بمب اتم چیست و چگونه کار می‌کند؟

«بمب اتم» برای بشر یادآور کشتارهای بی‌رحمانه «هیروشیما» و «ناکازاکی» است که در آن مرگ‌ومیرهای بی‌سابقه‌ای در تاریخ به ثبت رسید. اولین بمب اتم با هدف کشتار انسان‌ها، در تاریخ ۶ آگوست ۱۹۴۵، شهر هیروشیما در ژاپن را مورد هدف قرار داد. تنها سه روز بعد، ناکازاکی مورد حمله بمب دیگری قرار گرفت.

با اینکه این رخدادها در ژاپن تاثیر زیادی در جریان جنگ جهانی دوم داشتند، اما از آن‌ ها به عنوان آغازگر جنگ سرد بین ایالات متحده آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی یاد می ‌شود. اما بمب اتم چه بود که جنگ سرد را میان دو ابَرکشور دنیا آغاز کرد؟ این بمب ویرانگر چطور کار می‌کند که می‌تواند جان هزاران هزار نفر را در مدت زمان کوتاهی بگیرد؟ در این مقاله به این سوالات به صورت مفصل پاسخ می‌دهیم.

نگاهی کوتاه به ساختار اتم

پیش از آنکه بتوانیم ساختار بمب اتم را شرح دهیم، نیاز داریم با اتم آشنا شویم.

اتم به زبان ساده متشکل از یک هسته و الکترون‌هایی است که در مدارهای مشخصی به دور آن می‌چرخند. خود هسته نیز متشکل از ذرات پروتون و نوترون است. الکترون ذرات با بار منفی، پروتون ذرات با بار مثبت و نوترون ذرات بدون بار یا اصطلاحا خنثی است.

پس اتم از سه جز اصلی به نام پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده است. یک اتم عموما در حالت خنثی قرار دارد. اتم خنثی، اتمی است که در آن تعداد پروتون‌ها با تعداد الکترون‌ها برابر است. به عبارت دیگر، اتم به عنوان یک مجموعه از نظر بار الکتریکی خنثی است. اتم کربن را در نظر بگیرید. این اتم از 6 پروتون، 6 نوترون و 6 الکترون دارد. به علت برابری تعداد پروتون‌ها و الکترون‌ها، این اتم یک اتم خنثی است.

ایزوتوپ

اما گاهی اوضاع به این سادگی نیست. خصوصیات یک اتم می‌تواند براساس تعداد هریک از ذرات به طور قابل توجهی تغییر کند. به عنوان مثال، اگر تعداد نوترون‌ها در یک اتم تغییر کند، یک «ایزوتوپ» بدست می‌آید. به مثال اتم کربن برگردیم. اتم کربن سه ایزوتوپ دارد که با نام‌های مختلف زیر شناسایی می‌شوند:

کربن 12 ( 6 پروتون + 6 نوترون ) = یک حالت پایدار و معمول در طبیعت

کربن 13 ( 6 پروتون + 7 نوترون ) = یک حالت پایدار ولی نادر در طبیعت

کربن 14 ( 6 پروتون + 8 نوترون ) = یک حالت نادر و ناپایدار (رادیواکتیو)

حالت ناپایدار اتم کربن رفتارهای خاصی دارد که در ادامه مطالعه می‌کنیم.

پرتوزایی

هنگامی که تعادل میان نوترون‌ها و پروتون‌ها در یک هسته اتمی از بین می‌رود، ایزوتوپ یک حالت ناپایدار را تجربه می‌کند. در این شرایط، اتم شروع به تجزیه شدن می‌کند. به عبارت دیگر، هسته اتمی دچار فروپاشی (واپاشی) شده و انرژی خود را به صورت تابش آزاد می‌کند. این فرآیند «پرتوزایی» یا «رادیواکتیویته» نام دارد.

ایزوتوپ کربن 14 به علت انرژی بسیار زیادی که دارد، یک اتم ناپایدار در طبیعت است و پس از مدتی، با واپاشی هسته‌ای انرژی خود را از طریق پرتوزایی آزاد می‌کند. پس از آنکه اتم به اندازه کافی انرژی آزاد کرد و هسته بزرگ تبدیل به یک هسته کوچک پایدار شد، اتم در حالت پایدار قرار می‌گیرد.

واپاشی هسته‌ای

همانطور که گفتیم، عدم تعادل موجود در هسته منجر به واپاشی هسته‌ای (فروپاشی هسته‌ای) می‌شود که در طی این فرآیند، انرژی به صورت تابش از هسته آزاد می‌گردد.

به‌طور کلی، سه نوع واپاشی در طبیعت داریم:

واپاشی آلفا:‌ در این نوع واپاشی، یک ذره آلفا (شامل دو پروتون و دو نوترون) از هسته گسیل می‌شود.

واپاشی بتا: هسته در اثر واپاشی بتا، در یک هسته با تعداد زیادی نوترون یا پروتون، یکی از پروتون‌ها به نوترون تبدیل می‌شود یا بلعکس و ذراتی مانند پادنوتروینو و الکترون یا پزیترون (ذره مشابه الکترون از نظر جرم اما با بار مثبت) بوجود می‌آید.

شکافت خودبخود (شکافت هسته‌ای): یک هسته در اثر نیروی داخلی خود به دو قسمت شکافته می ‌شود که در اثر آن هسته حجم زیادی از انرژی الکترومغناطیسی را تحت عنوان «اشعه گاما» منتشر می‌کند. 

آنچه برای ما در مرور مبحث بمب اتم اهمیت دارد، شکافت هسته‌ای است.

شکافت هسته‌ای و بمب اتم

ما در طبیعت به‌طور کلی چهار نوع نیرو داریم: نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی، نیروی گرانش و نیروی الکترومغناطیس.

نیروهای هسته‌ای ضعیف و قوی، آن دسته نیروهایی هستند که در این مبحث با آن‌ها سروکار داریم. پس دو نوع دیگر را کنار می‌گذاریم.

نیروی هسته‌ای قوی، نیرویی است که ذرات درون هسته اتم را کنار هم نگه می‌دارد. به عبارت دیگر، این نیرو سبب پایداری هسته می‌شود.

نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی مسئول واپاشی هسته‌ای و به‌طور کل واپاشی بتا است که گفتیم در آن نوترون به پروتون یا بلعکس تبدیل می‌شود.

پس در فرآیندهایی مانند شکافت هسته‌ای با دو نیرو سروکار داریم. در شکافت هسته‌ای، دانشمندان هسته یک اتم را به ۲ جزء کوچکتر تقسیم می‌کنند. فرآیند عکس شکافت هسته‌ای «همجوشی هسته‌ای» نام دارد که در آن 2 جزء کوچکتر برای تشکیل اتمی بزرگتر باهم همجوشی می‌کنند. در هردو فرآیند شکافت یا همجوشی هسته‌ای (به آن «گداخت هسته‌ای» نیز گفته می‌شود)، مقدار زیادی انرژی به صورت نور و گرما آزاد می‌شود.

اما این تقسیم کردن اتم به دو جزء کوچکتر چطور انجام می‌شود؟

در سال 1930، فیزیکدان ایتالیایی به نام «انریکو فرمی» نشان داد اگر اتم‌ها را با در معرض بمباران نوترونی قرار دهیم، عناصر جدیدی پدید می‌آیند که پیش از این برای ما شناخته شده نبود.

پس از کشف فرنی، طولی نکشید که دانشمندان آلمانی، «اوتو هان» و «فریتز استرسمن» اورانیوم را با نوترون‌ها بمباران کردند که نتیجه آن تولید یک ایزوتوپ رادیواکتیو باریوم بود. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که این کار باعث شکافت هسته اورانیوم به دو بخش کوچکتر می‌‌شوند.

علاوه بر این، دو دانشمند دیگر با نام‌های «نیلز بوهر» و «جان ویلر» از دانشگاه پرینستون که در تلاش برای ساخت یک مدل فرضی فرآیند شکافت هسته‌ای بودند، دریافتند این اورانیوم-235 است که تحت بمبارانی نوترونی به یک ایزوتوپ رادیواکتیو باریوم تبدیل می‌شود و چنین اتفاقی برای اورانیوم-238 نمی‌افتد.

تقریبا در همان زمان، دانشمندان دیگری کشف کردند که فرآیند شکافت منجر به تولید نوترون‌های بیشتر نیز می‌شود. امر سوالی مهم را برای بوهر و ویلر ایجاد کرد: آیا نوترون‌های آزاد ایجاد شده در فرآیند شکافت می‌‌توانند زنجیره‌ای از واکنش‌ها را ایجاد کنند که مقدار زیادی انرژی آزاد کند؟ در این صورت احتمالا ساخت یک جنگ افزار با قدرت غیر قابل تصور ممکن می‌شد. و چنین نیز شد!

به نام سوخت هسته‌ای، به کام بمب اتم!

در مارس ۱۹۴۰، گروهی از دانشمندان دانشگاه کلمبیا در نیویورک سیتی فرضیات بوهر و ویلر را تایید کردند. اورانیوم-۲۳۵ یا «U-235» مسئول شکافت هسته‌ای است.

 تیم دانشگاه کلمبیا تلاش کرد یک واکنش زنجیره‌ای با استفاده از اورانیوم-۲۳۵ آغاز کند اما شکست خورد. پس از این، همه کار‌ها به دانشگاه شیکاگو منتقل شد؛ جایی که در زمین اسکواش کنار استادیوم فوتبال آن، فرمی سرانجام موفق به انجام اولین واکنش زنجیره‌‌ای هسته‌ای کنترل شده در جهان شد.

در ابتدا، هیچ حرفی از بمب اتم نبود. دانشمندان تنها در تلاش بودند تا از این فرآیند برای تولید آنچه «سوخت هسته‌ای» نامیده می‌شد، استفاده کنند. اما تاریخ ‌طور دیگری رقم خورد!

اورانیوم-235

به دلیل اهمیت اورانیوم-235 در ساخت بمب اتمی، اجازه دهید نگاهی به آن بیندازیم. اورانیوم-235 یکی از ایزوتوپ‌های اورانیوم است که می‌تواند دستخوش شکافت هسته‌ای شود. دوره واپاشی طبیعی اورانیوم درحدود 700 سال است، درحالیکه می‌تواند با وارد کردن یک نوترون آن را در مدت زمان بسیار کوتاهی شکست. درحقیقت، نوترون بی‌درنگ جذب هسته اورانیوم شده و فرآیند شکافت هسته‌ای بلافاصله آغاز می‌شود - در این حالت هسته به دو قطعه تقسیم می‌شود که هرکدام هسته‌ای با حدود نیمی از پروتون‌ها و نوترون‌های هسته اصلی هستند.

در این فرآیند، هسته به محض دریافت نوترون به دو اتم سبک‌تر تقسیم می‌شود و دو یا سه نوترون آزاد می‌کند. تعداد نوترون‌های آزاد شده به چگونگی فرآیند شکافت اورانیوم-235 بستگی دارد. هنگامی که دو اتم سبک تر در وضعیت جدید تثبیت شدند، اشعه گاما و مقدار زیادی انرژی گرمایی ساطع می‌کنند.

چند نکته در مورد فرایند شکافت وجود دارد که جالب هستند:

 احتمال دریافت یک نوترون توسط اورانیوم-۲۳۵ نسبتا بالاست. در بمبی که به درستی کار می‌کند، بیش از یک نوترون در هر فرآیند شکافت به وجود می‌‌آید که سبب وقوع شکافت دیگر می‌شود.

 اگر شما یک مهره به درون این دایره بزرگ پرتاب کنید - به عبارتی یک نوترون واحد- به یک مهره برخورد خواهد کرد که به نوبه خود باعث برخورد آن با مهره‌های بیشتری می‌شود. به همین ترتیب یک واکنش زنجیره‌ای از برخوردها آغاز شده و ادامه می‌یابد. پس در این حالت نوترون‌های بیشتری منتشر می‌شوند و هسته‌های بیشتری را می‌شکافند. این سری از شکافت‌های به سرعت در حال افزایش، در یک واکنش زنجیره‌ای به اوج خود می‌رسند و در آن تقریبا تمام مواد شکافت‌پذیر مصرف می‌شوند. در این حالت فرآیند، نوعی فرآیند انفجاری است که به عنوان «بمب اتم» شناخته می‌شود.

فرایند دریافت نوترون و شکافت هسته‌ای بسیار سریع و تنها در عرض پیکوثانیه (تریلیونیُم ثانیه) رخ می‌دهد.

در سال 1941، دانشمندان دانشگاه «برکلی» در کالیفرنیا عنصری دیگری - عنصر شماره 94 - کشف کردند که احتمالا می‌توان از آن برای سوخت هسته‌ای استفاده کرد. آن‌ها این عنصر را «پلوتونیوم» نامیدند. در طی سال‌های بعد، آزمایشات کافی بر روی این عنصر انجام شد و دانشمندان درنهایت دریافتند از شکافت پلوتونیوم می‌توان به عنوان دومین سوخت ممکن برای سلاح‌های هسته‌ای استفاده کرد. پلوتونیوم را به نوعی می‌توان ماده اولیه شکافت‌پذیر مورد استفاده در بمب‌های اتمی دانست.

ویژگی‌های بمب اتم

هسته یک بمب اتم از نوع انفجاری شامل یک کره یا مجموعه‌ای از پوسته‌های متحدالمرکز از مواد شکافت‌پذیر است. هنگامی که یک کیلوگرم اورانیوم-235 به‌طور کامل شکافته شود، انرژی معادل 17000 تن یا 17 کیلوتن TNT آزاد می‌کند. انفجار چنین بمبی مقدار زیادی انرژی حرارتی آزاد می‌کند که گرمای آن می‌تواند یک شهر را به‌طور کامل بسوزاند. جریان‌های همرفتی ایجاد شده در اثر انفجار، گرد و غبار و سایر مواد را به درون گوی آتش ایجاد شده می‌کِشاند و ابر قارچی شکلی ایجاد می‌کند که نتیجه انفجار اتمی است.

• اگر تمام بمب‌های اتم منفجر شوند چه اتفاقی می‌افتد؟

این انفجار همچنین یک موج ضربه‌ای قوی ایجاد می‌کند که از مرکز انفجار تا شعاع چندین کیلومتری گسترش می‌یابد و به تدریج نیروی خود را از دست می‌دهد. این موج‌ها هرچیزی در مسیر خود را تخریب می‌کنند.

همانطور که گفتیم، در این انفجار نوترون و پرتوهای گاما ساطع می‌شود. این تشعشعات کشنده هستند اما در طول 1.5 تا 3 کیلومتر از انفجار کاهش می‌یابند.

مواد تبخیر شده در گوی آتشین به ذرات ریز متراکم در هوا تبدیل می‌شوند و این زباله‌های رادیواکتیو که به آن «ریزش» می‌گویند، توسط بادها به ناحیه «تروپوسفر» یا «استراتوسفر» برده می‌شوند. این آلاینده‌ها طول عمر بالایی دارند و قرار گرفتن در محدوده آن‌ها کشنده است.

بمب اتم روی کار آمد!

برای ساخت بمب اتم، سوخت هسته‌ای باید در توده‌ای جداگانه - مقدار بیشتر 0.45 کیلوگرم - و در وضعیت «آستانه بحران» نگهداری شود (مقدار 0.45 کیلوگرم را «جرم زیر-بحرانی» می‌نامند) توده بحرانی یا در آستانه بحران، عبارت است از حداقل توده از یک ماده با قابلیت شکافت که برای رسیدن به واکنش شکافت هسته‌‌ای در آن ماده لازم است. مجددا به شبیه‌سازی مهره‌ها بیاندیشید.

اگر مهره‌هایی که درون یک دایره گردهم آمده‌اند، بسیار دور از هم باشند - حالت زیر حد بحرانی - وقتی مهره (یا همان نوترون) به درون دایره پرتاب می‌شود، واکنش زنجیره‌ای یا رخ نمی‌دهد و یا بسیار کوچک خواهد بود. اگر مهره‌ها در دایره به هم نزدیک و فشرده باشند - توده بحرانی یا در آستانه بحران - آنگاه شانس بیشتری برای به وقوع پیوستن یک واکنش زنجیره‌ای بزرگ وجود دارد.

البته نگهداری سوخت در حالت آستانه بحران چالش‌هایی دارد که در آن زمان مشکلات متعددی برای دانشمندان بوجود آورد. برای آنکه بتوان از یک بمب اتمی عملکرد مناسبی انتظار داشت، دانشمندان موظف بودند این چالش‌ها را برطرف سازند.

توده فوق بحرانی، جرقه بمب اتم

توده‌های در آستانه بحران می‌توانند باهم ترکیب شده و توده‌های فوق بحرانی را بوجود بیاورند. برای آنکه فرآیند شکافت آغاز شود، نوترون‌های آزاد باید به توده فوق بحرانی القا شوند. این امر توسط یک مولد نوترون انجام می‌شود. این مولد یک گوی کوچک از جنس «پولونیوم» و «بریلیوم» است که درون یک پوسته در درون محفظه سوخت نگهداری می‌شود.

وقتی توده‌های در آستانه بحران باهم جمع می‌شوند، پوسته شکسته شده و پولونیوم خودبخود ذرات آلفا ساطع می‌کند. این ذرات آلفا در برخورد با بریلیوم 9، قادر هستند نوترون‌های آزاد و بریلیوم 8 تولید کنند. نوترون‌های تولید شده در این فرآیند، شکافت هسته‌ای را آغاز می‌کنند.

چالش اینجاست که پیش از آنکه بمب اتم منفجر شود، طراحان باید سیستمی را به کار گیرند تا حداکثر ماده ممکن دستخوش شکافت هسته‌ای شود. آن‌ها چطور بر این چالش غلبه کردند؟

این امر با محدود کردن واکنش شکافت هسته‌ای به وسیله یک ماده متراکم به نام «تمپر» انجام می‌‌شود که معمولا از اورانیوم-۲۳۸ ساخته می‌شود. تمپر در طول فرآیند گرم شده و منبسط می‌شود. انبساط تمپر سبب بازگشت فشار به محفظه شده و انبساط محفظه را با سرعت کندتری انجام می‌دهد. تمپر همچنین نوترون‌ها را به محفظه بازمی‌گرداند تا نرخ واکنش شکافت‌ هسته‌ای افزایش یابد.

به تاریخ برگردیم

پس از آغاز جنگ سرد میان ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی و بمباران شهرهای هیروشیما و ناکازاکی در تاریخ‌های 6 و 9 آگوست 1945، هر دو طرف مصمم به ساخت سلاح‌های هسته‌ای شدند و مبالغ هنگفتی را در سال‌های 1945 تا اواخر 1980 در این زمینه صرف کردند. آن‌ها درحقیقت انبارهای خود را توسعه می‌دادند.

در آن زمان تهدید مورد هدف بمب اتم قرار گرفتن و به وجود آمدن خرابی‌های فاجعه بار، بر همه غلبه کرده بود. دولت به ساخت پناهگاه در شهر و مردم به حفر آن در حیاط‌‌های پشتی خانه‌‌هایشان پرداختند.

در سال‌های ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰ رفته رفته از تنش‌ها کاسته شد. سپس دیوار برلین در سال ۱۹۸۹ تخریب شد و ۲ سال بعد، دولت اتحاد جماهیر شوری سقوط کرد. بدین ترتیب، جنگ سرد رسما خاتمه یافت. با توسعه روابط بین دو کشور (روسیه و آمریکا)، به تدریج تعهدی مبنی بر محدود کردن زرادخانه‌های اتمی شکل گرفت و معاهدات دیگری که عملی شدن آن‌ها تا فوریه ۲۰۱۱ نیز ادامه داشت، دنبال شد.

در این معاهدات، ساخت اسلحه‌های استراتژیک جدید کاهش یافته و محدود شد. به علاوه، این پیمان خواستار محدودیت درمجموع 1550 کلاهک هسته‌ای بود.

متاسفانه با وجود این معاهدات هنوز تهدید جنگ اتمی باقیست. در حال حاضر، ۹ کشور می‌توانند کلاهک‌های هسته‌ای را به وسیله موشک‌های بالیستیک ارسال کنند. حداقل ۳ تا از این کشور‌ها (ایالات متحده، روسیه و چین)، می‌توانند هر هدفی را در هر جای دنیا مورد اصابت قرار دهند. بمب‌هایی که ژاپن را مورد اصابت قرار داد، قطعا در مورد قدرت تخریب، حرفی برای گفتن در مقابل اسلحه‌های امروزی ندارند. در سال ۲۰۰۹، کره شمالی توانست یک سلاح هسته‌ای با قدرت بمب اتمی که هیروشیما را نابود کرد با موفقیت آزمایش کند. انفجار زیزمینی آن به قدری قوی بود که زلزله‌ای با قدرت ۴.۵ در مقیاس ریشتر ایجاد کرد.

تصاویر منتشر شده از بمباران هسته‌ای و بیماری‌هایی که برای افراد ایجاد می‌کند، به حدی دردناک هستند که آرزو می‌کنیم هیچگاه این رخداد مجددا تکرار نشود و دانشمندان از این حجم انرژی تنها برای اهداف علمی یا پیشبرد امور انسان‌دوستانه استفاده کنند.