Можно ли уничтожить атом
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Добавить в закладки
Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете
Подпишитесь на нашу рассылку и получайте новости о последних проектах, мероприятиях и материалах ПостНауки
Почему ученые озабочены проблемой атома?
Никто на самом деле не знает, какие именно процессы происходят внутри атома. Единственное, что остается достоверно известным — это то, что электроны носятся вокруг орбиталей во внешней оболочке атома, образуя большое количество пустого пространства, в центре которого располагается ядро из протонов и нейтронов. Собираясь вместе, протоны и нейтроны придают атому уникальные свойства, определяющие в дальнейшем те или иные качества вещества, которое может быть как кислородом или водородом, так и железом или ксеноном. Согласно статье, опубликованной на портале livescience.com, в настоящее время все еще остается неизвестным то, каким именно образом протоны и нейтроны ведут себя внутри атома. Кроме того, проведенные эксперименты показали, что протоны и нейтроны, расположенные внутри ядра, кажутся гораздо больше, чем они являются на самом деле. С чем же связаны подобные свойства и как их можно применить на практике?
Загадка работы атома до сих пор остается неразгаданной
Как устроен атом?
Как вам может быть известно, протоны и нейтроны, расположенные внутри атома, состоят из мельчайших частиц, называемых кварками, взаимодействия между которыми настолько сильны, что их не может деформировать никакая внешняя сила. Джеральд Миллер, физик-ядерщик из Вашингтонского университета считает, что нуклоны, которые образуются при слиянии протонов и нейтронов, имеют внутри себя очень малое количество энергии. Когда в 1983 году физики из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) заметили, что пучки электронов отталкивались от железа отличным от свободных протонов образом, они пришли к выводу, что проблема размера заставляет протоны и нейтроны внутри тяжелых ядер действовать так, как будто они имеют намного большие размеры. Данное явление было названо эффектом ЭМС в честь группы, которая случайно его обнаружила.
Кварки — мельчайшие обнаруженные частицы во Вселенной
В то время как кварки — особые частицы, составляющие нуклоны, взаимодействуют между собой внутри отдельного протона и нейтрона, кварки, расположенные в разных протонах и нейтронах, не могут настолько же активно взаимодействовать друг с другом. Вместе с тем, из-за того, что около 20% нуклонов в ядре фактически находится вне своих орбиталей, взаимодействие между ними происходит гораздо более энергично, чем обычно. Данное явление возникает потому, что кварки способны проникать сквозь стенки нуклонов, вызывая разрушение стенок внутри отдельных протонов и нейтронов.
Несмотря на то, что данная теория взаимодействий звучит очень правдоподобно, эксперты полагают, что гипотеза не до конца решает проблему атомного ядра, предлагая заменить ее так называемой квантовой хромодинамикой или системой правил, управляющих поведением кварков. Трудность в решении данной задачи кроется в низком уровне современных технологий, которые не позволяют провести крайне сложные хромодинамические вычисления, необходимые для подтверждения теории.
Для того, чтобы не терять столь ценный ресурс понапрасну, вы можете подписаться на наши каналы в Яндекс.Дзен и Telegram и поделиться своим мнением по поводу данной статьи в нашем чате.
Тем не менее, эффект ЭМС уже сейчас может помочь при прояснении некоторых важных вопросов современной квантовой физики. Поможет ли внедрение суперкомпьютеров для решения проблемы атома? Пожалуй, время покажет.
Как умирают атомы?
Атомы живут довольно бурной жизнью. Они могут возбуждаться и снимать возбуждение излучением (почти как люди). Если их чрезвычайно сильно возбудить, они ионизируются, теряя в зависимости от степени возбуждения, свои электронные оболочки вплоть до голого состояния в форме ядра атома (бывает и у людей такое). Но это не проблема для атома и при первой же возможности на голое ядро слетится необходимое количество электронов и атом снова перейдёт в основное состояние. Атомы могут входить в долговременные и кратковременные химические связи с другими атомами и молекулами (совсем как люди). Они вечно вертятся, вибрируют, излучают, сталкиваются электростатическими полями с другими атомами и все это происходит с гигантскими скоростями. Безумно занятый в общем народ эти атомы. А может часы у них так быстро тикают — в квадриллионы раз быстрее наших.
Почти вся масса атома (99,95%) заключена в центре и занимает ничтожную часть (1/1000000000000000) объёма атома. Весь обьём атома заполнен электростатическим полем.
Рождаются атомы в звёздах. Это фабрики (роддомы Вселенной) по синтезу ядер (рождению и перерождению) вплоть до ядер атомов железа-никеля. Более массивные ядра (атомы) рождаются при взрывах сверхновых звёзд или столкновениях нейтронных звёзд.
Но вот чего атомы не умеют, так это умирать. Рождённые в звездах — не умирают. И помогает им в их вечной жизни закон сохранения барионного числа — один из фундаментальных законов природы.
Немного истории
Уже на тот момент Гейзенберг понимал, что существуют два способа освободить энергию уранового ядра: помещение строго определенной массы урана в «урановую топку» (атомный реактор) и освобождение энергии путем взрыва. В первом способе использовалась смесь урана с веществами, играющими роль замедлителя «быстрых нейтронов», поскольку полученные в процессе реакции деления нейтроны с определенной энергией хорошо поглощаются ураном. Во втором способе предполагалось использование редкого изотопа урана-235, который, по мнению некоторых ученых, позволял добиться самого высокого выхода энергии в процессе деления на так называемых «тепловых нейтронах». В 1939 году Гейзенберг представил секретный отчет, в котором в качестве замедлителей предлагались углерод и тяжелая вода. Но в 1940 году из-за экономических причин было принято решение остановиться на последней (В оккупированной Норвегии существовало необходимое производство).
Манхэттенский проект
Перл-Харбор 7 декабря 1941 года
17 июня 1942 года Вэнивар Буш, руководитель Управления научных исследований и разработок США, представил президенту доклад, в котором излагался план расширения проекта по созданию атомной бомбы. Большое внимание в докладе уделялось урану-235 и плутонию-239, а также способам получения делящихся веществ. С этого момента начался «Манхэттенский проект» — кодовое название программы США по созданию атомной бомбы (официальная дата начала 17 сентября 1942 года). Проект возглавил генерал Лесли Гровс. Руководить научной частью проекта предложили профессору Роберту Оппенгеймеру. Первоначальные исследования сконцентрировались на изучении особенностей протекания цепной реакции деления ядра. Для осуществления реакции требовалось достаточное количество делящегося материала. Перспективными направлениями в этой области считались получение урана 235 путём обогащения природного урана и наработка плутония-239 путем облучения природного урана-238 нейтронами, поэтому работа над обоими направлениями велась параллельно.
Приложение доклада Буша Рузвельту. Источник — sciencephoto.com
2 декабря 1942 года успешно завершилась демонстрация самоподдерживающейся цепной реакции на первом ядерном реакторе, построенном под руководством Энрико Ферми. На сооружение ушло около 46 тонн урана и около 385 тонн графита. К 1945 году было создано три бомбы: плутониевая «Штучка» (взорвана во время испытания «Тринити»), урановый «Малыш» (сброшена на Хиросиму 6 августа 1945 года) и плутониевый «Толстяк» (сброшена на Нагасаки 9 августа 1945 года). Ниже представлены характеристики сброшенных на Японию бомб:
| Название бомбы | Оригинальное название | Масса, кг | Длина, мм | Диаметр, мм | Мощность взрыва, килотонны ТНТ | Наполнение |
| Малыш, L-11 | Little Boy | 4400 | 3000 | 700 | 13-18 | Уран-235 |
| Толстяк | Fat Boy | 4670 | 3250 | 1250 | 21 | Плутоний-239 |
Советская атомная бомба
28 сентября 1942 года было принято постановление «Об организации работ по урану». Эта дата считается началом советского ядерного проекта. Весной следующего года для разработки атомной бомбы была сформирована Лаборатория №2 АН СССР. Выбор руководителя новой структуры осуществлялся на самых верхах: из пятидесяти фамилий в списке кандидатур Лаврентий Берия выбрал Игоря Курчатова. 9 апреля 1946 года было принято постановление о создании КБ при Лаборатории №2.
Постановление «Об организации работ по урану». Источник — school.rusarchives.ru
Советский прототип атомной бомбы получил название РДС-1. Изделие представляло собой устройство мощностью 22 килотонны. Для того, чтобы догнать США, ушедшие вперед в области ядерных технологий, и установить паритет, было принято решение идти путем копирования американских прототипов. Научно-техническую информацию об американских атомных бомбах получили разведывательным путем. Конструкция РДС-1 во многом опиралась на американского «Толстяка». Толстяк работал на основе распада плутония-239 и имел имплозивную схему подрыва: по периметру делящегося вещества взрываются заряды, которые создают взрывную волну, сжимающую вещество в центре и инициирующую цепную реакцию. Некоторые элементы системы РДС-1, такие как баллистический корпус и электронная начинка, были своими.
Ядерное разоружение
На фоне развития атомных технологий в конце первой половины 20-го века, одной из первых резолюций ООН стало учреждение 24 января 1946 года комиссии для рассмотрения проблем, возникших в связи с открытием атомной энергии. Задачей комиссии была выдача рекомендаций(!) по, как уже было сказано, проблемам использования атома. Первоочередными были следующие вопросы:
Первая резолюция ООН от 24 января 1946 года. Источник — undocs.org
8 декабря 1953 прозвучала одна из первых речей (со стороны государства с ядерным оружием) с призывом отказаться от бессмысленной гонки вооружения — «Атом для мира» Дуайт Дэвид Эйзенхауэр(США). Эта речь была частью проводимой в то время в США медиа-кампании «Операция откровенность». До этого момента тема атомных технологий была окутана пеленой, и данная кампания была направлена на просвещение американского общества о ядерном будущем.
«… Я чувствую себя вынужденным говорить сейчас на языке, который до некоторой степени для меня нов, — на языке, к которому я, проведший всю мою жизнь на военной службе, предпочел бы никогда не прибегать. Этот новый язык — это язык атомной войны.» — выдержка из речи Эйзенхауэра.
В тоже время стоит отметить, что в период президентства Эйзенхауэра ядерные запасы США выросли в 20 раз (с 1000 до 20000), что ставит искренность речи под вопрос.
Почтовая марка с тезисом кампании. Источник — uatom.org
*Год заключения/вступления в силу
А что сегодня?
«Ядерный клуб»
Инфографика мировых ядерных запасов. Данные взяты с журнала «Бюллетень ученых-атомщиков«, основа для картинки с этого сайта.
Расположение российских МБР. Данные взяты из отчета о ядерном оружии в России за 2021 год. Около каждого отмеченного города находится несколько пусковых установок, вплоть до 6, как в Татищево.
«Ядерная триада»
Боевой железнодорожный ракетный комплекс в музее Октябрьской железной дороги, Санкт-Петербург. Источник — Википедия.
Методы противодействия
Кратчайшая траектория между Россией и США проходит через северный полюс
Полёт МБР состоит из 3-х фаз: взлёт, полёт за пределами атмосферы и вход в атмосферу. Системы ПРО условно можно разделить на три группы по фазе полета, на которой предполагается уничтожение ракеты с помощью другой ракеты — противоракеты.
Перехват во время взлёта
В момент взлёта и разгона МБР наиболее уязвима. С технической точки зрения это наиболее оптимальный момент для перехвата ракеты: относительно низкая скорость, довольно крупная и, главное, заметная для систем наведения цель, отсутствие различных «обманок» — ложных целей, а также факт того, что уничтожение ракеты приведет к уничтожению всех боеголовок. Но подобная уязвимость компенсируется комплексом систем преодоления ПРО (КСП ПРО), наземными системами защиты, и запуском ракеты из глубинных регионов страны. На взлете КСП ПРО заключается в маневрировании, защите от сторонних факторов (в том числе поражающих факторов ядерного взрыва), а также вращении. При этом на перехват ракеты имеется от одной до трех минут, что подразумевает необходимость размещения про в непосредственной близости к месту запуска, например, на корабле. В теории возможен вариант с размещением системы ПРО в космосе, но при этом возникает вопрос, насколько такое решение будет правомерным с точки зрения договора о космосе 1967 года. Также такая система ПРО, перехватывающая на ракету взлёте, по очевидным причинам не сможет противостоять запускам с подлодок. В общем, при всей уязвимости МБР во время взлета, для успешного перехвата необходимо знать местоположение ракеты, а также разместить поблизости систему ПРО, что если не невозможно, то крайне затруднительно.
Взлёт межконтинентальной баллистической ракеты 15Ж65 Тополь-М. Источник — missilery.info
Перехват за пределами атмосферы
Следующая стадия полета длится от 10 до 20 минут, что позволяет размещать системы ПРО в большем удалении, а также потратить больше времени на реакцию и решение, в случае возможной ложной тревоги. Ну, собственно, положительные аспекты сложившейся ситуации закончились. После выхода из атмосферы, боевые блоки МБР отделяются от ускорителя и движутся по инерции. Также продолжает работу КСП ПРО: создаёт ложные цели, различные помехи. Для большей незаметности ядерные боеголовки экранируются, становясь менее заметными для ПРО. Большое количество МБР выводит головную часть с несколькими ядерными боеголовками, так что у системы ПРО не одна потенциальная цель, а несколько. Подобная техническая сложность вкупе с необходимостью сбивать цель за пределами атмосферы соответствующим образом сказывается на стоимости.
Схема работы МБР за пределами атмосферы. Источник — militaryarms.ru
Перехват во время входа в атмосферу
Завершающая стадия полета ядерной боеголовки и последний шанс для ПРО перехватить её. Во время входа в атмосферу боеголовка находится в непосредственной близости от своей цели, что позволяет развертывать системы ПРО прямо на своей территории. Также при входе в атмосферу ложные цели выдадут себя (легкие цели сильнее тормозят при входе в атмосферу) и эффективность КСП ПРО сильно снизится. Однако эта стадия полёта явно не может похвастаться своей продолжительностью, поэтому действовать придется быстро. А если на цель направлено большое количество ядерных боеголовок, то поблизости может не хватить противоракет. При этом, стоимость таких ракет будет заметно ниже, чем в предыдущем пункте.
Современные системы ПРО
Как и 60 лет назад, сегодня системы стратегической противоракетной обороны могут обеспечить защиту лишь от малого количества ракет, причем речь идет о морально устаревших технологиях. Сейчас только 3 страны занимаются стратегическими ПРО: Китай, Россия и США. В Китае на данный момент работают над несколькими противоракетами, причем одна из них совершила успешный перехват в 2013 году, а другая сбила китайский спутник. При этом только США и Россия имеют развернутые системы ПРО.
Передвижной противоракетный комплекс THAAD. Источник — ferra.ru
В России под защитой стратегической ПРО находится только Москва и частично Московская область. Система ПРО «А-135» была принята на вооружение в 1995 году и включает в себя командно-вычислительный центр, 68 противоракет ближнего перехвата 53Т6 и радиолокационную станцию Дон-2Н в Софрино. Там же расположена 9-я дивизия ПРО, управляющая А-135. Также до 2002-2003 года на вооружении находились противоракеты дальнего перехвата 51T6 с ядерной боеголовкой, но в связи с истечением срока службы были сняты с вооружения. Ходят разные слухи о дальнейшей судьбе этих противоракет (например, развертывание близ Солнечногорска), но какого-либо подтверждения данной информации нет. В теории, 51Т6 должен был производить перехват посредством ядерного взрыва на второй стадии полёта МБР. 53Т6, в отличии от старшего брата, совершает перехват на последней стадии, при входе боеголовки в атмосферу. В 2016 году начались испытания новой системы — «А-235».
Запуск ядерного оружия
Дональд Трамп со своим помощником
Россия
Ядерный чемоданчик Ельцина. Источник — rbc.ru
Великобритания
Борис Джонсон — премьер-министр Великобритании
Франция
Конституция Франция 1791 года
Китай
Про принятие решений по ядерному оружию в Китае известно не слишком много. Есть информация от 2004 года о том, что решением таких вопросов занимается Центральный военный комитет, в который входят 11 высших чинов и партийных руководителей во главе с председателем, которым является генеральный секретарь ЦК Коммунистической партии Китая.
Индия
Для решения ядерного вопроса в Индии было создано управление ядерного командования(NCA) в 2003 году. Возглавляет его премьер-министр Индии.
Пакистан
Государственная организация, уполномоченная принимать решения по ядерному вопросу в Пакистане — это Национальное командование Пакистана(NCA). Возглавляет его также, как и в Индии, премьер-министр.
КНДР
Израиль(?)
Дискуссионные вопросы о ядерном оружии
Ядерная зима
Одним из распространенных аргументов критиков ядерной зимы является тот факт, что в мире за период с 1945 по 1998 гг. было произведено около 2000 ядерных взрывов различной мощности в атмосфере и под землей, что в совокупности равно эффекту затяжного полномасштабного ядерного конфликта. В качестве контраргумента можно привести то, что ядерные испытания имеют фундаментальные отличия от обмена ударами:
Достоверность концепции ядерной зимы пошатнулась накануне операции «Буря в пустыне», когда К. Саган утверждал, что выбросы нефтяной сажи от горящих скважин приведут к сильному глобальному похолоданию на 2.5 градуса — «году без лета» по образцу 1816 г. В действительности после Первой войны в Персидском Заливе ежедневное выгорание 3 млн баррелей нефти и до 70 млн кубометров газа на протяжении года оказало на климат очень ограниченный эффект.
Непоправимый ущерб
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
Стабильность нейтрона в атомном ядре
Факт, ставящий в тупик многих из тех, кто впервые изучает природу обычной материи – то, что в ядре любого атома тяжелее водорода содержатся как протоны, так и нейтроны, но при этом нейтроны распадаются (дезинтегрируются в другие частицы) в среднем за 15 минут! Как же могут ядра углерода, кислорода, азота, кремния быть настолько стабильными, если нейтроны, из которых они состоят, не могут выживать сами по себе?
Ответ на этот вопрос оказывается очень простым после того, как вы поймёте, как работает энергия: это чистая бухгалтерия. Но понять энергию вовсе не просто. Для начала нужно прочесть статью о видах энергии. А до этого необходимо ознакомиться со статьёй об энергии, импульсе и массе. Эти концепции нужно представлять перед тем, как понять ответ на заданный вопрос.
Если вы прочли статью об энергии взаимодействия, вы знаете, что атом водорода состоит из протона и электрона, которые, из-за отрицательной энергии связи, неспособны убежать друг от друга – они заперты внутри атома. Отрицательная энергия связи происходит из отрицательной энергии взаимодействия, частично сбалансированной положительной энергией движения электрона (и немного – протона). Энергия взаимодействия происходит из воздействия электрона на электрическое поле близ протона (и наоборот).
В этой статье я объясню, почему нейтрон стабилен в следующем по простоте ядре атома: дейтроне, ядре «тяжёлого водорода» или «дейтерия». Дейтрон состоит из одного нейтрона и одного протона – в принципе просто, и не слишком отличается от атома водорода с одним электроном и одним протоном. Поняв, почему нейтрон стабилен в дейтроне, вы поймёте основной принцип, по которому нейтроны могут быть стабильны внутри всех стабильных ядер. Суть в следующем: энергия взаимодействия протонов и нейтронов отрицательная, и достаточно большая, поэтому в некоторых ядрах распад нейтрона привёл бы к росту энергии системы (состоящей остатков ядра после его распада и всех испущенных при распаде частиц), что нарушило бы закон сохранения энергии. Поскольку энергия должна сохраняться, распад невозможен.
К счастью, нам эти сложности не нужны. Нам нужно знать, что эти силы создают отрицательную энергию взаимодействия для системы из протона, нейтрона и различных сложных полей, позволяющих им влиять друг на друга. В результате получается стабильный дейтрон. Так же, как атом водорода не может внезапно распасться на электрон и протон, дейтрон не может внезапно распасться на нейтрон и протон.
Это не означает, что дейтрон или атом водорода нельзя уничтожить. Можно «ионизировать» атом водорода (выбить электрон у протона), если добавить внешнюю энергию – в виде, допустим, достаточно энергичного фотона. Тот же метод можно использовать для разбивания дейтерия и выбивания нейтрона у протона. Но энергию для этого нужно получить вне системы; ни водород, ни дейтрон самостоятельно распадаться не будут.
Нейтрон может распадаться
Давайте вспомним необходимое (но не достаточное) условие для распада объекта – масса начального объекта должна превосходить сумму масс объектов, на которые он распадается. Откуда берётся это условие? Из закона сохранения энергии. Скоро мы увидим, как и почему (как обычно, под массой я понимаю «массу покоя»).
Проверим, что это условие выполняется для нейтрона, который может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад показан на рис 2; нейтрон спонтанно превращается в три эти частицы. Нейтрон и протон на самом деле больше по размеру, чем электрон и антинейтрино – хотя рисунок всё равно сделан не в масштабе. Диаметр нейтрона или протона составляет примерно одну миллиардную триллионной доли метра (в 100 000 раз меньше атома), а про диаметр электрона или нейтрино известно, что он как минимум ещё в 1000 раз меньше этого.
Многоточие говорит о том, что это не точное значение, но пока нам не нужна большая точность. Значит, энергия массы нейтрона
После распада нейтрона какой будет энергия всей системы? Поскольку энергия сохраняется, а извне энергии не поступало, то энергия системы будет равна тому же самому — 0,939565… ГэВ!
Но как она распределится?
Во-первых, у нас не будет энергии взаимодействия. Это не очевидно, но очень важно. Когда протон, электрон и антинейтрино разлетаются, энергия их взаимодействия становится пренебрежимо малой.
Во-вторых, у каждой из частиц есть энергия массы. Сколько её там?
• Энергия массы протона – 0,938272… ГэВ.
• Энергия массы электрона – 0,000511… ГэВ.
• Энергией массы антинейтрино можно пренебречь, настолько она мала.
И это хорошо, поскольку масса нейтрино нам пока неизвестно. Мы знаем, что она, по крайней мере, гораздо меньше, чем 0,000001 ГэВ.
Итоговая масса-энергия получается равной
(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) ГэВ = 0,938783… ГэВ
Что меньше энергии массы нейтрона, с которой мы начали, на 0,000782… ГэВ. Пока что мы не видим, как она сохраняется. Энергия массы нейтрона не полностью превратилась в энергию массы протона, электрона и нейтрино. Излишки энергии на рис. 3 показаны жёлтым.
Разницу можно восполнить при помощи энергии движения. Она всегда положительна. Нам нужно только распределить лишние 0,000782… ГэВ между движениями частиц так, чтобы сохранялся импульс системы (поверьте мне, это возможно). Тогда энергия будет сохранена, поскольку энергия массы нейтрона превратилась в энергию массы и энергию движения протона, электрона и нейтрино.
Я не указал точное количество энергии движения, отошедшее протону, электрону и нейтрино, поскольку в каждом из случаев распада нейтрона энергия будет распределяться по-разному, просто случайным образом (такова квантовая механика). Только общая энергия движения будет всегда одной и той же, 0,000782… ГэВ.
Дейтрон стабилен
Энергия массы дейтрона = 1,875612… ГэВ =
• Энергия массы протона + энергия массы нейтрона,
• Энергия движения протона + энергия движения нейтрона,
• Энергия взаимодействия (отрицательная, и больше по модулю, чем энергия движения).
