Atombomben und wie sie funktionieren

Es gibt zwei Arten von atomaren Explosionen, die durch Uran-235 erleichtert werden können: Spaltung und Fusion. Vereinfacht ausgedrückt ist die Spaltung eine Kernreaktion, bei der sich ein Atomkern in Fragmente (normalerweise zwei Fragmente mit vergleichbarer Masse) aufspaltet und dabei 100 Millionen bis mehrere Hundert Millionen Volt Energie abgibt. Diese Energie wird in der Atombombe explosionsartig und gewaltsam ausgestoßen. Eine Fusionsreaktion wird dagegen üblicherweise mit einer Spaltungsreaktion gestartet. Im Gegensatz zur Kernspaltungsbombe bezieht die Kernspaltungsbombe (Wasserstoffbombe) ihre Kraft aus der Verschmelzung von Kernen verschiedener Wasserstoffisotope zu Heliumkernen.

Atombomben

Dieser Artikel beschreibt die A-Bombe oder Atombombe. Die massive Kraft hinter der Reaktion in einer Atombombe ergibt sich aus den Kräften, die das Atom zusammenhalten. Diese Kräfte sind mit dem Magnetismus verwandt, aber nicht mit ihm.

Über Atome

Atome bestehen aus verschiedenen Anzahlen und Kombinationen der drei subatomaren Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen bilden zusammen den Kern (Zentralmasse) des Atoms, während die Elektronen den Kern umkreisen, ähnlich wie Planeten um eine Sonne. Das Gleichgewicht und die Anordnung dieser Teilchen bestimmen die Stabilität des Atoms.

Teilbarkeit

Die meisten Elemente haben sehr stabile Atome, die sich nur durch Beschuss mit Teilchenbeschleunigern spalten lassen. Für alle praktischen Zwecke ist das einzige natürliche Element, dessen Atome leicht gespalten werden können, Uran, ein Schwermetall mit dem größten Atom aller natürlichen Elemente und einem ungewöhnlich hohen Verhältnis von Neutronen zu Protonen. Dieses höhere Verhältnis verbessert nicht die "Spaltbarkeit", hat jedoch einen wichtigen Einfluss auf die Fähigkeit, eine Explosion zu begünstigen, was Uran-235 zu einem außergewöhnlichen Kandidaten für die Kernspaltung macht.

Uran-Isotope

Es gibt zwei natürlich vorkommende Isotope des Urans. Natürliches Uran besteht hauptsächlich aus dem Isotop U-238 mit 92 Protonen und 146 Neutronen (92 + 146 = 238) in jedem Atom. Damit verbunden ist eine 0,6% ige Anreicherung von U-235 mit nur 143 Neutronen pro Atom. Die Atome dieses leichteren Isotops können gespalten werden, daher ist es "spaltbar" und nützlich bei der Herstellung von Atombomben.

Das Neutronen-schwere U-238 spielt auch in der Atombombe eine Rolle, da seine Neutronen-schweren Atome streunende Neutronen ablenken können, wodurch eine zufällige Kettenreaktion in einer Uranbombe verhindert wird und Neutronen in einer Plutoniumbombe verbleiben. U-238 kann auch "gesättigt" sein, um Plutonium (Pu-239) zu produzieren, ein künstliches radioaktives Element, das auch in Atombomben verwendet wird.

Beide Isotope des Urans sind von Natur aus radioaktiv; Ihre sperrigen Atome zerfallen mit der Zeit. Bei genügend Zeit (Hunderttausende von Jahren) wird Uran schließlich so viele Partikel verlieren, dass es sich in Blei verwandelt. Dieser Zerfallsprozess kann in einer sogenannten Kettenreaktion stark beschleunigt werden. Anstatt sich auf natürliche und langsame Weise aufzulösen, werden die Atome durch Beschuss mit Neutronen gewaltsam gespalten.

Kettenreaktionen

Ein Schlag eines einzelnen Neutrons reicht aus, um das weniger stabile U-235-Atom zu spalten, Atome kleinerer Elemente (oft Barium und Krypton) zu bilden und Wärme und Gammastrahlung (die stärkste und tödlichste Form von Radioaktivität) freizusetzen. Diese Kettenreaktion tritt auf, wenn "freie" Neutronen aus diesem Atom mit ausreichender Kraft herausfliegen, um andere U-235-Atome, mit denen sie in Kontakt kommen, zu spalten. Theoretisch muss nur ein U-235-Atom gespalten werden, wodurch Neutronen freigesetzt werden und andere Atome gespalten werden, wodurch Neutronen freigesetzt werden. Diese Folge ist keine Arithmetik; es ist geometrisch und findet innerhalb einer millionstel Sekunde statt.

Die minimale Menge, um eine Kettenreaktion wie oben beschrieben zu starten, ist als überkritische Masse bekannt. Für reines U-235 sind es 50 Kilogramm. Kein Uran ist jedoch jemals so rein, dass in Wirklichkeit mehr benötigt werden, wie U-235, U-238 und Plutonium.

Über Plutonium

Uran ist nicht das einzige Material, aus dem Atombomben hergestellt werden. Ein weiteres Material ist das Pu-239-Isotop des künstlichen Elements Plutonium. Plutonium kommt in der Natur nur in winzigen Spuren vor, daher müssen verwertbare Mengen aus Uran hergestellt werden. In einem Kernreaktor kann das schwerere U-238-Isotop des Urans dazu gezwungen werden, zusätzliche Partikel aufzunehmen, die schließlich zu Plutonium werden.

Plutonium löst von sich aus keine schnelle Kettenreaktion aus. Dieses Problem wird jedoch durch eine Neutronenquelle oder ein hochradioaktives Material behoben, das Neutronen schneller als das Plutonium selbst abgibt. Bei bestimmten Arten von Bomben wird eine Mischung der Elemente Beryllium und Polonium verwendet, um diese Reaktion auszulösen. Es wird nur ein kleines Stück benötigt (die überkritische Masse liegt bei 32 Pfund, obwohl nur 22 Pfund verwendet werden können). Das Material ist an und für sich nicht spaltbar, sondern wirkt lediglich als Katalysator für die größere Reaktion.