Han passat una mica més de dos mesos des del final de la pitjor guerra de la història de la humanitat. I així, el 16 de juliol de 1945, l'exèrcit nord-americà va provar la primera bomba nuclear, i un mes després, milers de residents de ciutats japoneses moren a l'infern atòmic. Des de llavors, les armes nuclears, així com els mitjans per portar-les als objectius, s'han millorat contínuament durant més de mig segle.
Els militars volien tenir a la seva disposició tant munició superpoderosa, escombrant ciutats i països sencers del mapa d'un sol cop, com d'ultrapetites que cabien en un maletí. Un dispositiu així portaria la guerra del sabotatge a un nivell sense precedents. Tant amb el primer com amb el segon hi va haver dificultats insuperables. El motiu d'això és l'anomenada massa crítica. Tanmateix, primer és el primer.
Un nucli tan explosiu
Per entendre com funcionen els dispositius nuclears i entendre el que s'anomena massa crítica, tornem a l'escriptori una estona. Des del curs de física de l'escola, recordem una regla senzilla: les càrregues del mateix nom es repel·len mútuament. Al mateix lloc, a l'institut s'explica als alumnes l'estructura del nucli atòmic, format per neutrons, partícules neutres iprotons carregats positivament. Però com és possible això? Les partícules carregades positivament estan tan a prop les unes de les altres que les forces repulsives han de ser colossals.
La ciència no és plenament conscient de la naturalesa de les forces intranuclears que mantenen junts els protons, tot i que les propietats d'aquestes forces s'han estudiat força bé. Les forces només actuen a distància molt propera. Però val la pena almenys una mica separar els protons a l'espai, ja que les forces repulsives comencen a prevaler i el nucli es trenca en trossos. I el poder d'aquesta expansió és realment colossal. Se sap que la força d'un mascle adult no seria suficient per contenir els protons d'un sol nucli de l'àtom de plom.
De què tenia por en Rutherford
Els nuclis de la majoria dels elements de la taula periòdica són estables. Tanmateix, a mesura que augmenta el nombre atòmic, aquesta estabilitat disminueix. És aproximadament la mida dels nuclis. Imagineu el nucli d'un àtom d'urani, format per 238 nuclids, dels quals 92 són protons. Sí, els protons estan en estret contacte entre ells i les forces intranuclears cimenten de manera segura tota l'estructura. Però la força repulsiva dels protons situats als extrems oposats del nucli es fa notable.
Què estava fent Rutherford? Va bombardejar els àtoms amb neutrons (un electró no passarà per la capa d'electrons d'un àtom i un protó carregat positivament no podrà apropar-se al nucli a causa de les forces repulsives). Un neutró que entra al nucli d'un àtom provoca la seva fissió. Dues meitats separades i dos o tres neutrons lliures es van separar.
Aquesta decadència, a causa de l'enorme velocitat de les partícules voladores, va anar acompanyada de l'alliberament d'una enorme energia. Hi havia un rumor que Rutherford fins i tot volia amagar el seu descobriment, per por de les seves possibles conseqüències per a la humanitat, però probablement això no és més que un conte de fades.
Llavors, què hi té a veure la massa i per què és crític
I què? Com es pot irradiar prou metall radioactiu amb un corrent de protons per produir una poderosa explosió? I què és la massa crítica? Es tracta d'aquests pocs electrons lliures que volen fora del nucli atòmic "bombejat", que, al seu torn, xocant amb altres nuclis, provocaran la seva fissió. Començarà una anomenada reacció nuclear en cadena. Tanmateix, llançar-lo serà molt difícil.
Comprova l'escala. Si agafem una poma a la nostra taula com a nucli d'un àtom, aleshores per imaginar el nucli d'un àtom veí, caldrà portar la mateixa poma i posar-la a la taula ni tan sols a l'habitació del costat, però… a la casa del costat. El neutró tindrà la mida d'una llavor de cirera.
Per tal que els neutrons emesos no s'allunyin en va fora del lingot d'urani, i més del 50% d'ells trobin un objectiu en forma de nuclis atòmics, aquest lingot ha de tenir la mida adequada. Això és el que s'anomena massa crítica de l'urani, la massa a la qual més de la meitat dels neutrons emesos xoquen amb altres nuclis.
De fet, passa en un instant. El nombre de nuclis dividits creix com una allau, els seus fragments es precipitan en totes direccions amb velocitats comparables ala velocitat de la llum, l'aire lliure, l'aigua, qualsevol altre mitjà. A partir de les seves col·lisions amb molècules ambientals, l'àrea de l'explosió s'escalfa a l'instant fins a milions de graus, irradiant calor que ho incinera tot en una àrea de diversos quilòmetres.
L'aire escalfat sobtadament s'expandeix de mida a l'instant, creant una potent ona de xoc que expulsa els edificis dels fonaments, bolca i destrueix tot el que hi ha al seu pas… aquesta és la imatge d'una explosió atòmica.
Com es veu a la pràctica
El dispositiu de la bomba atòmica és sorprenentment senzill. Hi ha dos lingots d'urani (o un altre metall radioactiu), cadascun dels quals és lleugerament inferior a la massa crítica. Un dels lingots es fa en forma de con, l' altre és una bola amb un forat en forma de con. Com podeu endevinar, quan les dues meitats es combinen, s'obté una bola, en la qual s'assoleix la massa crítica. Aquesta és una bomba nuclear simple estàndard. Les dues meitats es connecten amb la càrrega TNT habitual (el con es dispara a la pilota).
Però no us penseu que ningú pot muntar un dispositiu així "al genoll". El truc és que l'urani, perquè una bomba exploti, ha de ser molt pur, la presència d'impureses és pràcticament nul·la.
Per què no hi ha una bomba atòmica de la mida d'un paquet de cigarrets
Tot pel mateix motiu. La massa crítica de l'isòtop més comú de l'urani 235 és d'uns 45 kg. Una explosió d'aquesta quantitat de combustible nuclear ja és un desastre. I fer un artefacte explosiu amb menysla quantitat de substància és impossible, simplement no funcionarà.
Per la mateixa raó, no va ser possible crear càrregues atòmiques súper poderoses a partir d'urani o d' altres metalls radioactius. Per tal que la bomba fos molt potent, es va fer amb una dotzena de lingots que, en detonar les càrregues detonants, es precipitaven cap al centre, connectant-se com rodanxes de taronja.
Però què va passar realment? Si, per alguna raó, dos elements es van trobar una mil·lèsima de segon abans que els altres, la massa crítica s'aconseguia més ràpidament que la resta "arribaria a temps", l'explosió no es va produir a la potència que esperaven els dissenyadors. El problema de les armes nuclears súper poderoses només es va resoldre amb l'arribada de les armes termonuclears. Però aquesta és una història una mica diferent.
Com funciona un àtom pacífic
Una central nuclear és essencialment la mateixa bomba nuclear. Només aquesta "bomba" té elements de combustible (elements de combustible) fets d'urani situats a certa distància els uns dels altres, la qual cosa no els impedeix intercanviar "atac" de neutrons.
Els elements de combustible es fabriquen en forma de barres, entre les quals hi ha barres de control fetes d'un material que absorbeix bé els neutrons. El principi de funcionament és senzill:
- barretes reguladores (absorbents) s'insereixen a l'espai entre les barres d'urani: la reacció s'alenteix o s'atura del tot;
- S'eliminen barres de control de la zona: els elements radioactius intercanvien neutrons activament, la reacció nuclear continua amb més intensitat.
De fet, resulta la mateixa bomba atòmica,en què la massa crítica s'assoleix amb tanta fluïdesa i està regulada de manera tan clara que no condueix a una explosió, sinó només a escalfar el refrigerant.
Tot i que, malauradament, com mostra la pràctica, no sempre el geni humà és capaç de frenar aquesta energia enorme i destructiva: l'energia de la desintegració del nucli atòmic.
