Физика в бою

ИЗ ГЛУБИН ВЕЩЕСТВА

Сейчас уже всем известно, какой огромной разрушительной мощью обладает ядерное оружие. Тротиловые эквиваленты термоядерных зарядов межконтинентальных баллистических ракет измеряются несколькими миллионами и даже десятками миллионов тонн. Эта цифра станет более понятной, если учесть, что общее количество взрывчатых веществ, использованных за всю вторую мировую войну, составило приблизительно 3 млн. т тротила.

Наряду с мощными ядерными зарядами, предназначенными для решения стратегических задач, созданы ядерные заряды для использования на поле боя. Их тротиловый эквивалент колеблется от нескольких десятков до десятков тысяч тонн. Создание столь разнообразного арсенала ядерного оружия обязано достижениям физики XX столетия — открытию ядерной энергии. Но само это открытие было бы невозможным без познания ряда физических закономерностей микромира.

В 1905 г. великий физик нашего столетия Эйнштейн опубликовал законы теории относительности. Согласно этой теории масса тела (частицы) не остается постоянной при движении. Зависимость массы тела от скорости движения определяется формулой

где m₀ — масса покоящегося тела (масса покоя);

v — скорость движения тела;

с — скорость распространения света в пустоте.

Согласно этому закону для малых скоростей v масса m тела практически равна m₀, но при приближении v к скорости света с масса тела m быстро возрастает.

Другой важный закон теории относительности — соотношение между массой тела m и его энергией E, которое равно:

Разложив в ряд это выражение для энергии Е, получим такую зависимость:

Выведенная формула дает общую энергию, которой обладает тело массы m₀, движущееся со скоростью v. Постоянный член m₀с² представляет собой энергию, присущую самому телу. Второй член в формуле не что иное, как обычное выражение кинетической энергии тела (т. е. энергии механического движения), встречающееся в классической механике. Видно, что при малых скоростях тела v второй и последующие члены в формуле малы по сравнению с первым членом.

Этот фундаментальный закон теории относительности — закон взаимосвязи массы и энергии — сыграл выдающуюся роль в раскрытии многих тайн атома и его ядра. На его использовании основано получение энергии при расщеплении тяжелых ядер атомов, которое практически осуществляется в реакторах и ядерных боеприпасах. Этот закон показал и путь получения энергии при соединении легких ядер атомов — путь, используемый пока что лишь в термоядерных боеприпасах. Но недалек день, когда люди научатся управлять термоядерной реакцией по своему усмотрению. Эго навсегда избавит человечество от угрозы истощения энергетических ресурсов.

Но как же практически применяется закон взаимосвязи массы и энергии?

По современным представлениям, вся природа состоит из мельчайших частиц — атомов. Атом — сложная частица, состоящая из ядра, вокруг которого вращаются электроны. В ядро входят частицы, примерно равные по массе — протоны и нейтроны. В ядрах легких и средних элементов число протонов равно числу нейтронов. В более тяжелых ядрах число нейтронов несколько больше числа протонов, а в тяжелых ядрах количество нейтронов примерно в 1,5 раза больше, чем протонов. Число электронов на орбитах равно числу протонов в ядре. Интересно, что по весу протон (нейтрон) примерно в 1836 раз тяжелее электрона. Это значит, что в ядре атома сосредоточена почти вся его масса. Согласно закону взаимосвязи массы и энергии в ядре атома сосредоточена в основном и вся его энергия. Вот почему ученые обратили внимание на ядро атома, когда встал вопрос о выделении ядерной энергии.

Часть энергии атома, заключенная в электронной оболочке, выделяется при химических реакциях (горение топлива, взрыв обычных взрывчатых веществ) и называется химической. Взрыв одного килограмма тротила дает около тысячи больших калорий, сгорание килограмма хорошего каменного угля — до 7 тыс., а килограмма нефти — до 11 тыс. больших калорий химической энергии. Вся эта энергия выделяется только в результате перестройки электронных оболочек атомов, участвующих в реакциях взрыва или горения.

Поскольку электронная оболочка содержит незначительное количество энергии по сравнению с энергией ядра, то и изменение массы при сжигании 1 кг каменного угля очень ничтожное, равно 1,68×10^-10 кг. Взвешивание такой массы находится в настоящее время за пределами наших возможностей. Наименьший вес, который можно взвесить микровесами, равен около 10^-7 кг. Таким образом, измерить разницу в массах, возникающую при реакции горения, невозможно. Сказанное справедливо для любой химической реакции, поскольку в этом случае выделяется количество энергии того же порядка, что и при горении каменного угля. Совершенно иное положение получается при ядерных реакциях.

Образование ядер из протонов и нейтронов сопровождается выделением энергии. Откуда же она появляется? Измерения масс ядер различных элементов показали, что они меньше суммы масс входящих в них частиц — протонов и нейтронов. Эта убыль массы, проявляющаяся при образовании ядер, называется дефектом массы и обозначается Δm. По закону взаимосвязи массы и энергии можно вычислить энергию, которая выделяется при этом. Она будет равна: Е = Δm×с². Эта энергия была названа энергией связи ядра, потому что такое же количество энергии нужно затратить на то, чтобы разбить ядро на составляющие его частицы.

Для всех ядер атомов дефект массы определен специальными приборами — масс-спектрографами. Следовательно, для всех ядер определена и энергия связи. Подсчитаем для примера энергию связи ядра гелия. Масса ядра атома гелия, определенная масс-спектрографическим методом, равна 4,003 атомных единиц массы (аем = 1,66×10^-24 г). Сумма же масс двух протонов и двух нейтронов, входящих в ядро атома гелия, равна 4,033 аем. Значит, при образовании ядра гелия дефект (убыль) массы равен 0,03 аем.

На основании закона взаимосвязи массы и энергии энергия связи ядра атома гелия равна:

Е = Δm×с² = 0,03×1,66×10^-24×(3×10¹⁰)² = 45×10^-6 эрг;

здесь Δm — масса в граммах; с — скорость света в см/сек.

В ядерной физике обычно энергию связи выражают в специальных единицах — миллионах электронвольт (Мэв = 1,6×10^-6 эрг). Это значит, что энергия связи ядра атома гелия равна 28 Мэв. Таким же образом можно вычислить энергию связи и других ядер атомов. Например, для ядра урана-235 энергия связи равна 1783 Мэв.

Очень важна величина энергии связи, приходящаяся на одну ядерную частицу — нуклон, E/A, где A — массовое число.

Как видно, энергия связи на нуклон равна величине общей энергии связи ядра Е, деленной на общее число нуклонов в ядре (массовое число А). Для дейтерия E/A равна 1,09 Мэв, трития — 2,77 Мэв, гелия — 7 Мэв, железа — 8,7 Мэв, урана — 7,6 Мэв и т. д.

Для химических элементов энергия связи, приходящаяся на один нуклон, приведена на рис. 1. Здесь по горизонтальной оси отложено массовое число элементов А, по вертикальной — энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон E/A, в мегаэлектронвольтах (Мэв). Кривая имеет важное значение для ядерной физики. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, то есть показывает, какую энергию нужно потратить для того, чтобы оторвать один нуклон от ядра.

С другой стороны, кривая показывает, какое количество энергии выделяется на один нуклон при образовании ядра. Легко увидеть, что наибольшей прочностью обладают ядра атомов химических элементов с массовыми числами А, лежащими в пределах от 40 до 100, другими словами, элементов средней части периодической системы Д. И. Менделеева. Ядра атомов химических элементов, расположенных в начале и конце периодической системы, имеют меньшую прочность.

Это-то обстоятельство и дало возможность открыть способы получения ядерной энергии, создать ядерное оружие. Ведь если осуществить ядерную реакцию, в которой будут образовываться ядра большей прочности, чем исходные, то реакция будет сопровождаться выделением энергии. Обратная реакция потребовала бы затраты энергии. Поэтому кривая графика указывает в принципе на два способа высвобождения ядерной энергии: первый — деление ядер тяжелых элементов, расположенных в конце периодической системы Д. И. Менделеева, на более легкие ядра; второй — соединение (синтез) ядер легких элементов (например, водорода) в более тяжелые ядра (например, гелия).

Рассчитаем, какое количество энергии выделится при делении ядер одного килограмма урана-235. При делении одного ядра урана-235 на два приблизительно равных ядра атомный вес каждого из них составит примерно 235/2 = 117, хотя наиболее вероятно получение одного тяжелого ядра с атомным весом 140, а другого легкого — с атомным весом 95.

Так как энергия связи на каждый нуклон этих легких ядер равна примерно 8,5 Мэв, то полная энергия связи одного легкого ядра будет 117×8,5 = 994 Мэв. Полная же энергия связи ядра урана-235, состоящего из 235 нуклонов, равна 235×7,6 = 1786 Мэв. Согласно сказанному выше при делении ядра урана на два легких ядра высвободится энергия, равная 994×2—1786 = 202 Мэв.

В 1 тыс. г урана содержится (6,02×10²³×1000)/235 = 2,56×10²⁴ атомов. При расщеплении всех их ядер высвободится энергия, равная 2,56×10²⁴×202 = = 520×10²⁴ Мэв = 2×10¹³ калорий = 2×10¹⁰ больших калорий (1 Мэв = 3,8×10^-14 калорий).

Для наглядного представления подсчитаем, сколько, например, нужно взорвать тротила, чтобы получить такое же количество энергии. Как уже отмечалось, при взрыве 1 кг тротила выделяется около тысячи больших калорий. Следовательно, при делении ядер 1 кг урана-235 выделяется такое же количество энергии, как и при взрыве 20 тысяч тонн тротила. Вот почему мощность ядерного оружия выражают обычно в тротиловых эквивалентах.

Реакция деления тяжелых ядер урана-235 и плутония-239 используется в ядерном оружии и ядерных силовых установках.

Иное дело — высвобождение внутриядерной энергии при соединении ядер изотопов водорода в ядра гелия. Практическое применение в этом случае нашла реакция соединения ядер тяжелого водорода (дейтерия) и сверхтяжелого водорода (трития).

Подсчитаем количество энергии, которое выделяется при образовании 1 кг гелия из ядер этих изотопов водорода. Полная энергия связи ядра дейтерия, состоящего из двух нуклонов, равна 2×1,09 = 2,18 Мэв, а ядра трития, состоящего из трех нуклонов, равна 3×2,78 = 8,34 Мэв. Полная же энергия связи ядра гелия, как уже отмечалось, равна 28 Мэв. Следовательно, при образовании одного ядра гелия из ядер дейтерия и трития высвободится ядерная энергия, равная 28 — (2,18 + 8,34) = 17,48 Мэв. В 1 тыс. г гелия содержится (6,02×10²³×1000)/4 = 1,5×10²⁶ атомов. Поэтому при образовании 1 кг гелия из ядер дейтерия и трития выделится такое количество ядерной энергии: 1,5×10²⁶×17,48 = 26,2×10²⁶ Мэв = 1,0×10¹⁴ калорий = 1,0×10¹³ больших калорий. Такое же количество энергии выделяется при взрыве 100 тыс. т тротила.

Если сравнить результаты расчетов, показывающих выделение внутриядерной энергии при делении и синтезе ядер, то окажется, что при синтезе изотопов водорода в ядрах гелия энергии выделяется в 5 раз больше, чем при делении ядер урана-235 или плутония-239. На рис. 1 это условно отмечено размером радиоактивного облака.

Реакция соединения ядер изотопов водорода используется, как известно, в термоядерном оружии.

Следует заметить, что закон взаимосвязи массы и энергии сыграл решающую роль в открытии ядерной энергии и создании ядерного и термоядерного оружия. Он открывает возможности создания еще более мощного источника энергии на основе аннигиляции античастиц— превращения элементарных частиц в фотоны энергии. Аннигиляционное излучение было открыто при взаимодействии электрона с позитроном. Электрон, соударяясь с позитроном, превращается в два фотона (кванта) с энергией по 0,51 Мэв каждый.

Аннигиляционное излучение возможно и при соударении других частиц, например, протона и антипротона. При соударении протона и антипротона образуется два кванта с энергией по 940 Мэв каждый. Может быть также получено аннигиляционное излучение и при соударении нейтрона и антинейтрона.

Особенность аннигиляции частиц состоит в том, что частицы «без остатка» переходят в фотоны, в то время как при делении ядер урана-235 и синтезе изотопов водорода дефект массы составляет менее одного процента.

На основании закона взаимосвязи массы и энергии можно вычислить количество энергии, выделяемое при аннигиляции любого количества массы вещества. Подсчитаем для примера, какая энергия связана с веществом, обладающим массой в один грамм:

Е = m×с² = 1×(3×10¹⁰)² = 9×10²⁰ эрг = 21×10¹² калорий = 21×10⁹ больших калорий.

Как видно, в 1 грамме массы скрыта энергия, эквивалентная взрыву примерно 20 тыс. т тротила. Не вызывает сомнения, что наука в будущем научится добывать энергию и на основе аннигиляции частиц. Уверенность в этом дают огромные успехи современной ядерной физики, решившей уже не одну сложную задачу.

Не следует, однако, думать, что физика открывает простор лишь для создания ядерных средств нападения. Использование иных открытых ею закономерностей дает возможность разрабатывать и эффективные средства защиты от поражающих факторов ядерного взрыва. Как это делается, рассмотрим на примере одного из таких факторов — светового излучения.

Если верить легенде, свет стал оружием еще в глубокой древности. До наших дней дошло предание о том, что якобы Архимед сжег неприятельский флот при помощи системы вогнутых зеркал — он будто бы концентрировал ими солнечные лучи, направляя на римские корабли. Правда, расчеты показывают, что возможность такого события маловероятна. Практически зажечь что-либо подобным путем можно на расстоянии, не более чем в десять раз превышающем размеры вогнутого зеркала. Однако древнее пророчество сбылось: свет все-таки сделался оружием. Но им стал не усиленный свет солнца, то есть собранные в одну точку солнечные лучи, а световая вспышка «ярче тысячи солнц» — ядерный взрыв.

На долю светового излучения ядерного взрыва приходится значительная часть всей выделяемой энергии — примерно 35%. Во время ядерной вспышки образуется светящаяся область, которая испускает, подобно солнцу, излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой части электромагнитного спектра. Чем мощнее заряд, тем больше размеры этой светящейся сферы. В иностранной печати сообщалось, что при воздушном взрыве боеприпаса мощностью 1 мгт радиус сферы достигает 885 м, а при заряде в 10 мгт — около 2780 м.

Световое излучение может наносить поражение людям на больших расстояниях от эпицентра. Так, при хорошей прозрачности атмосферы взрыв мощностью 1 мгт, как сообщалось в зарубежной печати, способен нанести ожоги второй степени людям на расстоянии до 18 км, а взрыв мощностью 10 мгт — до 35 км. Заметим, что слова «при хорошей прозрачности атмосферы» сказаны здесь не случайно. Состояние атмосферы играет существенную роль в распространении светового излучения и воздействии его на людей и технику. Не меньшее значение имеет и то, какие материалы встречает свет на своем пути: из чего, например, изготовлена одежда солдат и офицеров. При решении этих вопросов и в первом и во втором случае на помощь специалистам приходит знание законов физики и их рациональное использование. Рассмотрим эти проблемы так, как они освещаются в зарубежной печати. Для начала проследим путь светового луча, ядерного взрыва в атмосфере, а потом взаимодействие его с одеждой человека и другими материалами.

Итак, преграда первая — атмосфера. Она представляет собой среду, состоящую из сложной смеси газов (азота, кислорода, аргона и углекислого газа), водяного пара и твердых частиц (пыли, дыма, сажи). Если количество газов в атмосфере практически неизменно, то количество других примесей может сильно меняться в зависимости от метеорологических условий и географического положения.

Проходя сквозь атмосферу, световое излучение испытывает двоякую потерю — от рассеяния и поглощения. В первом случае частицы, находящиеся в атмосфере, отклоняют лучи от первоначального направления, во втором — лучистая энергия переходит в другие виды энергии, но главным образом — в тепловую. Учет ослабления светового излучения в атмосфере представляет собой сложную задачу. Для его количественной оценки на практике пользуются коэффициентом прозрачности, под которым понимают отношение количества световой энергии, прошедшей через слой атмосферы толщиной 1 км, к энергии, вступившей в этот слой.

Обычно коэффициент прозрачности связывают с дальностью видимости больших темных предметов над горизонтом в дневное время, которая определяется метеорологическими условиями. Например, при дальности видимости 16 км (городские условия) на расстоянии 1 км от центра взрыва коэффициент прозрачности равен 0,8, а на расстоянии 6,1 км от центра взрыва — 0,55. При дальности видимости 80 км (очень ясная погода) на этих же расстояниях коэффициенты прозрачности соответственно равны 0,90 и 0,75.

Сильную преграду на пути распространения световых лучей создают плотные туманы, и особенно облака. При толщине облака 700–800 м отражается примерно 75–80 % падающего на него светового излучения. Средний коэффициент отражения облаков, рассчитанный с учетом их распространенности, форм и толщины, составляет около 50–55 %.

Таким образом, естественные туманы и облака оказывают на световое излучение взрыва существенное ослабляющее воздействие. Однако наличие, их над полем боя, районом сосредоточения войск или каким-либо объектом — явление случайное. Естественно, возник вопрос: нельзя ли туманы и облака создать искусственно, когда это необходимо в прямых целях защиты от светового излучения?

За рубежом проводились специальные опыты с искусственными дымовыми завесами, чтобы выявить степень ослабления ими светового излучения. За 10 минут до ядерного взрыва с помощью дымовых машин производился дымопуск. Образовавшийся масляный туман ослабил воздействие светового излучения на различную технику на 65–90 % в зависимости от расстояния до эпицентра взрыва. По заключению американских военных специалистов, световой импульс в зоне значительного избыточного давления был снижен благодаря дымовой завесе до 3 кал/см². Эта величина импульса считается порогом средней тяжести ожогов открытых участков тела и воспламенения горючих материалов. Плотность поставленной дымовой завесы при расходе масла 440–620 л на 1 км² примерно соответствовала плотности дымов, используемой для маскировки. Однако считается, что для достижения эффективного ослабления светового излучения концентрация дыма должна быть увеличена по сравнению с указанной в 1,5–2 раза. Ставились опыты и с другими дымами, которые в ряде случаев оказались эффективнее масляных туманов.

Проводятся также опыты по быстрой постановке дымовых завес. Обычно для этого используются выливные приборы, подвешиваемые к самолетам. Принцип действия одного из таких приборов, описанный в печати, заключается в следующем. Прибор заполняется жидкой дымовой смесью и большим количеством полых алюминиевых шариков. При опорожнении прибора часть дыма образуется на высоте полета самолета, а другая — на разных высотах благодаря разбрызгиванию дымовой смеси шариками. Третья часть дыма создается у земли, при ударе шариков о грунт и выбрасывании ими остатков жидкости. Сообщалось, что таким способом самолет может поставить за 25 сек. сплошную вертикальную дымовую завесу высотой 160 м.

Рассмотрим теперь взаимодействие светового излучения и непрозрачных тел. Падая на поверхность непрозрачного тела, световое излучение частично отражается и поглощается. Его поражающее действие определяется поглощенной частью световой энергии. Если она достаточно велика, то происходит сильное нагревание тела, а вследствие этого — обугливание, воспламенение, оплавление или прожиг.

Температура нагрева тел в большой степени зависит от коэффициента поглощения. Темные тела поглощают намного больше световых лучей, чем светлые. Так, черная краска поглощает 96 % падающего на тело светового излучения, белая — 18, белая ткань — 25, материал цвета хаки — 60, а черное сукно — 99 %. Значит, более стойкими к световому излучению будут материалы светлых тонов. Еще в Хиросиме и Нагасаки было замечено, что люди, одетые в белую или других светлых тонов одежду, получили менее сильные ожоги, чем одетые в темное.

Из школьного курса физики каждому известны такие свойства тел, как теплопроводность и теплоемкость. Они также способствуют большему или меньшему нагреванию материалов при воздействии светового излучения. Так, очевидно, чем больше теплопроводность и теплоемкость тела, тем больше требуется световой энергии, чтобы нанести ему поражение в той или иной степени. Свойством проводить тепло объясняется также то обстоятельство, что более толстое тело меньше поражается световым излучением. Установлено, например, что у тонких металлических пластин, таких, как обшивка самолета, температура нагрева обратно пропорциональна толщине. При световом импульсе, равном 100 кал/см², и коэффициенте поглощения 0,25 дюралевая пластина толщиной 0,1 см получает прирост температуры примерно на 440°. Если же взять пластину толщиной 0,2 см, то прирост температуры будет в два раза меньше, то есть 220°. Таким образом, у более толстых тел за время их освещения часть тепловой энергии успевает распространиться на большую глубину.

На стойкость тканей от воздействия светового излучения влияет множество факторов. Изучая их, специалисты установили, в частности, следующие особенности различных материалов. Шерсть оказывает большее сопротивление действию светового излучения, чем хлопок, а он легче поддается воздействию светового излучения, чем нейлон. Ткани из легких материалов повреждаются при меньшем световом импульсе, нежели изготовленные из тяжелых материалов. Влажные ткани требуют для поражения значительно больший световой импульс, чем сухие. Эти выводы и учитываются при создании образцов техники и обмундирования для личного состава войск.

Еще одно направление в поисках защиты от светового излучения — это создание специальных средств для предохранения органов зрения, весьма чувствительных к яркому свету. Здесь, как отмечалось в печати, приходится привлекать данные из области не только оптики, но и автоматики. Так, в США уже в течение нескольких лет разрабатываются автоматические приборы для защиты глаз, принцип работы которых сводится к следующему. Световая вспышка воспринимается светочувствительным элементом, который приводит в действие специальный механизм. С его помощью в очки вводится светонепроницаемый материал. Один из способов затемнения очков — впрыскивание графита в виде суспензии между двумя стеклянными пластинками. Суспензия покрывает внутреннюю поверхность пластин, защищая глаза от поражения. Графит хранится в маленьком резервуаре, закрытом тонкой мембраной, которую разрывает давление газов при взрыве маленького заряда. Подобный прибор проходил испытания на перископе танка и в телескопическом прицеле. Существенным его недостатком считают одноразовость действия.

Встречалось в печати описание и других защитных очков, разработанных в США для морских летчиков (рис. 2). Специальная светонепроницаемая жидкость поступает здесь из резервуарчика, размещенного, как и фотоэлемент, в шлеме над стеклами очков.

Как видно, изучение физических свойств ядерного оружия, его поражающих факторов, и в частности светового излучения, на различные объекты позволяет на основе хорошо известных физических законов и принципов применять более или менее эффективные защитные меры.