Атомная бомба

Атомная бомба

Более впечатляющим примером превращения массы в энергию может служить атомная бомба, где утрачиваемая масса превращается в энергию. Количество энергии, образующейся в результате потери крохотной массы, может быть очень большим, поскольку в формуле E = mc² скорость света c представляет собой такое большое число.

Теория относительности сделала физику весьма значительной, сильной и политичной: в преддверии Второй мировой войны она дала ученым идею атомной бомбы. Когда немцы первыми начали разрабатывать атомную бомбу, испуганные американские ученые стали прилагать все усилия, чтобы сделать ее первыми. Все остальное – не только история, но и сегодняшняя политика. Сегодня почти любая страна способна создать атомную бомбу и управлять миром. Атомная энергия может вырабатывать электричество, а также уничтожить человеческую жизнь. Теперь давайте начнем изучать эту энергию.

Вот как можно вычислять и извлекать энергию, связанную в материи. Пусть греческая буква дельта (?) означает изменение количества чего-либо. Согласно Эйнштейну, изменение массы означает изменение энергии в соответствии со следующей формулой.

?Е = ?m ? с²

Это уравнение показывает, что для получения большого количества энергии требуется немного массы. Из этого же уравнения также следует, что для получения даже крохотной частицы материи требуется гигантская энергия. Сегодня мы не используем энергию для создания материи, поскольку не имеем в своем распоряжении достаточно энергии; пока это для нас слишком дорого. Но уравнение показывает, что если бы мы имели доступ к огромным количествам энергии, то со временем могли бы создавать материи, быть может, даже целые планеты!

Формула ?Е = ?m ? с² составляет суть атомной бомбы. Чтобы сделать атомную бомбу, или высвободить атомную энергию со всеми связанными с ней проблемами, берут тяжелый атом, наподобие урана, и разбивают его на части. Если с атомом урана сталкивается другая частица, он распадается на пучок более мелких частиц. Однако то, как он распадается, носит особый характер. Он не просто распадается, но и излучает, а потому теряет энергию в форме излучения. Химическое уравнение распада урана

Уран = 3 атома меньшей массы + E (тепло + излучение) + 2 нейтрона

означает, что масса атома урана превращается в три меньших атома, энергию (тепло и излучение) и 2 нейтрона, которые улетают прочь. Если поблизости есть другие атомы урана, то нейтроны, освобождающиеся при распаде первого атома урана, сталкиваются с другими атомами, и возникает цепная реакция: один распад вызывает другие, подобно тому как при фейерверке одна шутиха может воспламенять другие, если они находятся рядом. Таким образом, один атом урана порождает другие атомы, частицы и излучение. А бомбардировка одного атома урана нейтроном освобождает другие нейтроны и происходит цепная реакция. Это и происходит в атомной бомбе.

Рис. 33.1 Цепная реакция атомной бомбы

Ключ к количеству энергии, высвобождаемой в каждой реакции, лежит в том факте, что суммарное количество массы двух маленьких нейтронов в сочетании с тремя меньшими атомами не вполне соответствует общей массе первоначального атома урана. Иными словами, масса урана больше, чем масса трех меньших атомов и двух нейтронов. Во время этой бомбардировки теряется масса.

Теряющаяся масса освобождается в виде гигантского количества тепла и ужасного количества радиации. Один атом зажигает другие, и получается один из самых творческих, динамичных и смертельных процессов во Вселенной.

Возможно, вас удивляет, как несколько столкновений между маленькими невидимыми вещами могут порождать столь большие изменения энергии. Если вы бьете по дереву, то получаете только вмятину, а если вы сжигаете дерево, то получаете немного тепла и много угля.

Ответ состоит в том, что удары по дереву воздействуют только на связи между молекулами в древесине, а не на строение атомов, из которых состоят молекулы. Вспомните, что молекулы – это группы атомов, удерживаемые вместе электрическими притяжениями. Удар по дереву влияет только на то, как эти молекулы держатся вместе. Удар добавляет энергию к их взаимному расположению, но это просто немного нагревает дерево или перестраивает это расположение в форме вмятины.

По контрасту с химическими реакциями, в которых материя преобразуется в другие материальные формы без потери массы, при распаде атомов, как, например, атомов урана, происходит потеря действительной массы. Химические реакции меняют расположение атомов в молекулах, но атомные реакции, разбивающие атомы на части, могут вести к потере массы.

Итак, Эйнштейн утверждал, что пространство-время и материя взаимосвязаны, что пространство и время больше нельзя отделять друг от друга, и что масса и энергия тоже имеют одну и ту же сущность.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.