Чем химическая реакция отличается ядерной реакции. Чем отличается атомная бомба от термоядерной

Для точного ответа на вопрос придётся серьёзно углубиться в такую отрасль человеческого знания, как ядерная физика — и разобраться с ядерно-/термоядерными реакциями.

Изотопы

Из курса общей химии мы помним, что материя вокруг состоит из атомов разных «сортов», причём их «сортность» определяет, как именно они будут вести себя в химреакциях. Физика добавляет, что происходит это по причине тонкого строения атомного ядра: внутри ядра находятся протоны и нейтроны, его формирующие — а вокруг по «орбитам» безостановочно «носятся» электроны. Протоны обеспечивают положительный заряд ядра, а электроны — отрицательный, его компенсирующий, из-за чего атом обычно электронейтрален.

С химической точки зрения «функция» нейтронов сводится к тому, чтобы «разбавить» единообразие ядер одного «сорта» ядрами с несколько различающейся массой, поскольку на химические свойства повлияет лишь заряд ядра (через число электронов, за счёт которых атом может образовывать химсвязи с другими атомами). С точки же зрения физики нейтроны (как и протоны) участвуют в сохранении атомных ядер за счёт специальных и очень мощных ядерных сил — в противном бы случае ядро атома мгновенно разлетелось бы из-за кулоновского отталкивания одноимённо заряженных протонов. Именно нейтроны позволяют существовать изотопам: ядрам с одинаковыми зарядами (то есть идентичными химсвойствами), но при этом отличным по массе.

Важно, что создавать ядра из протонов/нейтронов произвольным образом нельзя: есть их «магические» комбинации (на самом деле магии тут нет никакой, просто физики условились так называть особенно энергетически выгодные ансамбли из нейтронов/протонов), которые невероятно стабильны — но «отходя» от них всё дальше можно получить радиоактивные ядра, которые «разваливаются» сами собой (чем дальше они отстоят от «магических» комбинаций — тем их распад вероятнее со временем).

Нуклеосинтез

Чуть выше выяснилось, что согласно определённым правилам можно «конструировать» атомные ядра, создавая из протонов/нейтронов всё более тяжёлые. Тонкость же в том, что процесс этот энергетически выгоден (то есть протекает с выделением энергии) лишь до определённого предела, после чего на создание всё более тяжёлых ядер требуется потратить больше энергии чем выделяется при их синтезе, а сами они становится весьма неустойчивыми. В природе этот процесс (нуклеосинтез) идёт в звёздах, где чудовищные давления и температуры «утрамбовывают» ядра так плотно, что некоторая их часть сливается, образуя более тяжёлые и выделяя энергию, за счёт которой звезда светит.

Условная «граница эффективности» проходит по синтезу ядер железа: синтез более тяжёлых ядер энергозатратен и железо в итоге «убивает» звезду, а более тяжёлые ядра образуется либо в следовых количествах из-за захвата протонов/нейтронов, либо массово в момент гибели звезды в виде катастрофической вспышки сверхновой, когда потоки излучений достигают поистине чудовищных величин (одной световой энергии в момент вспышки типичная сверхновая выделяет столько, сколько наше Солнце за примерно миллиард лет своего существования!)

Ядерные/термоядерные реакции

Итак, теперь уже можно дать необходимые определения:

Термоядерная реакция (она же реакция синтеза или по-английски nuclear fusion ) — такой вид ядерной реакции, где более лёгкие ядра атомов за счёт энергии их кинетического движения (тепла) сливаются в более тяжёлые.

Ядерная реакция деления (она же реакция распада или по-английски nuclear fission ) — такой вид ядерной реакции, где ядра атомов спонтанно либо под действием частицы «снаружи» распадаются на осколки (обычно две-три более лёгкие частицы либо ядра).

В принципе, в обеих типах реакций высвобождается энергия: в первом случае из-за прямой энергетической выгодности процесса, а во втором — высвобождается та энергия, которая во время «смерти» звезды потратилась на возникновение атомов тяжелее железа.

Сущностное отличие ядерной и термоядерной бомб

Ядерной (атомной) бомбой принято называть такое устройство взрывного типа, где основная доля высвобождаемой энергии при взрыве выделяется за счёт ядерной реакции деления, а водородной (термоядерной) — такое, где основная доля энергии произведена посредством реакции термоядерного синтеза. Бомба атомная — синоним бомбы ядерной, бомба водородная — термоядерной.

Природа развивается в динамике, живое и инертное вещество непрерывно проходит процессы трансформации. Наиболее важными преобразованиями являются те, которые влияют на состав вещества. Формирование пород, химическая эрозия, рождение планеты или дыхание млекопитающих все это наблюдаемые процессы, влекущие за собой изменения других веществ. Несмотря на различия, все они составляют нечто общее: изменения на молекулярном уровне.

1. В ходе химических реакций элементы не теряют свою идентичность. В этих реакциях участвуют только электроны внешней оболочки атомов, в то время как ядра атомов остаются неизменными.
2. Реакционная способность элемента к химической реакции зависит от степени окисления элемента. В обычных химических реакциях Ра и Ра 2+ ведут себя совершенно по-разному.
3. Различные изотопы элемента имеют почти такую же химическую реакционную способность.
4. Скорость химической реакции в значительной степени зависит от температуры и давления.
5. Химическая реакция может быть отменена.
6. Химические реакции сопровождаются относительно небольшими изменениями энергии.

Ядерные реакции

1. В ходе ядерных реакций, ядра атомов претерпевают изменения и, следовательно, в результате образуются новые элементы.
2. Реакционная способность элемента к ядерной реакции практически не зависит от степени окисления элемента. Например, Ra или Ra 2+ ионов в Ка С 2 ведут себя аналогичным образом при ядерных реакциях.
3. В ядерных реакциях, изотопы ведут себя совершенно по-разному. Например, U-235 подвергается делению спокойно и легко, но U-238 этого не делает.
4. Скорость ядерной реакции не зависит от температуры и давления.
5. Ядерная реакция не может быть отменена.
6. Ядерные реакции сопровождаются большими изменениями энергии.

Разница между химической и ядерной энергией

• Потенциальная энергия, которая может быть преобразована в другие формы в первую очередь тепла и света когда образуются связи.
• Чем сильнее связь, тем больше преобразованная химическая энергия.

• Ядерная энергия не связана с образованием химических связей (которые обусловлены взаимодействием электронов)
• Может быть преобразована в другие формы, когда происходит изменение в ядре атома.

Ядерное изменение происходит во всех трех основных процессах:

1. Расщепление ядра
2. Соединение двух ядер, чтобы сформировать новое ядро.
3. Высвобождение высокой энергии электромагнитного излучения (гамма-излучение), создавая более стабильную версию того же ядра.

Сравнение преобразования энергии

Количество освобожденной химической энергии (или преобразованной) в химическом взрыве составляет:

• 5кДж на каждый грамм тротила
• Количество ядерной энергии в выпущенной атомной бомбе: 100млн кДж на каждый грамм урана или плутония

Одно из основных отличий между ядерной и химической реакцией связано с тем, как реакция происходит в атоме. В то время как ядерная реакция происходит в ядре атома, электроны в атоме отвечают за происходящую химическую реакцию.

Химические реакции включают:

• Передачи
• Потери
• Усиление
• Разделение электронов

Согласно теории атома материи объясняются в результате перегруппировки, чтобы дать новые молекулы. Вещества, участвующие в химической реакции и пропорции, в которых они образуются, выражаются в соответствующих химических уравнениях, лежащих в основе для выполнения различных видов химических расчетов.

Ядерные реакции отвечают за распад ядра и не имеют ничего общего с электронами. Когда ядро распадается, оно может перейти к другому атому, из-за потери нейтронов или протонов. В ядерной реакции, протоны и нейтроны взаимодействуют внутри ядра. В химических реакциях электроны реагируют вне ядра.

Результатом ядерной реакции можно назвать какое-либо деление или слияния. Новый элемент образуется из-за действия протона или нейтрона. В результате химической реакции, вещество, изменяется на одно или более веществ из-за действия электронов. Новый элемент образуется из-за действия протона или нейтрона.

При сравнении энергии, химическая реакция включает в себя только низкое изменение энергии, тогда как ядерная реакция имеет изменение очень высокой энергии. В ядерной реакции, энергетические изменения величины 10 ^ 8 кДж. Это 10 — 10 ^ 3 кДж / моль в химических реакциях.

В то время как одни элементы преобразуются в другие в ядерной, число атомов остается неизменным в химических. В ядерной реакции, изотопы реагируют по-разному. Но в результате химической реакции, изотопы также вступают в реакцию.

Хотя ядерная реакция не зависит от химических соединений, химическая реакция, в значительной степени зависит от химических соединений.

Резюме

Ядерная реакция происходит в ядре атома, электроны в атоме отвечают за химические соединения.
1. Химические реакции охватывают – передачи, потери, усиление и разделение электронов, не вовлекая в процесс ядро. Ядерные реакции включают распад ядра и не имеют ничего общего с электронами.
2. В ядерной реакции, протоны и нейтроны реагируют внутри ядра, в химических реакциях электроны взаимодействуют вне ядра.
3. При сравнении энергий химическая реакция использует только низкое изменение энергии, тогда как ядерная реакция имеет изменение очень высокой энергии.

Как известно, основным двигателем прогресса человеческой цивилизации является война. И многие «ястребы» оправдывают массовые истребления себе подобных именно этим. Вопрос всегда был спорным, а появление ядерного оружия бесповоротно превратило знак плюс в знак минус. Действительно, зачем нужен прогресс, который в конечном итоге нас и уничтожит? Причем даже в этом самоубийственном деле человек проявил свойственную ему энергию и изобретательность. Мало того, что он придумал оружие массового уничтожения (атомную бомбу) – он продолжил его совершенствовать, чтобы убить себя быстро, качественно и гарантированно. Примером такой деятельной активности может служить очень быстрый прыжок на следующую ступеньку развития атомных военных технологий – создание термоядерного оружия (водородная бомба). Но оставим в стороне нравственный аспект этих суицидальных наклонностей и перейдем к вопросу, вынесенному в заголовок статьи, – чем отличается атомная бомба от водородной?

Немного истории

Там, за океаном

Как известно, американцы – самый предприимчивый народ в мире. Чутье на все новое у них огромное. Поэтому не стоит удивляться тому, что первая атомная бомба появилась именно в этой части света. Дадим небольшую историческую справку.

• Первым этапом на пути к созданию атомной бомбы можно считать эксперимент двух немецких ученых О. Гана и Ф. Штрассмана по расщеплению атома урана на две части. Этот, так сказать, еще неосознанный шаг был сделан в 1938 году.

• Нобелевский лауреат француз Ф. Жолио-Кюри в 1939 году доказывает, что деление атома приводит к цепной реакции, сопровождающейся мощным выделением энергии.

• Гений теоретической физики А. Эйнштейн поставил свою подпись под письмом (в 1939 г.) на имя президента США, инициатором которого был другой физик-атомщик Л. Силард. В результате еще до начала Второй мировой войны в США было принято решение приступить к разработке атомного оружия.

• Первое испытание нового оружия было проведено 16 июля 1945 года в северной части штата Нью-Мексико.

• Меньше чем через месяц на японские города Хиросима и Нагасаки (6 и 9 августа 1945 г.) были сброшены 2 атомные бомбы. Человечество вступило в новую эру – теперь оно было способно уничтожить само себя за несколько часов.

Американцы впали в настоящую эйфорию от результатов тотального и молниеносного разгрома мирных городов. Штабные теоретики ВС США тут же принялись за составление грандиозных планов, заключающихся в полном стирании с лица Земли 1/6 части света – Советского Союза.

Догнали и перегнали

В Советском Союзе тоже не сидели сложа руки. Правда, присутствовало некоторое отставание, вызванное решением более неотложных дел – шла Вторая мировая война, основное бремя которой лежало на стране Советов. Однако американцы недолго носили желтую майку лидера. Уже 29 августа 1949 года на полигоне под г. Семипалатинском был впервые испытан атомный заряд советского образца, созданный в ударные сроки русскими атомщиками под руководством академика Курчатова.

И пока расстроенные «ястребы» из Пентагона пересматривали свои амбициозные планы по уничтожению «оплота мировой революции», Кремль нанес упреждающий удар – в 1953 году 12 августа были проведены испытания новой разновидности ядерного оружия. Там же, в районе г. Семипалатинска, была взорвана первая в мире водородная бомба под кодовым названием «Изделие РДС‑6с». Данное событие вызвало настоящую истерику и панику не только на Капитолийском холме, но и во всех 50 штатах «оплота мировой демократии». Почему? Какое отличие атомной бомбы от водородной ввергло в ужас мировую супердержаву? Ответим сразу. Водородная бомба по своей боевой мощи намного превосходит атомную. При этом она обходится значительно дешевле, чем эквивалентный атомный образец. Рассмотрим эти различия более подробно.

Что такое атомная бомба?

Принцип действия атомной бомбы основан на использовании энергии, возникающей в результате нарастающей цепной реакции, вызванной делением (расщеплением) тяжелых ядер плутония или урана-235 с последующим образованием более легких ядер.

Сам процесс называют однофазным, и протекает он следующим образом:

• После детонации заряда вещество, находящееся внутри бомбы (изотопы урана или плутония), переходит в стадию распада и начинает захват нейтронов.

• Процесс распада нарастает, как снежная лавина. Расщепление одного атома приводит к распаду нескольких. Возникает цепная реакция, ведущая к разрушению всех атомов, находящихся в бомбе.

• Начинается ядерная реакция. Весь заряд бомбы превращается в единое целое, и его масса переходит свою критическую отметку. Причем вся эта вакханалия длится очень недолго и сопровождается мгновенным выделением огромного количества энергии, что в конечном итоге и приводит к грандиозному взрыву.

Кстати, эта особенность атомного однофазного заряда – быстро набирать критическую массу – не позволяет бесконечно увеличивать мощность данного вида боеприпаса. Заряд может быть мощностью сотни килотонн, но чем ближе он к мегатонному уровню, тем меньше его эффективность. Он просто не успеет полностью расщепиться: произойдет взрыв и часть заряда так и останется неиспользованной – ее разметает взрывом. Эта проблема была решена в следующем виде атомного боеприпаса – в водородной бомбе, которая также называется термоядерной.

Что такое водородная бомба?

В водородной бомбе происходит несколько другой процесс высвобождения энергии. Он основан на работе с изотопами водорода – дейтерия (тяжелый водород) и трития. Сам процесс делится на две части или, как принято говорить, является двухфазным.

• Первая фаза – это когда главным поставщиком энергии является реакция расщепления тяжелых ядер дейтерида лития на гелий и тритий.

• Вторая фаза – запускается термоядерный синтез на основе гелия и трития, что приводит к мгновенному нагреву внутри боевого заряда и, как следствие, вызывает мощный взрыв.

Благодаря двухфазной системе термоядерный заряд может быть какой угодно мощности.

Примечание. Описание процессов, происходящих в атомной и водородной бомбе, – далеко не полное и самое примитивное. Оно дано только для общего понимания различий между этими двумя видами оружия.

Сравнение

Что в сухом остатке?

О поражающих факторах атомного взрыва знает любой школьник:

• световое излучение;
• ударная волна;
• электромагнитный импульс (ЭМИ);
• проникающая радиация;
• радиоактивное заражение.

То же самое можно сказать и о термоядерном взрыве. Но!!! Мощь и последствия термоядерного взрыва значительно сильней, чем атомного. Приведем два общеизвестных примера.

«Малыш»: черный юмор или цинизм дяди Сэма?

Атомная бомба (кодовое имя «Малыш»), сброшенная на Хиросиму американцами, до сих пор считается «эталонным» показателем для атомных зарядов. Ее мощь примерно составила от 13 до 18 килотонн, и взрыв был идеален по всем показателям. Позже не раз проводились испытания более мощных зарядов, но не намного (20-23 килотонны). Однако они показывали результаты, мало превышающие достижения «Малыша», а потом и вовсе прекратились. Появилась более дешевая и сильная «водородная сестра», и смысла совершенствовать атомные заряды уже не было. Вот что получилось «на выходе» после взрыва «Малыша»:

• Ядерный гриб достиг высоты 12 км, диаметр «шляпки» был около 5 км.
• Мгновенное высвобождение энергии при ядерной реакции вызвало температуру в эпицентре взрыва 4000 °С.
• Огненный шар: диаметр около 300 метров.
• Ударная волна выбивала стекла на расстоянии до 19 км, а ощущалась значительно дальше.
• Одномоментно погибло около 140 тыс. человек.

Царица всех цариц

Последствия взрыва самой мощной на сегодняшний день из испытанных водородных бомб, так называемой Царь-бомбы (кодовое название АН602), превзошли все проведенные до этого взрывы атомных зарядов (не термоядерных), вместе взятые. Бомба была советская, мощностью в 50 мегатонн. Ее испытания проводились 30 октября 1961 года в районе Новой Земли.

• Ядерный гриб вырос на 67 км в высоту и примерно 95 км был диаметр верхней «шляпки».
• Световое излучение било на расстояние под 100 км, вызывая ожоги третьей степени.
• Огненный клубок, или шар, разросся до 4,6 км (радиус).
• Звуковая волна была зафиксирована на расстоянии 800 км.
• Сейсмическая волна трижды обогнула планету.
• Ударная волна ощущалась на расстоянии до 1000 км.
• Электромагнитный импульс создавал мощные помехи в течение 40 минут на несколько сот километров от эпицентра взрыва.

Можно только фантазировать, что случилось бы с Хиросимой, если бы на нее был сброшен такой монстр. Скорей всего, исчез бы не только город, но и сама Страна Восходящего Солнца. Ну, а теперь приведем все, что мы рассказали, к общему знаменателю, то есть составим сравнительную таблицу.

Таблица

Итак, мы выяснили, в чем разница между атомной и водородной бомбой. К сожалению, наш маленький анализ только подтвердил тезис, высказанный в начале статьи: прогресс, связанный с войной, пошел по гибельному пути. Человечество встало на грань самоуничтожения. Осталось только нажать кнопку. Но не будем заканчивать статью на столь трагической ноте. Мы очень надеемся, что разум, инстинкт самосохранения, в конце концов, победят и нас ждет мирное будущее.

Согласно сообщениям новостей, Северная Корея угрожает протестировать водородную бомбу над Тихим океаном. В ответ президент Трамп назначает новые санкции для частных лиц, компаний и банков, которые ведут бизнес с страной.

«Я думаю, что это может быть испытание водородной бомбы на беспрецедентном уровне, возможно, над Тихоокеанским регионом», — сказал на этой неделе в ходе встречи на Генеральной Ассамблее Организации Объединенных Наций в Нью-Йорке министр иностранных дел Северной Кореи Ри Йонг Хо. Ри добавил, что «это зависит от нашего лидера».

Атомная и водородная бомба: отличия

Водородные бомбы или термоядерные бомбы являются более мощными, чем атомные или «делящие» бомбы. Отличия между водородными бомбами и атомными бомбами начинается с атомного уровня.

Атомные бомбы, как и те, которые использовались для опустошения японских городов Нагасаки и Хиросимы во время Второй мировой войны, работают путем расщепления ядра атома. Когда нейтроны или нейтральные частицы ядра расщепляются, некоторые попадают в ядра соседних атомов, разделяя их тоже. Результатом является очень взрывная цепная реакция. По данным Союза ученых, бомбы упали на Хиросиму и Нагасаки с мощностью 15 килотонн и 20 килотонн т.э.

Напротив, первое испытание термоядерного оружия или водородной бомбы в Соединенных Штатах в ноябре 1952 года привело к взрыву порядка 10 000 килотонн тротила. Термоядерные бомбы начинаются с той же реакции деления, которая управляет атомными бомбами, — но большая часть урана или плутония в атомных бомбах фактически не используется. В термоядерной бомбе дополнительный шаг означает, что появляется больше взрывной мощности бомбы.

Во-первых, воспламеняющийся взрыв сжимает сферу плутония-239, материал, который затем будет делиться. Внутри этой ямы плутония-239 находится камера газообразного водорода. Высокие температуры и давления, создаваемые делением плутония-239, заставляют атомы водорода сливаться. Этот процесс синтеза высвобождает нейтроны, которые возвращаются в плутоний-239, расщепляя больше атомов и усиливая цепную реакцию деления.

Смотрите видео: Атомная и водородная бомбы,какая мощнее? И в чём их отличие?

Ядерные испытания

Правительства во всем мире используют глобальные системы мониторинга для обнаружения ядерных испытаний в рамках усилий по обеспечению соблюдения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний 1996 года. Есть 183 участника этого договора, но он не действует, поскольку ключевые страны, включая Соединенные Штаты, не ратифицировали его.

С 1996 года Пакистан, Индия и Северная Корея провели ядерные испытания. Тем не менее в договоре была введена система сейсмического мониторинга, которая может отличать ядерный взрыв от землетрясения. Международная система мониторинга также включает в себя станции, которые обнаруживают инфразвук — звук, частота которого слишком низкая для ушей человека для обнаружения взрывов. Восемьдесят станций радионуклидного мониторинга по всему миру измеряют атмосферные осадки, которые могут доказать, что взрыв, обнаруженный другими системами мониторинга, был по сути ядерным.