Плутоний. Так по легенде зва… Так, стоп. В сегодняшней статье мы постараемся обойтись без глупых, по мнению некоторых комментаторов, шуточек, которые встречались в недавнем материале про металл под названием технеций. Потому что плутоний – это серьёзно. Итак, начнём.
Редкий плутоний
Химический элемент плутоний был открыт в 1940 году. Это сделали американские учёные Сиборг, Кеннеди, Макмиллан и Валь. В природе этот металл практически отсутствует. И лишь в некоторых урановых рудниках обнаруживаются его следы. Если бы у Вас в руках вдруг оказался кусочек плутония, то Вы наверняка бы заметили, что он имеет серебристо-белый цвет. А если бы рядом с Вами находился счётчик Гейгера, например, то Вы бы наверняка заподозрили, что плутоний радиоактивен.
Учёные установили, что этот металл плавится при температуре 640º по Цельсию. И что его плотность крайне высока. Настолько высока, что если наполнить плутонием упаковку из-под молока объёмом в один литр, она имела бы массу не менее 19,8 килограмма! Однако мы никогда не смогли бы этого сделать. Потому что, если бы мы каким-то чудом насобирали на ближайших помойках такую массу, то моментально получили бы разрушительный ядерный взрыв. И такой взрыв, к сожалению, случался в истории человечества…
Печальный день Нагасаки
9 августа 1945 года в Нагасаки, портовом городе Японии, его население разрывалось на части между горечью поражения и надеждой на окончание войны. И когда завыли сирены воздушной тревоги, жители побежали к бомбоубежищам.
Через несколько мгновений в небе появился огромный самолёт. Какой-то мрачный бомбардировщик. Сумрачный жнец. И он сбросил на Землю тяжёлый чёрный предмет. Эта была атомная бомба. Внутри неё находился шар размером не больше кулака, сделанный из неизвестного широкой общественности материала.
Это был плутоний.
Через несколько секунд прямо из Земли вырос огромный «гриб». Унёсший, в итоге, 40 000 человеческих жизней. Те люди, которые не погибли в результате второго в истории ядерного взрыва, произошедшего в населённом городе, продолжали жить, отравленные безжалостной радиацией. Которая медленно убивала их тела….
За пять лет до того трагического дня никто на этой планете ничего не слышал о плутонии. Ведь до 1940 года его практически не существовало на Земле. Но человек создал его…
Философский камень
Двадцатый век несомненно войдёт в историю по многим причинам. И одна из них – достижение мечты, которую алхимики искали веками: философский камень. Согласно легендам, это вещество или субстанция имеет способность превращать одни химические элементы в другие. Эту мечту многие люди лелеяли с корыстным желанием. Они хотели превращать свинец в золото.
Однако, когда наука, наконец, открыла двери для такой возможности, она была использована вовсе не для создания золота. А для создания гораздо более дорогого и крайне редкого металла: плутония. Хотя этот странный металл, как это ни звучит парадоксально, отнюдь не приносит богатства.
Но как производится плутоний? Логично, что он не может появиться из ниоткуда. На это наука пока что не способна. Ясно, что его нужно производить из какого-то сырья. И в данном случае это ещё одно печально известное вещество: уран.
История производства плутония
1934 год. Итальянский физик по имени Энрико Ферми, то так, то сяк раскладывал на кровати резиновые мячики, закупленные им по акции в магазине Детский Мир. Он пытался понять, как именно сгруппированы протоны и нейтроны, образующие ядра атомов.
К тому моменту уже было известно, что протоны — это элементарные частицы (существование кварков ещё не было установлено), обладающие положительным электрическим зарядом. И было также известно, что электрические заряды одного знака отталкиваются друг от друга. И поэтому было вообще непонятно, какие именно силы удерживают протоны вместе в атомном ядре. Также было известно, что эти частицы находятся в ядрах вместе с другой частицей, нейтроном. Которая не имела никакого заряда. И было очевидно, что по какой-то неизвестной причине именно нейтроны хранили секрет стабильности атомных ядер.
Мысленный эксперимент
Ферми открыл банку с маринованными грибами, подаренную ему Карлосом Кастанедой. И, наколов на вилку, немного подержал во рту и после всё же после проглотил один маленький грибочек. Для начала мысленного эксперимента всё было готово.
Прищурившись, Энрико задал сам себе такой вопрос: что произойдёт, если ядра атомов урана начать бомбардировать нейтронами? Ведь эти частицы, не имеющие электрического заряда, могут без труда приблизиться к атомному ядру! Так зачем тянуть? Ферми сделал вот что: он взял из холодильника кусок хозяйственного урана, положил его на кухонный стол и принялся бомбардировать нейтронами.
И вскоре учёный обнаружил интересную вещь. Вдруг оказалось, что если нейтроны медленно-медленно, со скоростью гаснущего в кинотеатре света приближаются к ядрам, последние их поглощают. И вот они летят. Летят и летят. И летели бы вечно! Но. В какой-то момент произошло что-то странное. Увеличенное ядро урана вдруг, ни с того ни с сего начало выбрасывать электроны. С необычайно большой скоростью!
Эти электроны, как выяснилось позже, являлись одним из продуктов распада «лишних» нейтронов. В результате этого процесса количество протонов (которые тоже являются продуктом распада нейтронов) в ядре увеличилось. И уран заморгал, задымился, раздался громкий хлопок и всю комнату заволокло туманом. А когда туман рассеялся на столе лежал, поблёскивая, новенький неизвестный ранее химический элемент. Наш металл перестал быть ураном. Он превратился во что-то новое. Многовековая мечта алхимиков всего мира сбылась! Одно вещество было превращено в другое.
Парад планет
Потребовалось шесть лет, чтобы поймать непрерывно улыбающегося от счастья Энрико Ферми с куском нового металла в руках и идентифицировать этот новый элемент. И назвать его. Тут всё было прозрачно и просто. Поскольку название уран было присвоено металлу в честь планеты Уран, новый элемент был назван Нептунием в честь Нептуна. Всё логично.
Однако вся эта история только начиналась. Потому что выяснилось, что ядро нептуния нестабильно. И очень быстро претерпевает новую трансформацию. В результате которой появляется ещё один новый химический элемент. Он (по уже устоявшейся традиции) получил название Плутоний. В честь планеты (тогда ещё) Плутон.
Исследования продолжились. И учёные обнаружили, что плутоний имеет одну особенность: когда он поглощает нейтрон, он буквально взрывается! Скопление протонов и нейтронов в его ядре распадается на более мелкие части и свободные нейтроны. При этом высвобождается огромное количество энергии! Этот процесс известен сегодня любому школьнику как «ядерное деление».
Люди всего мира задавали другу один и тот же вопрос – но чем же может быть полезен для человечества подобный материал? Ответ не заставил себя долго ждать. И был одним из самых жестоких в истории человечества. Кто-то с чёрной душой, его имя теперь уже не имеет значения, вдруг решил, что раз плутоний взорвался на куски, это можно использовать для создания мощного оружия.
Ведь если несколько высвободившихся нейтронов поглотят другие атомы, то они тоже взорвутся! И, в свою очередь, выпустят ещё больше нейтронов! Которые тоже взорвутся и разрушат другие атомы! И так далее. То есть произойдёт цепная реакция с выделением огромного количества энергии!
И это может иметь ужасные последствия. Для тех, против кого применят подобное оружие.
Вскоре было обнаружено, что при небольшом количестве плутония или урана-235 цепная реакция не пойдёт. Потому что большая часть нейтронов, генерируемых разорвавшимися атомами, просто улетает в никуда. Так ничем и не поглотившись. Это происходит по той причине, что атомные ядра имеют крохотный размер. А относительные расстояния между ними огромны!
Критическая масса
Однако все мы знаем, что стрелять по одному воробью (или нет, воробья жалко, пусть это будет муха) – это не то же самое, что стрелять по стае мух. И если мух много, некоторые из них по любому получат по спине свой заряд картечи.
Таким же точно образом это работает и в случае с плутонием. Если собрать достаточное количество чистого плутония или урана-235 произойдёт невиданный по мощности взрыв! Это минимальное количество материала обозначается термином «критическая масса».
Теоретические расчёты показали, что такой проект вполне реализуем. И подобную бомбу действительно можно построить. Хотя, конечно, поначалу было непонятно, как безопасно набрать для взрыва критическую массу.
Первоначально для достижения критической массы использовались два метода. Первый заключался в разделении всей массы на две части и размещении этих частей на определённом расстоянии друг от друга. В этом случае бомба приводится в действие путём детонации обычных взрывчатых веществ, которые очень быстро соединяют обе половины. В результате чего и происходит ядерный взрыв.
Второй метод основан на том принципе, что масса меньше критической может взорваться при воздействии очень высокого давления. Именно такой вариант был выбран в случае с плутониевой бомбой. Её конструкция примерно такова: шарик, состоящий из плутония размером с яблоко, окружён взрывчатым веществом. Которое при детонации оказывают сильное давление на радиоактивный материал, вызывая начало цепной реакции.
На сегодняшний день это самый часто используемый способ детонации ядерного заряда.
Нет атомной войне!
Именно по такому принципу были построены первые атомные бомбы. И их разрушительная сила была продемонстрирована в двух местах на Земле. На Хиросиму была сброшена первая атомная бомба, которая была сделана из урана. Вторая упала через три дня на Нагасаки. Она была сделана из плутония.
Благодаря различным договорам о разоружении многие ядерные боеприпасы, содержащие плутоний, к настоящему времени демонтированы. Однако содержащийся в них плутоний при этом никуда не исчезает. Лишь через каждые 24 100 лет его количество будет уменьшаться вдвое из-за естественных процессов ядерного распада. Это значит, что если на Земле сейчас имеется 20 тонн плутония, то через 24 100 лет останется 10 тонн. А ещё через 24 100 лет пять тонн плутония.
Это долгий срок. Ведь всего 11 кг плутония достаточно, чтобы взорвать такой город, как Нагасаки. Мы должны искать способы не допустить повторного использования этого странного металла в военных целях. Ведь у нас ещё осталось достаточно ядерных бомб, чтобы обеспечить самоуничтожение нашей цивилизации.