Что будет, если ударить по атому урана? Отвечает физик

Читатели Vokrugsveta.ru интересуются, что будет, если ударить по атому урана? Мы переадресовали этот вопрос физику. Отвечает научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе, грантополучатель РНФ Николай Бахарев.

Начать стоит с выбора «молотка». Дело в том, что бить обычным молотком по атому урана — это все равно, что стрелять из пушки по воробьям, только если пушка у нас размером с Солнечную систему. Поэтому возможны два подхода: либо увеличить мишень, либо уменьшить «молоток».

Предположим, мы выбрали первый вариант, но пошли еще дальше и изготовили урановый молоток. Из-за высокой плотности урана такой молоток будет достаточно увесистым. Однако при работе он будет искрить даже от удара по дереву, так что пользоваться им будет эффектно, но не очень удобно. Если же ударить посильнее, например, выстрелив ураном из пушки, то при попадании в цель уран загорится. Это свойство используют в противотанковых урановых снарядах.

Теперь пойдем по второму пути и выберем «молоток» поменьше. Природа предоставляет нам поистине богатый выбор: это и элементарные частицы (такие, как электрон, протон и нейтрон), и любые атомы, либо их ядра, и даже жесткое рентгеновское излучение — гамма-кванты. Конечно, не все эти варианты оптимальны. Маленький электрон для тяжелого атома урана — как слону дробина. Может прихватить с собой один из электронов урана, но вот для ядра опасности не представляет.

С ядрами, в том числе с самым легким ядром — протоном — другая проблема. Из-за положительного заряда они отталкиваются от ядра урана, обладающего зарядом того же знака. В этом случае мы ожидаем увидеть упругое столкновение ядер наподобие того, что мы увидели бы при игре в бильярд, где все шары, кроме битка, заменены шарами для боулинга.

Конечно, метод грубой силы работает и в мире частиц. Если разогнать электрон до скорости, близкой к скорости света, или протон — до десятков миллионов метров в секунду, мы значительно повысим их шанс на взаимодействие с ядром. Однако мы можем поступить умнее и ударить по атому урана нейтроном, который не имеет заряда.

Если перед нами ядро урана-235, нам даже будет достаточно «медленных» нейтронов со скоростями порядка сотни метров в секунду. Нейтрон будет поглощен ядром урана, а через некоторое время оно развалится на два осколка с образованием еще нескольких нейтронов. Родившиеся осколки радиоактивны, из-за чего продолжат распадаться, пока не распадутся до чего-то стабильного, а нейтроны попадут в другие атомы урана и, в свою очередь, вызовут их распад.

Все эти ядерные распады сопровождаются выделением энергии, большую часть которой уносят осколки деления. В нашем макромире эта энергия ощущается как тепло. Поддерживая систему в тонком балансе (не давая цепочке делений затухнуть, при этом подавляя лавинообразный рост количества делящихся ядер), мы можем преобразовывать выделяемое тепло в электричество — по этому принципу работают атомные электростанции.

Внимательный читатель задастся вопросом, откуда же нам взять первый, «затравочный» нейтрон. Дело в том, что природа не терпит крайности и очень тяжелое ядро урана стремится развалиться на несколько более легких частей даже без внешнего воздействия. Внутри этого ядра кипит борьба между кулоновскими силами, расталкивающими протоны внутри ядра, и ядерными силами, обеспечивающими целостность ядра.

Если посмотреть на такую систему с точки зрения классической физики, то можно сказать, что ядерные силы так велики, что перед частицами ядра все равно что стена. Однако нейтроны и протоны живут по законам квантового мира. Для них в любой стене всегда можно найти лазейку и использовать ее как туннель. Хотя в нашем случае через «стену» придется пройти не одному нейтрону или протону, а целому осколку ядра урана, и вероятность такого «туннелирования» мала, ее хватит для деления небольшого числа ядер, в результате чего образуются необходимые нам затравочные нейтроны.

Сколько урана содержится внутри Земли и какой изотоп самый ценный, читайте в материале Vokrugsveta.ru о 5 главных полезных ископаемых нашей планеты.