т(
Мт) тротилового эквивалента.
К Я. в. может привести либо ядерная цепная реакция деления тяжёлых ядер (например, 235U и 239Pu), либо термоядерная реакция синтеза ядер гелия из более лёгких ядер. Ядра 235U и 239Pu делятся при захвате нейтрона на два осколочных ядра средней атомной массы; при этом рождается также несколько нейтронов (обычно два-три). Сумма масс всех дочерних частиц меньше массы исходного ядра на величину D m, называемую дефектом массы.Дефекту массы, согласно соотношению А. Эйнштейна, отвечает энергия DЕ =D mЧ c 2( с —скорость света), которая представляет собой энергию связи продуктов деления в исходном ядре. Высвобождение этой энергии при быстро развивающейся цепной ядерной реакции деления и приводит к взрыву. На одно делящееся ядро энергия DE составляет около 200 Мэв.В 1 кг 235U или 239 Pu содержится 2,5 Ч 10 24ядер. При делении всех этих ядер выделяется огромная энергия, равная примерно 10 21 эрг.
Возможность протекания цепной реакции деления обусловлена тем, что в акте деления рождается более одного нейтрона. Каждый из них также может произвести деление ядер. Следующее поколение нейтронов делит другие ядра и т. д. Например, если по два нейтрона каждого поколения производят деление, то через 80 поколений реакция, начавшаяся с одного нейтрона, приведёт к распаду всех ядер 1 кгделящегося вещества. Обычно не все нейтроны вызывают деление ядер, часть из них теряется. Если потери слишком велики, то цепная реакция развиться не может. Вероятность потери отдельного нейтрона тем выше, чем меньше линейные размеры и масса делящегося вещества. Предельные условия, когда в веществе может развиться цепная реакция, называются критическими. Они характеризуются плотностью, геометрией, массой вещества (например, существует критическая масса ) .Делящееся вещество в ядерном заряде располагают так, чтобы оно находилось в докритических условиях (например, чтобы масса была рассредоточена). В нужный момент осуществляются сверхкритические условия (всю массу собирают вместе), и тогда инициируется цепная реакция. Собрать всю массу необходимо очень быстро, для того чтобы реакция протекала при возможно большей степени сверхкритичности и до разлёта нагревающегося вещества успела бы прореагировать возможно большая его доля. Возможности повышения мощности Я. в., основанного на цепной реакции деления ядер, практически ограничены, т. к. очень трудно большую массу делящегося вещества, вначале расположенную в докритической форме, достаточно быстро превратить в сверхкритическую.
Я. в. большой мощности с эквивалентом в миллионы и десятки млн. ттротила основаны на использовании реакции термоядерного синтеза. Основная реакция здесь — превращение двух ядер тяжёлых изотопов водорода ( дейтерия 2H и трития 3H) в ядро гелия 4He и нейтрон. В одном акте выделяется энергия 17,6 Мэв. При полном превращении 1 кгтяжёлого водорода выделяется энергия, примерно в 4 раза превышающая энергию деления 1 кг 235U или 239 Pu. Для того чтобы положительно заряженные ядра 2H и 3H могли столкнуться и испытать превращение, они должны преодолеть действующие между ними электрические силы отталкивания, т. е. обладать значительной скоростью (кинетической энергией). Поэтому термоядерная реакция, используемая в водородной бомбе, протекает при очень высоких температурах — порядка десятков млн. градусов, что достигается при Я. в. атомной бомбы, применяемой в качестве «запала» в водородной бомбе. Поскольку водород в обычном состоянии представляет собой газ, при осуществлении термоядерного взрыва используют твёрдые водородсодержащие вещества 6Li 2H, 6Li 3H. Ядра лития и сами участвуют в термоядерной реакции, повышая энергетический выход термоядерного взрыва.
Непосредственно после завершения ядерной реакции к моменту времени 10 -7 сек, отсчитываемому от её начала, выделившаяся энергия оказывается сосредоточенной в весьма ограниченных массе и объёме (порядка 1 ти 1 м 3). температура и давление при этом достигают колоссальных величин порядка 10 млн. градусов и миллиарда атмосфер. Существенная доля энергии высвечивается этим нагретым веществом в виде мягкого рентгеновского излучения, которое, однако, может распространиться на большое расстояние только при Я. в. в чрезвычайно разреженной атмосфере — на высотах порядка 100 кми выше. Во всех остальных случаях — при взрывах в воздухе на не очень больших высотах, под землёй, под водой — почти вся энергия взрыва переходит в среду, непосредственно окружающую вещество ядерного заряда: воздух, землю, воду. Под действием высокого давления в окружающей среде возникает сильная ударная волна . Я. в. порождает также проникающую радиацию — потоки гамма-квантов и нейтронов, которые уносят несколько процентов от всей энергии взрыва и распространяются в воздухе при атмосферном давлении на много сотен м.
Воздух в ударной волне Я. в. нагревается до сотен тыс. градусов и начинает ярко светиться, возникает так называемый огненный шар. Вначале поверхность огненного шара совпадает с фронтом ударной волны, и они вместе расширяются с большой скоростью. Например, при Я. в., эквивалентном 20 кт, в воздухе атмосферного давления через 10 -4 секрадиус огненного шара равен примерно 14 м; через 0,01 сек— 100 м. На этой стадии происходит отрыв ударной волны от границы огненного шара. Ударная волна, уже не вызывая свечение, уходит далеко вперёд; расширение огненного шара замедляется, а затем вовсе прекращается. Через 0,1 секрадиус огненного шара достигает своей максимальной величины — примерно 150 м; температура свечения в этой стадии составляет около 8000 К. Через 1 секяркость свечения начинает падать, и через 2—3 сексвечение практически прекращается. Всего на световое излучение приходится примерно треть всей энергии взрыва. Это излучение, более яркое, чем излучение Солнца, оказывает очень сильное поражающее действие, вызывая даже на расстоянии 2 кмпожары, обгорание предметов, ожоги у людей и животных. Через 10 секударная волна уходит на расстояние 3,7 кмот центра Я. в. Сильное разрушающее действие на дома, промышленные постройки, военную технику ударная волна Я. в. в 20 ктоказывает на расстоянии до 1 км.
Нагретый воздух огненного шара после прекращения свечения, будучи менее плотным, чем окружающий воздух, поднимается вверх под действием архимедовой силы (см. Архимеда закон ). В процессе подъёма нагретый воздух расширяется и охлаждается, в нём происходит конденсация паров воды. Так образуется характерное клубящееся облако Я. в. поперечником в сотни м. Через минуту оно достигает высоты 4 км, через 10 мин— 10 км. В дальнейшем это облако, содержащее продукты ядерных реакций, разносится ветрами и воздушными течениями на расстояния в десятки и сотни км. Продукты деления ядер обладают радиоактивностью, они испускают g -кванты и электроны. Под действием радиоактивности и вследствие выпадения радиоактивных осадков происходит радиоактивное заражение местности в области следа облака, которое является одним из опаснейших последствий Я. в., вызывая лучевую болезнь у людей и животных. Особенно опасны в отношении радиоактивного действия Я. в. на малой высоте, когда огненный шар при своём расширении касается поверхности Земли, вверх вздымается огромный столб пыли и земли, и радиоактивные продукты впоследствии выпадают вместе с пылью. Радиус действия ударной волны приблизительно пропорционален корню кубическому из значения энергии, выделяющейся при взрыве. Например, радиус очень сильного разрушающего действия Я. в. в 20 Мтпримерно в 10 раз больше, чем для Я. в. в 20 кт, т. е. порядка 10 км. Такой взрыв может уничтожить большой город.
При Я. в. на очень больших высотах, выше 100—200 км, также возникают ударная волна и огненный шар, но в световое излучение переходит значительно меньшая доля энергии Я. в., т. к. вследствие сильной разреженности воздух излучает свет гораздо слабее. Одним из важнейших последствий высотного Я. в. являются возникновение больших областей повышенной ионизации с радиусом в десятки и даже сотни кми возмущение атмосферы. Ионизация вызывается действием рентгеновского и g-излучении (а также нейтронов) и приводит к серьёзным нарушениям в работе средств радиолокации и радиосвязи. Высотные Я. в., осуществленные в 1958—62 в США, показали, что устойчивая радиосвязь может прерываться на десятки мин.
При подводном взрыве примерно половина всей энергии содержится в первичной ударной волне, которая и производит основные разрушения. Для подводного взрыва характерно образование большого пузыря вокруг центра взрыва, который совершает пульсирующие движения, затухающие с течением времени. Вторичные волны, излучаемые за счёт пульсаций пузыря, оказывают значительно меньшее действие, чем первичная ударная волна. Радиус сильного разрушающего действия, приводящего к нототению кораблей (при Я. в. в 20 ктна небольшой глубине), составляет ~ 0,5 км. При подводном Я. в. появляется «султан» — огромный столб над поверхностью воды, состоящий из водяной пыли и брызг. Возникают также сильные поверхностные волны, которые распространяются на многие км(при взрыве в 20 ктна расстоянии 3 кмот эпицентра взрыва высота гребня волны достигает 3 м).
При подземном Я. в. разрушения производит также ударная волна. Как и при подводном взрыве, в центре возникает газовый пузырь высокого давления. При неглубоком взрыве образуется огромная воронка, в воздух поднимается столб пыли и земли. Подземный Я. в. вызывает толчок, по своему действию аналогичный землетрясению. По своей энергии Я. в. в 20 ктможно сравнить с землетрясением силой в 5 М(магнитуд) по шкале Рихтера (см. Магнитуда землетрясения ). Я. в. водородной бомбы в 20 Мтсоответствует землетрясению с силой 7 М. Сейсмические волны подземных Я. в. регистрируются на расстояниях в тысячи кмот места взрыва.
Ю. П. Райзер.
Подземные Я. в. применялись в мирных целях для крупномасштабных горных работ, добычи полезных ископаемых и др. Различают заглубленный Я. в. наружного действия и подземного (камуфлетного), когда радиус разрушающего действия не достигает поверхности земли. Я. в. наружного действия, с помощью которых можно направленно перемещать огромные массы горных пород (для вскрытия месторождений полезных ископаемых, строительства каналов, набросных плотин, водоёмов, искусственных гаваней и т. п.), требуют создания ядерных устройств и методов их детонации, гарантирующих отсутствие радиоактивного загрязнения атмосферы и полную безопасность биосферы. Камуфлетные Я. в. осуществляются при заглублении заряда до нескольких км. Эти взрывы интенсифицируют разработку истощённых нефтяных и газовых месторождений, создают (в пластичных породах) ёмкости-хранилища (для природного газа, нефтепродуктов, захоронения отходов и т. п.), позволяют дробить крепкие рудные тела (для их извлечения), ликвидируют аварийные газовые и нефтяные фонтаны.
Лит.:Действие ядерного оружия, пер. с англ., М., 1960; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; Коул Р., Подводные взрывы, пер. с англ., М., 1950; Подземные ядерные взрывы, пер. с англ., М., 1962; Ядерный взрыв в космосе, на земле и под землей, пер. с англ., М., 1974; Атомные взрывы в мирных целях, М., 1970; Израэль Ю. А., Мирные ядерные взрывы и окружающая среда, Л., 1974.
Ядерный взрыв
)
;действие Я. з. 2-го типа (водородной бомбы) — на
термоядерной реакции
синтеза ядер гелия из более лёгких ядер (дейтерия, трития или их смеси с
6Li), при которой выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при распаде одинакового по массе количества делящегося вещества. Испытывались Я. з. мощностью от нескольких
ктдо нескольких десятков
Мт
тротилового эквивалента.Мощность Я. з. определяется как количеством содержащегося в заряде делящегося вещества или изотопов водорода, так и его конструкционными особенностями, создающими условия для вступления в ядерную реакцию максимального количества вещества. Важным элементом конструкции Я. з. является инициирующий заряд, создающий сверхкритические условия для делящегося вещества в атомном заряде и необходимую температуру в водородном заряде (в последнем случае в качестве инициирующего заряда применяется атомный заряд). При конструктивном оформлении Я. з. помещают в стальную оболочку, так что общая его масса вместе с инициирующими устройствами составляет обычно от нескольких сотен
кгдо нескольких
т.При употреблении Я. з. в качестве
ядерного оружия
его для доставки к месту назначения помещают в авиационную бомбу, боевую головку ракеты, в торпеду и т. п.
К Я. в. может привести либо ядерная цепная реакция деления тяжёлых ядер (например, 235U и 239Pu), либо термоядерная реакция синтеза ядер гелия из более лёгких ядер. Ядра 235U и 239Pu делятся при захвате нейтрона на два осколочных ядра средней атомной массы; при этом рождается также несколько нейтронов (обычно два-три). Сумма масс всех дочерних частиц меньше массы исходного ядра на величину D m, называемую дефектом массы.Дефекту массы, согласно соотношению А. Эйнштейна, отвечает энергия DЕ =D mЧ c 2( с —скорость света), которая представляет собой энергию связи продуктов деления в исходном ядре. Высвобождение этой энергии при быстро развивающейся цепной ядерной реакции деления и приводит к взрыву. На одно делящееся ядро энергия DE составляет около 200 Мэв.В 1 кг 235U или 239 Pu содержится 2,5 Ч 10 24ядер. При делении всех этих ядер выделяется огромная энергия, равная примерно 10 21 эрг.
Возможность протекания цепной реакции деления обусловлена тем, что в акте деления рождается более одного нейтрона. Каждый из них также может произвести деление ядер. Следующее поколение нейтронов делит другие ядра и т. д. Например, если по два нейтрона каждого поколения производят деление, то через 80 поколений реакция, начавшаяся с одного нейтрона, приведёт к распаду всех ядер 1 кгделящегося вещества. Обычно не все нейтроны вызывают деление ядер, часть из них теряется. Если потери слишком велики, то цепная реакция развиться не может. Вероятность потери отдельного нейтрона тем выше, чем меньше линейные размеры и масса делящегося вещества. Предельные условия, когда в веществе может развиться цепная реакция, называются критическими. Они характеризуются плотностью, геометрией, массой вещества (например, существует критическая масса ) .Делящееся вещество в ядерном заряде располагают так, чтобы оно находилось в докритических условиях (например, чтобы масса была рассредоточена). В нужный момент осуществляются сверхкритические условия (всю массу собирают вместе), и тогда инициируется цепная реакция. Собрать всю массу необходимо очень быстро, для того чтобы реакция протекала при возможно большей степени сверхкритичности и до разлёта нагревающегося вещества успела бы прореагировать возможно большая его доля. Возможности повышения мощности Я. в., основанного на цепной реакции деления ядер, практически ограничены, т. к. очень трудно большую массу делящегося вещества, вначале расположенную в докритической форме, достаточно быстро превратить в сверхкритическую.
Я. в. большой мощности с эквивалентом в миллионы и десятки млн. ттротила основаны на использовании реакции термоядерного синтеза. Основная реакция здесь — превращение двух ядер тяжёлых изотопов водорода ( дейтерия 2H и трития 3H) в ядро гелия 4He и нейтрон. В одном акте выделяется энергия 17,6 Мэв. При полном превращении 1 кгтяжёлого водорода выделяется энергия, примерно в 4 раза превышающая энергию деления 1 кг 235U или 239 Pu. Для того чтобы положительно заряженные ядра 2H и 3H могли столкнуться и испытать превращение, они должны преодолеть действующие между ними электрические силы отталкивания, т. е. обладать значительной скоростью (кинетической энергией). Поэтому термоядерная реакция, используемая в водородной бомбе, протекает при очень высоких температурах — порядка десятков млн. градусов, что достигается при Я. в. атомной бомбы, применяемой в качестве «запала» в водородной бомбе. Поскольку водород в обычном состоянии представляет собой газ, при осуществлении термоядерного взрыва используют твёрдые водородсодержащие вещества 6Li 2H, 6Li 3H. Ядра лития и сами участвуют в термоядерной реакции, повышая энергетический выход термоядерного взрыва.
Непосредственно после завершения ядерной реакции к моменту времени 10 -7 сек, отсчитываемому от её начала, выделившаяся энергия оказывается сосредоточенной в весьма ограниченных массе и объёме (порядка 1 ти 1 м 3). температура и давление при этом достигают колоссальных величин порядка 10 млн. градусов и миллиарда атмосфер. Существенная доля энергии высвечивается этим нагретым веществом в виде мягкого рентгеновского излучения, которое, однако, может распространиться на большое расстояние только при Я. в. в чрезвычайно разреженной атмосфере — на высотах порядка 100 кми выше. Во всех остальных случаях — при взрывах в воздухе на не очень больших высотах, под землёй, под водой — почти вся энергия взрыва переходит в среду, непосредственно окружающую вещество ядерного заряда: воздух, землю, воду. Под действием высокого давления в окружающей среде возникает сильная ударная волна . Я. в. порождает также проникающую радиацию — потоки гамма-квантов и нейтронов, которые уносят несколько процентов от всей энергии взрыва и распространяются в воздухе при атмосферном давлении на много сотен м.
Воздух в ударной волне Я. в. нагревается до сотен тыс. градусов и начинает ярко светиться, возникает так называемый огненный шар. Вначале поверхность огненного шара совпадает с фронтом ударной волны, и они вместе расширяются с большой скоростью. Например, при Я. в., эквивалентном 20 кт, в воздухе атмосферного давления через 10 -4 секрадиус огненного шара равен примерно 14 м; через 0,01 сек— 100 м. На этой стадии происходит отрыв ударной волны от границы огненного шара. Ударная волна, уже не вызывая свечение, уходит далеко вперёд; расширение огненного шара замедляется, а затем вовсе прекращается. Через 0,1 секрадиус огненного шара достигает своей максимальной величины — примерно 150 м; температура свечения в этой стадии составляет около 8000 К. Через 1 секяркость свечения начинает падать, и через 2—3 сексвечение практически прекращается. Всего на световое излучение приходится примерно треть всей энергии взрыва. Это излучение, более яркое, чем излучение Солнца, оказывает очень сильное поражающее действие, вызывая даже на расстоянии 2 кмпожары, обгорание предметов, ожоги у людей и животных. Через 10 секударная волна уходит на расстояние 3,7 кмот центра Я. в. Сильное разрушающее действие на дома, промышленные постройки, военную технику ударная волна Я. в. в 20 ктоказывает на расстоянии до 1 км.
Нагретый воздух огненного шара после прекращения свечения, будучи менее плотным, чем окружающий воздух, поднимается вверх под действием архимедовой силы (см. Архимеда закон ). В процессе подъёма нагретый воздух расширяется и охлаждается, в нём происходит конденсация паров воды. Так образуется характерное клубящееся облако Я. в. поперечником в сотни м. Через минуту оно достигает высоты 4 км, через 10 мин— 10 км. В дальнейшем это облако, содержащее продукты ядерных реакций, разносится ветрами и воздушными течениями на расстояния в десятки и сотни км. Продукты деления ядер обладают радиоактивностью, они испускают g -кванты и электроны. Под действием радиоактивности и вследствие выпадения радиоактивных осадков происходит радиоактивное заражение местности в области следа облака, которое является одним из опаснейших последствий Я. в., вызывая лучевую болезнь у людей и животных. Особенно опасны в отношении радиоактивного действия Я. в. на малой высоте, когда огненный шар при своём расширении касается поверхности Земли, вверх вздымается огромный столб пыли и земли, и радиоактивные продукты впоследствии выпадают вместе с пылью. Радиус действия ударной волны приблизительно пропорционален корню кубическому из значения энергии, выделяющейся при взрыве. Например, радиус очень сильного разрушающего действия Я. в. в 20 Мтпримерно в 10 раз больше, чем для Я. в. в 20 кт, т. е. порядка 10 км. Такой взрыв может уничтожить большой город.
При Я. в. на очень больших высотах, выше 100—200 км, также возникают ударная волна и огненный шар, но в световое излучение переходит значительно меньшая доля энергии Я. в., т. к. вследствие сильной разреженности воздух излучает свет гораздо слабее. Одним из важнейших последствий высотного Я. в. являются возникновение больших областей повышенной ионизации с радиусом в десятки и даже сотни кми возмущение атмосферы. Ионизация вызывается действием рентгеновского и g-излучении (а также нейтронов) и приводит к серьёзным нарушениям в работе средств радиолокации и радиосвязи. Высотные Я. в., осуществленные в 1958—62 в США, показали, что устойчивая радиосвязь может прерываться на десятки мин.
При подводном взрыве примерно половина всей энергии содержится в первичной ударной волне, которая и производит основные разрушения. Для подводного взрыва характерно образование большого пузыря вокруг центра взрыва, который совершает пульсирующие движения, затухающие с течением времени. Вторичные волны, излучаемые за счёт пульсаций пузыря, оказывают значительно меньшее действие, чем первичная ударная волна. Радиус сильного разрушающего действия, приводящего к нототению кораблей (при Я. в. в 20 ктна небольшой глубине), составляет ~ 0,5 км. При подводном Я. в. появляется «султан» — огромный столб над поверхностью воды, состоящий из водяной пыли и брызг. Возникают также сильные поверхностные волны, которые распространяются на многие км(при взрыве в 20 ктна расстоянии 3 кмот эпицентра взрыва высота гребня волны достигает 3 м).
При подземном Я. в. разрушения производит также ударная волна. Как и при подводном взрыве, в центре возникает газовый пузырь высокого давления. При неглубоком взрыве образуется огромная воронка, в воздух поднимается столб пыли и земли. Подземный Я. в. вызывает толчок, по своему действию аналогичный землетрясению. По своей энергии Я. в. в 20 ктможно сравнить с землетрясением силой в 5 М(магнитуд) по шкале Рихтера (см. Магнитуда землетрясения ). Я. в. водородной бомбы в 20 Мтсоответствует землетрясению с силой 7 М. Сейсмические волны подземных Я. в. регистрируются на расстояниях в тысячи кмот места взрыва.
Ю. П. Райзер.
Подземные Я. в. применялись в мирных целях для крупномасштабных горных работ, добычи полезных ископаемых и др. Различают заглубленный Я. в. наружного действия и подземного (камуфлетного), когда радиус разрушающего действия не достигает поверхности земли. Я. в. наружного действия, с помощью которых можно направленно перемещать огромные массы горных пород (для вскрытия месторождений полезных ископаемых, строительства каналов, набросных плотин, водоёмов, искусственных гаваней и т. п.), требуют создания ядерных устройств и методов их детонации, гарантирующих отсутствие радиоактивного загрязнения атмосферы и полную безопасность биосферы. Камуфлетные Я. в. осуществляются при заглублении заряда до нескольких км. Эти взрывы интенсифицируют разработку истощённых нефтяных и газовых месторождений, создают (в пластичных породах) ёмкости-хранилища (для природного газа, нефтепродуктов, захоронения отходов и т. п.), позволяют дробить крепкие рудные тела (для их извлечения), ликвидируют аварийные газовые и нефтяные фонтаны.
Лит.:Действие ядерного оружия, пер. с англ., М., 1960; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; Коул Р., Подводные взрывы, пер. с англ., М., 1950; Подземные ядерные взрывы, пер. с англ., М., 1962; Ядерный взрыв в космосе, на земле и под землей, пер. с англ., М., 1974; Атомные взрывы в мирных целях, М., 1970; Израэль Ю. А., Мирные ядерные взрывы и окружающая среда, Л., 1974.
и магнитным моментом:
—
Планка постоянная.Частота, на которой наблюдается ЯМР:
(
m = I,
I —1,..., ..., —
I) определяет систему (
2I +1) эквидистантных уровней энергии ядра в поле
H
0. Частота w
0соответствует переходу между двумя соседними уровнями.