Bum! Malé fyzikální okénko

Manhattan druhou řadou odpálil naše mozky do stratosféry ještě více než tou první. Brilantní dialogy a příběhy postav zakomponované do jedné z nejznámějších událostí dějin na pozadí vědeckých termínů a pouček. Ty vám nyní přiblížíme trochu netradičním způsobem. Fyzika nikdy nebyla tak zábavná!

Ahoj, jsem Zero a byl jsem nalákán příslibem bábovky, abych napsal článek, který bude popisovat základní principy atomových bomb tak, aby to pochopila i vaše babička, je-li stále ještě naživu. Úvodem bych jen chtěl říct, že článek bude dělen podle náročnosti čtenáře. To, co nebude v závorce, pochopí všichni s alespoň dvěma pracujícími mozkovými buňkami. V závorkách budou poznámky pro ty, kteří chodili aspoň na střední školu, a v závorkách s hvězdičkami pak ještě o něco složitější věci, odstupňované počtem hvězdiček. Skvělé na tom je, že můžete závorky přeskakovat, aniž byste ztratili kontext, takže jestli vám to přijde náročné/nudné/moc dlouhé, nebojte se a přeskočte si dál. Hlavní je, abychom se všichni trochu pobavili a možná i zjistili pár nových věcí.

Prásk!

Už jako malé holky a kluky nás všechny bavilo rozbíjet věci, maminčinu vázu, zrcadlo, no, a někomu to zůstalo až do dospělosti a pobírá za to plat, jenom hračky se staly daleko rafinovanějšími. A na čím menší kusy se vám povedlo věci rozbít, tím lepší, dokonce jste za to dostali i Nobelovu cenu. A tím se dostáváme k dnešnímu tématu: rozbíjení atomů.

Základem dějů kolem nás jsou chemické reakce, nemyslím tím tentokrát to, že slijeme dvě tekutiny k sobě, ale spíš hoření. Hoření je jednou ze základních chemických reakcí a její výhodou je, že uvolňuje velké množství energie ve formě tepla.

Celé to funguje tak, že něco zapálíme a ono to uvolní teplo, tedy energii. (Jde o oxidaci většinou na oxidy uhlíku u organické hmoty, která je z velké části tvořena uhlíkem).

Když ale chceme získat energie víc, musíme podrobněji porozumět složení atomů a hledat energii jinde. Kupříkladu v jádrech atomů. Začneme rychlým vysvětlením, jak takový atom vypadá – skládá se z jádra a elektronového obalu. V jádře jsou kladně nabité částice – protony – a částice bez náboje – neutrony. * (Patří mezi částice nazývané hadrony a jsou složené z kvarků a gluonů.) A v elektronovém obalu jsou, světe div se, elektrony, které jsou nabité záporně. Nás ale bude zajímat jádro. (Chemicky se složení jádra zapisuje pomocí nukleonového čísla, A, a neutronového čísla, Z, která nám říkají: A – kolik je celkem částic v jádře; Z – kolik z nich jsou protony. Zapisuje se to pak celé ve tvaru ^A_ZX. Takže když někde uvidíte napsáno ²³⁵₉₂U, budete vědět, že jde o uran, který má 92 protonů a 235–92 rovná se 143 neutronů. Těžko říct, proč nás nutěj odčítat a nenapíšou tam těch 143 rovnou, že?)

Rozměry jádra jsou řádově 10^-15 metru. A teď si představte, že se snažíte narvat do takhle malého místa spoustu kladného náboje. Bude to fungovat jako magnety, stejné náboje se odpuzují. Kdybychom se o něco takového pokoušeli s magnety, rozletí se jak Nečasova vláda. Musí tam pracovat jiné než normální síly, které můžeme vidět v makro měřítku. Je to takzvaná silná síla, a ne, se Star Wars to nemá nic společného, midichloriany ještě nikdo nenašel. A tady máme tu energii, kterou jsme hledali. Od hoření do jádra atomu.

Další problém je, jak ji uvolnit. S ohněm to příroda zvládla sama pomocí blesků mlátících do stromů a ani tady nezklamala. Některá jádra prvků, která existují v přírodě, jsou moc velká a časem se samovolně rozpadají. Jenom jsme si toho všimli o pár set tisíc let později, protože nám v pravěku neběhaly radioaktivní izotopy do jeskyní zapalovat ohně. (Je to proto, že silná interakce v jádru má velmi malý dosah a když je jádro moc velké, dostávají se jeho okraje z dosahu této síly.)

Rozpadem jader se neuvolňuje jenom energie ve formě tepla, ale i různé další typy záření a částic, díky nimž pak může reakce pokračovat. Je to vše způsobeno tím, že atom musí zůstat elektricky neutrální, takže když ustřelím kus jádra, musí se zbavit i kusu el. obalu – velmi zjednodušeně. * (Záření alfa je proud jader helia, beta odpovídá proudu pozitronů či elektronů a gama je proudem fotonů. Při radioaktivních přeměnách některých uměle vyrobených prvků vznikají i proudy neutronů a protonů.) A nás zde bude samozřejmě zajímat řetězová štěpná reakce.

Nejsnadněji lze atomy štěpit proudem tepelných neutronů. Problém je, že tak lze štěpit jen některé atomy. Většina z nich má tendence neutrony drze pojídat bez rozštěpení. ** (Následuje pružný či nepružný rozptyl neutronu v jádře, kde pak u nepružného následuje emise fotonu.)

Štěpitelné atomy pro nás použitelné, které se samovolně nerozpadnou tak rychle, abychom je dřív nestihli násilím rozpadnout my sami, jsou uran a plutonium. (Podmínkami pro štěpitelné atomy jsou protonové číslo mezi 90–100 a počet neutronů, který je o 43–45 větší než počet protonů. Odpovídá tomu celkem 13 prvků, ale v přírodě pouze uran a plutonium, a to v izotopech ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu – izotopy se liší počty neutronů, počty protonů jsou stejné.) Reakce probíhá tak, že neutrony, které mají určitou energii (tepelné 0,005–0,5 elektronvoltu), pumpujeme do hmoty, kde máme uran či plutonium. Většina neutronů se do jádra netrefí, protože je příliš malé, takže je to taková vědecká obdoba toho, když hluchý mlátí do vrat. Ale sem tam se stane, že neutron trefí jádro, a to se rozštěpí na dva menší prvky a 2–3 neutrony, které se dále snaží trefit další jádra a pokračovat v reakci.

Když tedy nějakým způsobem nechytáme tyhle další neutrony, tak nám reakce sama začne běžet rychleji a rychleji, a dojde k neřízené štěpné reakci a k atomovému výbuchu. No, a jsme doma – doufejme, že ne v oblasti postižené výbuchem. (Neutrony, které nám produkuje rozpadající se uran, jsou rychlejší, tedy mají větší energii, než potřebujeme, což nám zmenšuje šanci, že se trefí tam, kam chceme, zpomalují se srážkami s různými moderátory – chemickými, ne Rayem a Luckou z TV Noha.) * (No a pomocí dalších moderátorů – jádra boru apod. – můžeme úplně pohlcovat vyzářené neutrony, a tím reakci řídit, k čemuž dochází v jaderných elektrárnách. Problém je, když se vám zaseknou moderátorové tyče, a vy pak máte celé okolí černobíle černobylské.)

Tak a teoreticky máme hotovo. Až na to, že nechceme, aby nám vybouchla laboratoř, ale abychom měli zařízení, kde můžeme na dálku – co největší dálku – spustit neřízenou štěpnou řetězovou reakci a konečně sousedům odpravit toho otravného psa, co nám kadí na zahrádku.

Teoreticky to lze zařídit celkem jednoduše, námi použité radioaktivní látky se rozpadají samy, takže když jich dáme hodně na jedno místo, časem vyprodukují samy dost neutronů a odpálí se. Ale Japonci by si určitě nevšimli, kdyby jim tam strejda Sam po kouskách navážel uran, aby nashromáždil kritické množství. (Problém je, že to množství je hodně velké, lze ho zmenšit tím, že budeme používat čistší materiál, kterému stačí ke štěpení pomalými neutrony, tvar materiálu, kde ideální je koule – nejlíp se do nich trefuje – no a poslední největší problém, náš materiál se sám rozpadá, takže ho potřebujeme co možná nejvíc čerstvý, protože jinak se nám sám časem znehodnotí. Tohle vše a spoustu dalších problémů řeší vědci v seriálu Manhattan, po přečtení článku by vám to tedy mohlo dávat větší smysl.)

Tak a konečně se dostáváme ke konstrukci celého zařízení. Nejdřív vezmeme implozní pumu. Do středu dáme odděleně od sebe kritické množství plutonia. To pak výbuchem klasické trhaviny stlačíme k sobě a může nám začít řetězová reakce. (Dalšími výbuchy to stále udržujeme u sebe, protože jinak by nám část plutonia vybouchla a zbytek, nespálený řetězovou rekcí, by se rozletěl, a neudělalo by to tak velkou řachu. Plášť bomby je dál vytvořen z materiálů (beryllia), který odráží neutrony zpět dovnitř, je tedy větší šance, že zasáhnou jádra, protože jich tam bude víc.)

Řetězová reakce pak začne sílit, vyzařovat další a další neutrony, a tím štěpit víc a víc materiálu, až celé zařízení vyletí do vzduchu ve tvaru snu všech nadšených houbařů. Implozní se nazývá proto, že imploze je opak exploze, česky vbuch a výbuch. Tím, že zde stlačujeme explozivní materiál do sebe, místo abychom ho nechali samovolně vybuchovat, dochází k implozi.

Druhý typ bomby, takzvaný explozní, je o dost jednodušší. Jde o dvě podkritické masy uranu, které jsou výbuchem konvenční trhaviny mrštěny proti sobě, a dohromady vytvoří kritické množství. (Nevýhody oproti implozi jsou, že je potřeba čistší materiál a ve větším množství, protože tam nedochází k dalším výbuchům, které by nám materiál držely pohromadě, a tedy hrozí, že nám začínající řetězová rekce rozmetá zbytek nespáleného paliva.)

No, a tím máme teorii z krku a můžeme jít vesele shazovat (povánoční kila, samozřejmě). Jestli jste dočetli až sem, tak bych poprosil o jediné hodnocení, stál článek za bábovku? Pokud totiž ano, mohl bych se teoreticky v budoucnu vrátit s dalšími nudnými články třeba o zdravotních důsledcích ozáření, vývoji bomb jako takovém – technicky pojato – nebo o čemkoli dalším, co by vás zajímalo, umíte-li péct.

Váš Zero.