 или плутоний 239.

Ядра этих элементов в определенных условиях могут делиться или расщепляться под действием различных частиц, преимущественно нейтронов, поскольку, будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают на себе воздействия сил отталкивания протонов ядра. Эту реакцию можно записать так:

92U

235

+ оn

1

= 92U

236

 = ZX

A

+ Z'X

A'

+ (2 или 3) оn

1

+ Е.

Образовавшееся ядро урана 236 моментально расщепляется на два осколка с примерно равными массами. При этом происходят:

В бомбах, основанных на делении ядер, исходным материалом служит тяжелый элемент, ядра которого расщепляются под действием нейтронов. В бомбах, основанных на реакции синтеза, исходным материалом являются легкие элементы — водород или его изотопы дейтерий и тритий, ядра которых в ходе реакции соединяются или синтезируются. Однако здесь возникает одна трудность: при соединении двух протонов, то есть двух положительно заряженных частиц, необходимо преодолеть громадные силы взаимного отталкивания.

Принцип деления ядер известен с 1939 года. Деление ядер урана 235, которое наблюдали еще Жан Перрен и супруги Жолио-Кюри, было впервые окончательно объяснено накануне второй мировой войны немецкими учеными Ганом и Штрассманом. Принцип синтеза элементов был открыт в 1936 году австрийцем Бете и французом Рокаром, однако в то время ученые еще не знали, как преодолеть силы взаимного отталкивания, ибо для этого необходимо сообщить частицам громадную кинетическую энергию. Этого можно добиться путем создания очень высоких температур, измеряемых сотнями тысяч градусов. Максимальные температуры, которые можно получить в промышленных условиях, не превышают 3500–4000°, а в момент взрыва атомной бомбы в центре огненного шара возникают температуры порядка сотен миллионов градусов. Следовательно, для того чтобы бомба, основанная на реакции синтеза, подействовала, ее нужно снабдить специальным детонатором в виде атомной бомбы, которая обеспечит особые термические условия, необходимые для протекания процесса синтеза. Поэтому такие бомбы называются термоядерными.

Следует отметить, что высокие температуры порядка 300–500 тыс. градусов, требующиеся для соединения ядер легких элементов, можно получить и другими способами, например путем применения кумулятивных зарядов (этот способ, по-видимому, применяется русскими), посредством разряда в редких газах или при помощи устройства, использующего силу ударной волны (этот способ рекомендуют англичане).

Две первые ядерные бомбы, основанные на делении ядер, были сброшены в конце второй мировой войны на японские города Хиросиму (6 августа 1945 года) и Нагасаки (три дня спустя).

В результате взрыва бомбы над Хиросимой из 240 тыс. жителей города 70 тыс. погибло и 70 тыс. было ранено, что в общей сложности составляло около 60 % населения. Что касается материального ущерба, то из имевшихся в городе 90 тыс. зданий 60 тыс., или примерно 66 %, были приведены в негодное состояние. Площадь зоны разрушений составила 12 км

2

(площадь города была равна 25 км

2

).

Вторая атомная бомба, сброшенная на Нагасаки 9 августа 1945 года, причинила не такой большой ущерб, что объясняется, с одной стороны, особенностями рельефа (в отличие от Хиросимы, которая лежит на равнине, город Нагасаки расположен на холмах), а с другой — временем бомбардировки (в Хиросиме атомная бомба взорвалась в 8 час. утра, когда большинство жителей находилось на улицах, направляясь к месту работы, в то время как в Нагасаки атомный взрыв произошел в 11 часов, и часть населения, заблаговременно оповещенная сигналом тревоги, успела укрыться в убежищах).

По официальным данным, в Нагасаки из общего числа жителей 265 тыс. человек было убито 35 тыс. и ранено 4–5 тыс., то есть пострадало 20 % населения. Было разрушено 20 тыс. зданий из 57 тыс., или более третьей части города.

Однако как бы огромны ни были эти цифры, они не являются рекордными в области разрушений.

Так, например, в результате ночного воздушного налета на Токио 7 марта 1945 года, в котором участвовало 280 американских самолетов, сбросивших 1670 т фугасных и зажигательных бомб, погибло около 80 тыс. человек, около 100 тыс. человек было ранено и все жилые постройки на площади 40 км

2

оказались совершенно уничтоженными.

Эта бомба весила 4 т. Она была сброшена бомбардировщиком Б-29 «Энола-Гей», имевшим на борту 11 человек экипажа, в девятом часу утра с высоты 6000 м. В течение 60 сек. бомба падала, после чего на высоте 600 м (некоторые называют цифру 300 м) произошел взрыв. Бомба была снабжена парашютом.

Сборка бомбы была произведена на острове Тиниан (Марианские острова), куда ее доставили в разобранном на четыре части виде (одна часть была доставлена по морю на крейсере, а три остальные — по воздуху).

Заряд бомбы состоял из урана 235 и весил около 20 кг. Дефект массы по подсчетам составил 1 г, что в переводе на энергию по формуле Эйнштейна дает 10

21

эрг, или 25 млн. квт-ч. Эта энергия примерно равна той, которая высвобождается при взрыве 20 тыс. т тринитротолуола (тротила), употребляемого в качестве взрывчатого вещества в бомбах и снарядах обычного типа. Поэтому можно сказать, что сброшенная на Хиросиму бомба, называемая иногда номинальной, имеет тротиловый эквивалент, равный 20 тыс. т.

Сравнение мощности ядерных бомб производится по их тротиловому эквиваленту. Он является всего лишь мерой, к которой привыкли специалисты и которую они применяют из-за отсутствия другой, более удобной единицы. Это вовсе не означает, что бомба с тротиловым эквивалентом в 20 тыс. т оказывает такое же действие, как 20 тыс. т тротила. Подсчитано, что такой же эффект дадут всего 2 тыс. т обычных тротиловых бомб или 200 десятитонных бомб.

Мы видели, что дефект массы в реакциях деления ядер составляет 0,1 %, следовательно, поскольку мы допускали, что в энергию превратился 1 г урана, расщеплению должен был подвергнуться 1 кг ядерного вещества. Принимая во внимание то обстоятельство, что критическая масса составляет 20 кг, можно сделать вывод, что 19 кг урана испарилось под действием высоких температур, возникших в момент взрыва. Значит, коэффициент использования ядерного взрывчатого вещества в бомбе, сброшенной на Хиросиму, не превышал 5 %, откуда можно сделать вывод, что она была плохой и «нерентабельной».

В момент воздушного атомного взрыва в небе в течение нескольких секунд наблюдается ослепительная вспышка, или «огненный шар», состоящий из газов, которые обладают громадным давлением и высокой температурой. Спустя секунду после взрыва радиус огненного шара достигает 300 

м.

Путем сравнительно несложных подсчетов специалисты установили, что температура в центре огненного шара достигает 200–300 млн. градусов, в то время как температура в центре Солнца, определенная по тем же формулам, не превышает 20 млн. градусов. Увеличиваясь в размерах и уменьшая интенсивность своего свечения, огненный шар поднимается вверх; при этом он увлекает за собой столб пыли и образует гигантское, высотой в несколько километров, грибовидное облако, характерное для каждого атомного взрыва.

Разумеется, человек не может позволить себе роскошь любоваться этим зрелищем, так как он рискует временно лишиться зрения.

Световое излучение при атомном взрыве по своей природе не отличается от обычного света: это электромагнитные волны, представляющие собой инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые излучения.

Эти излучения распространяются прямолинейно со скоростью света и действуют в течение очень короткого отрезка времени (порядка секунды). Излучение световой энергии огненным шаром происходит, так сказать, двумя волнами: вначале оно идет исключительно интенсивно, но это продолжается в течение очень малого промежутка времени; затем интенсивность излучения уменьшается, а его продолжительность увеличивается. В результате световое излучение оказывает двойное поражающее действие, к рассмотрению которого мы и переходим.

Атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, относилась к оружию взрывного действия, так как больше половины всей энергии взрыва (точнее, 60 %) выделилось в форме ударной волны. Нужно отметить, что ударная волна атомного взрыва действует в течение сравнительно продолжительного времени порядка одной или даже нескольких секунд, в то время как ударная волна обычного взрыва — лишь в течение миллионных долей секунды.

В месте взрыва создается область сверхвысокого давления, измеряемого, по-видимому, миллиардами атмосфер. Эта область распространяется во всех направлениях в форме ударной волны, образующейся в результате сжатия воздуха взрывными газами.

Следует различать прямое и косвенное действие ударной волны на людей.

а) При условии, разумеется, что человек не погибнет под обломками зданий, высокое избыточное давление во фронте ударной волны причинит ему увечье.

Как уже говорилось выше, первые ядерные бомбы были сброшены в августе 1945 года. В каких же размерах увеличилась с того времени их мощность?

Истекшие десять лет можно разделить на несколько периодов:

а) 1945–1949 годы.

Все бомбы, которые испытывались в этот период, были типа сброшенной на Хиросиму, то есть имели тротиловый эквивалент порядка 20 тыс. т. Следует отметить, что в этот период, точнее в сентябре 1949 года, была испытана первая русская атомная бомба. Следовательно, чтобы догнать Соединенные Штаты и изготовить атомную бомбу, России потребовалось четыре года.

Такие страны, как Соединенные Штаты Америки, Советский Союз и Великобритания, без сомнения, имеют большое количество ядерных бомб самой различной мощности. Иногда количество существующих ядерных бомб оценивается в несколько десятков тысяч.

Как же установить, что в том или ином месте произведен ядерный взрыв?

Вследствие своего неблагоприятного географического положения Япония больше, чем другие страны, испытывает последствия проводимых американцами и русскими атомных взрывов. Поэтому там, так же, впрочем, как и в Америке, осуществляется целая система контроля, позволяющая с довольно большой точностью определять время и место взрыва, а также тип испытанных бомб и их мощность.

Японские ученые осуществляют наблюдения за следующими пятью явлениями:

1) изменением атмосферного давления;

Устройство ядерных бомб постоянно совершенствовалось, а их мощность возрастала.

а) Типы бомб.

Как мы уже говорили, бомба, сброшенная на Хиросиму, в качестве заряда имела уран 235. Во всех остальных бомбах, основанных на делении ядер, насколько нам известно, применялся плутоний, получаемый из урана 238.

В сообщении, сделанном русскими в апреле 1956 года, говорилось об атомной бомбе с зарядом тория. По всей вероятности, речь шла об уране 233, получаемом из тория искусственным путем.

Атомные взрывы в Хиросиме и Нагасаки были реальным фактом, поэтому, говоря о размерах разрушений, причиненных этими взрывами, мы имеем дело с точными цифрами.

И наоборот, когда речь идет о действии более мощных бомб, например термоядерных, приводятся лишь приближенные цифры, к которым следует относиться совсем иначе. В первом случае данные являются математически точными, во втором — грубо приближенными, иногда фантастическими.

Адмирал Страусс, ведающий испытаниями американских ядерных бомб, часто ошибался в своих расчетах вдвое, а то и больше. Это лишний раз доказывает, что подход к реальным результатам атомных взрывов в Японии должен быть совсем иным, чем к результатам, полученным путем экстраполяции.

Образующийся в результате взрыва термоядерной бомбы огненный шар имеет гораздо большие размеры, чем при взрыве атомной бомбы. Радиус огненного шара термоядерной бомбы (в 2000 раз мощнее номинальной) спустя несколько секунд после взрыва достигает нескольких километров. Грибовидное облако, возникшее в результате взрыва 1 марта 1954 года, имело высоту порядка 40 км и максимальную ширину в верхней части около 160 км. Температура в центре шара, по мнению специалистов, была порядка миллиарда градусов.

Вопрос о распределении энергии термоядерного взрыва по поражающим факторам пока еще мало изучен.

При определении действия ударной волны обычно руководствуются следующей формулой: механическое действие взрыва, или действие ударной волны, пропорционально корню кубическому из мощности бомбы.

Как надо понимать эту формулу?

Кубический корень из 2000 равен примерно 13. Тогда из сказанного выше вытекает, что нужно взять числа, характеризующие действие ударной волны сброшенной в Хиросиме бомбы, и умножить их на 13. Получаются следующие данные:

— в радиусе 10 км все будет сметено с лица земли, за исключением некоторых особо прочных здании;

— в радиусе от 10 до 20 км будут частично или полностью разрушены внутренние части зданий, и во всей этой зоне нужно будет эвакуировать все оставшееся в живых население;

Для расчета действия светового излучения также существует формула: действие светового излучения пропорционально корню квадратному из мощности бомбы.

Квадратный корень из 2000 равен примерно 45. Если считать, что эта формула правильна, то для расчета поражающего действия светового излучения бомбы в 2000 раз мощнее номинальной нужно соответствующие данные номинальной бомбы умножить на 45. Тогда получится, что все незащищенные люди получат смертельные ожоги в радиусе 60 км.

К счастью, эта цифра слишком преувеличена. Мы уже говорили, что данные о поражении световым излучением по результатам взрыва в Хиросиме действительны только при очень хорошей видимости. Определяя воздействие светового излучения на объекты, расположенные на большом удалении от эпицентра взрыва, следует учитывать поглощение световой энергии молекулами входящих в состав воздуха газов и вводить соответствующий поправочный коэффициент. Последний составляет от 1/3 до 1/2. Интересно отметить, что раньше его считали равным 1/2 теперь же принимают равным 1/3. Другими словами, в настоящее время наблюдается тенденция к сокращению завышенных ранее цифр. Во всяком случае, действие светового излучения термоядерной бомбы, равной по мощности 2000 номинальных бомб, характеризуется следующими данными:

— в радиусе 20–30 км от эпицентра взрыва — смертельные ожоги;

— в радиусе 30–50 км — сильные ожоги.

Термоядерная бомба оказывает значительно большее радиоактивное воздействие, чем атомная бомба. Следует различать действие проникающей радиации и радиоактивное заражение местности и воздуха.

Действие проникающей радиации, образующейся в результате взрыва атомного детонатора, незначительно по сравнению с действием ударной волны и светового излучения. И наоборот, нейтронный поток, который при взрыве атомной бомбы незначителен по сравнению с гамма-излучением, при взрыве термоядерной бомбы имеет очень большую интенсивность.

Можно сказать, что в каждой данной точке доза гамма-излучения прямо пропорциональна мощности бомбы.

Наконец, при взрыве термоядерной бомбы возникает очень сильная наведенная радиоактивность. Она возникает в результате того, что огненный шар, увеличиваясь в размерах, обычно касается земли, за исключением тех случаев, когда взрыв происходит на большой высоте. Это является новой

[8]

и очень важной чертой, характеризующей взрыв термоядерной бомбы.