«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 بمب 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 است.

بین سال‌های ۱۹۴۵ و اواخر ۱۹۸۰، هر دو طرف پول زیادی را در سلاح ‌های هسته ‌ای سرمایه گذاری کردند و بیشتر به دلیل جلوگیری از وقوع جنگ، انبار‌های خود را توسعه دادند. تهدید مورد هدف بمب قرار گرفتن و به وجود آمدن خرابی ‌های فاجعه بار، بر همه غلبه کرده بود. دولت به ساخت پناهگاه در شهر و مردم به حفر آن در حیاط‌ های پشتی خانه‌ هایشان پرداختند.

در سال‌های ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰ رفته رفته از تنش ها کاسته شد. سپس، دیوار برلین در سال ۱۹۸۹ تخریب شد و ۲ سال بعد، دولت اتحاد جماهیر شوری سقوط کرد. جنگ سرد رسما خاتمه یافت. با توسعه روابط بین دو کشور، به تدریج تعهدی مبنی بر محدود کردن زرادخانه ‌های اتمی شکل گرفت و معاهدات دیگری که عملی شدن آن‌ها تا فوریه سال ۲۰۱۱ نیز ادامه داشت دنبال شد. هدف پیمان کاهش اسلحه ‌های استراتژیک جدید، مانند نسخه‌ های قبلی آن، این است که اسلحه‌های استراتژیک را بیشتر کاهش داده و محدود کند. در کنار دیگر اقدامات، این پیمان خواستار محدودیت در مجموع ۱۵۵۰ کلاهک هسته‌ای بود. 

متاسفانه با وجود کناره گیری موقت روسیه و ایالات متحده از این عرصه، تهدید جنگ اتمی هنوز باقیست. در حال حاضر، ۹ کشور می‌توانند کلاهک ‌های هسته ‌ای را به وسیله موشک ‌های بالیستیک ارسال کنند. حداقل ۳ تا از این کشور ها (ایالات متحده، روسیه و چین)، می‌توانند هر هدفی را در هر جای دنیا مورد اصابت قرار دهند. بمب ‌هایی 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. 

در حالی که چشم انداز سیاسی جنگ افزار هسته‌ای در طی سال‌ها به طور قابل توجهی تغییر کرده است، علم خود سلاح -پروسه اتمی که باعث آزاد شدن انرژی می‌شود- از زمان انیشتین شناخته شده بود.

در ادامه مطلب با ما همراه باشید تا نگاهی به نحوه کارکرد بمب‌های اتمی، که شامل چگونگی ساخت و استقرار آن‌ها می‌شود، داشته باشیم. 

ساختار اتمی و پرتوزایی

همانگونه که می ‌دانید، یک اتم از ۳ جزء ساخته شده: پروتون، نوترون و الکترون. مرکز یک اتم که هسته نامیده می‌شود از پروتون ‌ها و نوترون‌ ها تشکیل شده است. پروتون ‌ها دارای بار مثبت هستند، نوترون ‌ها در کل فاقد بار بوده و الکترون‌ها بار منفی دارند. نسبت پروتون به الکترون همیشه یک به یک است به طوری که اتم به عنوان یک مجموعه، بار خنثی دارد. به عنوان مثال، یک اتم کربن، ۶ پروتون و ۶ الکترون دارد. 

البته به این سادگی که تصور می‌شود نیست. خصوصیات یک اتم می‌ تواند بر اساس تعداد هر یک از ذرات، به طور قابل توجهی تغییر کند. اگر تعداد پروتون‌ها را تغییر دهید، با عنصر کاملا جدیدی مواجه می ‌شوید. چنانچه تعداد نوترون‌ ها در یک اتم تغییر کند یه یک ایزوتوپ دست خواهید یافت. مثلا، کربن ۳ ایزوتوپ دارد:

۱. کربن ۱۲ ( ۶ پروتون + ۶ نوترون )، پایدار و معمول

۲. کربن ۱۳ ( ۶ پروتون +‌ ۷ نوترون )، پایدار ولی نادر.

۳. کربن ۱۴ (۶ پروتون +‌ ۸ نوترون )، نادر و ناپایدار ( رادیواکتیو ).

همانطور که دیده می ‌شود، بیشتر هسته ‌های اتمی ثابت هستند اما تعدادی هم نه. این هسته ‌ها خودبخود ذراتی منتشر می‌ کنند که دانشمندان به عنوان رادیاسیون ( پرتوزایی ) از آن یاد می ‌کنند. هسته‌ ای که اشعه ساطع می‌ کند رادیواکتیو بوده و عمل انتشار ذرات به عنوان تجزیه رادیواکتیو یا واپاشی شناخته می ‌شود. 

اکنون، ۳ نوع واپاشی را با هم مرور می‌کنیم:

واپاشی آلفا:‌ هسته، یک ذره آلفا ( شامل دو پروتون و دو نوترون ) را گسیل می ‌کند.

واپاشی بتا: هسته به یک پروتون، یک الکترون و یک آنتی نوترون تبدیل می ‌شود. الکترون رها شده ذره بتا است. 

شکافت خودبخود: یک هسته به دو قسمت شکافته می ‌شود. نوترون ‌های خارج شده می‌ توانند اشعه ‌های نوترونی ساطع کنند. همچنین هسته می‌تواند انفجاری از انرژی الکترومغناطیسی تحت عنوان اشعه گاما منتشر کند. 

بخش شکافت را به خاطر بسپارید. وقتی درباره بمب‌های اتمی بحث می‌کنیم، به آن نیاز خواهیم داشت. 

شکافت هسته ‌ای

بمب ‌های اتمی شامل نیروی ‌هایی -قوی و ضعیف- هستند، که به ویژه در هسته ‌های ناپایدار،‌ هسته اتم را به هم پیوسته نگه می‌دارد. دو راه اساسی وجود دارد که انرژی هسته ‌ای می ‌تواند از یک اتم آزاد شود. 

در شکافت هسته ‌ای، دانشمندان هسته یک اتم را به ۲ جزء کوچکتر تقسیم می ‌کنند. همجوشی هسته ‌ای، فرایندی که خورشید به وسیله آن انرژی ایجاد می ‌کند، شامل همجوشی ۲ اتم کوچکتر برای تشکیل اتمی بزرگتر است. در هر دو فرایند شکافت یا گداخت، منجر به تولید مقادیر عظیمی انرژی به صورت نور و گرما می ‌شود.

در سال ۱۹۳۰، یک فیزیکدان ایتالیایی به نام انریکو فرمی، نشان داد که اجزاء می‌ توانند در معرض بمباران نوترونی به عناصر جدیدی تبدیل شوند. این دست آورد به کشف نوترون‌های آرام، عناصر جدیدی که در جدول تناوبی وجود نداشتند، انجامید.

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 نوترون‌های با سرعت پایین باعث شکافت هسته اورانیوم و شکستن آن به دو بخش کوچکتر می‌ شوند. در دانشگاه پرینستون،‌ نیلز بوهر و جان ویلر، برای ساخت یک مدل فرضی فرایند شکافت تلاش کردند. آنها حدس می ‌زدند آنچه که دستخوش شکافت می‌شود ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ است نه اورانیوم ۲۳۸.

تقریبا در همان زمان دانشمندان دیگری کشف کردند که فرایند شکافت منجر به تولید نوترون ‌های بیشتری می‌ شود. این امر بوهر و ویلر را به سوالی مهم سوق داد: آیا نوترون ‌های آزاد ایجاد شده در شکافت می‌ توانند زنجیره ‌ای از واکنش ‌ها 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!

سوخت هسته ‌ای

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 هسته ‌ای است. تیم کلمبیا تلاش کرد یک واکنش زنجیره ‌ای 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، انریکو فرمی سرانجام به اولین واکنش زنجیره‌ ای هسته ‌ای کنترل شده جهان دست یافت. توسعه یک بمب هسته ‌ای با استفاده از اورانیوم ۲۳۵ به عنوان سوخت به سرعت پیش رفت. 

به دلیل اهمیت اورانیوم ۲۳۵ در ساخت یک بمب اتمی، اجازه دهید نگاهی به آن بیندازیم. اورانیوم ۲۳۵ یکی از موادی است که می‌تواند دستخوش شکافت شود. بجای انتظاری پیش از ۷۰۰ میلیون سال برای واپاشی طبیعی اورانیوم، این عنصر می‌ تواند در صورت وارد شدن یک نوترون به آن، بسیار سریع ‌تر شکسته شود. هسته، نوترون را بی درنگ جذب کرده،‌ ناپایدار شده و بلافاصله شکافته می ‌شود. 

به محض اینکه هسته نوترون را دریافت کرد، به دو اتم سبک تر تقسیم می‌ شود و دو یا سه نوترون جدید نیز رها می ‌کند. تعداد نوترون ‌های استخراج شده به چگونگی شکافت اتم اورانیوم ۲۳۵ بستگی دارد. هنگامی که دو اتم سبک تر در وضعیت جدید تثبیت شدند، اشعه گاما ساطع می‌کنند. 

چند نکته در مورد فرایند شکافت القایی وجود دارد که آن را جالب توجه می ‌سازد:

 احتمال دریافت یک نوترون توسط اورانیوم ۲۳۵ نسبتا بالاست. در بمبی که به درستی کار می ‌کند، بیش از یک نوترون از هر شکافت به وجود می‌ آید که سبب وقوع شکافت دیگر می ‌شود. تصور پروتون ‌ها و نوترون‌ های یک اتم به عنوان دایره بزرگی از مهره ها، به درک این چرخه کمک می ‌کند. اگر شما یک مهره به میان این دایره بزرگ پرتاب کنید -به عبارتی یک نوترون واحد- به یک مهره برخورد خواهد کرد که به نوبه خود با مهره‌های بیشتری مصادف می ‌شود و به همین ترتیب یک واکنش زنجیره ‌ای ادامه می‌باید. 

فرایند دریافت نوترون و شکافت بسیار سریع، در عرض پیکوثانیه (تریلیونیُم ثانیه) رخ می ‌دهد. به منظور اعمال این خاصیت اورانیوم ۲۳۵، باید نمونه ‌ای از اورانیوم غنی شود. جنگ افزار‌های اورانیومی از حداقل ۹۰ درصد  U-235 تشکیل شده ‌اند. 

در سال ۱۹۴۱، دانشمندان کالیفرنیا در برکلی، عنصر دیگری -عنصر شماره ۹۴- کشف کردند که ممکن بود به عنوان سوخت هسته ‌ای مورد استفاده قرار گیرد. آنها عنصر را پلوتونیوم نامیدند و در طی سال ‌های بعد آزمایشات کافی روی آن انجام دادند. نهایتا، آن‌ ها مشخصات شکافت پلوتونیوم را ایجاد و دومین سوخت ممکن برای سلاح ‌های هسته ‌ای را شناسایی کردند.

 طراحی بمب‌ های شکافتی

در یک بمب شکافتی، سوخت باید در توده ای جداگانه، در وضعیت زیر آستانه بحران نگه داری شود. توده بحرانی یا در آستانه بحران، عبارت است از حداقل توده از یک ماده با قابلیت شکافت که برای رسیدن به واکنش شکافت هسته‌ ای لازم است. مجددا به شبیه سازی مهره‌ها بیاندیشید. اگر مدار مهره‌ ها بیش از حد دور از هم گسترده شود - توده زیر حد بحرانی - وقتی ‘مهره نوترون’ به مرکز برخورد کند، یک واکنش زنجیره‌ ای کوچک‌ تر رخ می‌ دهد. اگر مهره‌ ها در دایره  نزدیک‌ تر به یکدیگر قرار گیرند - توده بحرانی - شانس بیشتری برای به وقوع پیوستن یک واکنش زنجیره‌ ای بزرگ وجود دارد. 

نگه داری سوخت در توده تحت بحرانی حداگانه، منجر به چالش‌ های طراحی می‌ شود که باید برای عملکرد صحیح یک بمب شکافتی حل شوند. البته نخستین چالش، توده‌ های تحت بحرانی هستند که با یکدیگر یک توده فوق بحرانی را می‌ سازند تا نوترون‌ های مورد نیاز برای حفظ یک واکنش شکافتی را در زمان انفجار فراهم آورند. طراحان بمب‌ های شکافتی دو راه حل ارائه داده اند که در بخش‌ های بعدی آن‌ ها را پوشش خواهیم داد. 

مورد بعدی این است که برای آغاز شکافت، نوترون‌های آزاد باید به توده فوق بحرانی القا شوند. این امر توسط یک مولد نوترون انجام می‌ گیرد. این مولد یک گوی کوچک از پولونیوم و بریلیوم است که توسط یک پوسته درون محفظه سوخت جدا می‌ شود. وقتی توده‌های تحت بحرانی با هم جمع می‌ شوند، پوسته شکسته شده و پولونیوم خودبخود ذرات آلفا ساطع می‌ کند. سپس این ذرات آلفا با بریلیوم ۹ برخورد کرده، بریلیوم ۸ و نوترون‌ های آزاد تولید می‌کنند. آنگاه، نوترون‌ ها شکافت را آغاز می‌ نمایند. 

سرانجام، طرح باید اجازه دهد پیش از آنکه بمب منفجر شود، تا حد امکان مقدار بیشتری از مواد دستخوش شکافت شوند. این امر با محدود کردن واکنش شکافت به وسیله یک ماده متراکم، به نام تمپر، انجام می‌ شود که معمولا از اورانیوم ۲۳۸ ساخته می‌ شود. این ماده توسط فضای شکافت گرم شده، سپس منبسط می‌ شود. این اتساع تمپر، باعث بازگشت فشار به محفظه شده و انبساط محفظه را کند می‌ کند. تمپر همچنین نوترون‌ ها را به محفظه منعکس می‌ کند و کفایت واکنش شکافت را افزایش می‌ دهد.

برای مطالعه ی قسمت دوم این مقاله می توانید به این لینک رجوع نمائید.