علوم پایه، فیزیک ۲۷۰ بازدید

در جنگ جهانی دوم، آمریکا برای نخستین بار از دو بمب اتمی علیه کشور ژاپن استفاده کرد و خسارات جانی و مالی فراوانی به جا گذاشت. پس از آن‌، نسل‌های مختلفی از بمب‌های هسته‌ای، مانند بمب هیدروژنی، ساخته شدند و در کشورهای مختلف مورد آزمایش قرار گرفتند. به عنوان مثال، کره شمالی در حدود ۵ سال قبل ششمین و قدرتمندترین آزمایش هسته‌ای خود را با استفاده از بمب پیشرفته هیدروژنی یا H-bomb، با موفقیت انجام داد. بمب هیدروژنی نوعی بمب هسته‌ای است و انرژی انفجاری آن از واکنش هسته‌ای ناشی می‌شود. تفاوت دو بمب در چگونگی ایجاد انرژی نهفته است. در این مطلب، در مورد بمب هیدروژنی، نحوه ساخت، طرز کار، قدرت تخریب و تفاوت آن با بمب اتم صحبت خواهیم کرد.

بمب هیدروژنی چیست ؟

پس از آزمایش موفقیت‌آمیز بمب اتم توسط شوروی سابق، ایده ساخت بمب هیدروژنی انگیزه جدیدی در ایالات متحده برانگیخت. در این نوع بمب، دوترویم و تریتیوم (ایزوتوپ‌های هیدروژن) با یکدیگر ترکیب و اتم هلیوم را می‌سازند. این واکنش با آزادسازی انرژی همراه است. توجه به این نکته مهم است که هیچ محدودیتی در عملکرد این بمب وجود ندارد. بمب هیدروژنی یکی از مخرب‌ترین سلاح‌هایی است که به دست بشر ساخته شده است.

این بمب، یکی از انواع سلاح‌های هسته‌ای قدرتمند است. بیشتر مردم نام بمب اتم را شنیده‌اند و برخی با چگونگی عملکرد آن آشنا هستند، اما نام بمب هیدروژنی کمتر شنیده شده است. بمب اتم عنصری به نام اورانیوم را می‌گیرد و آن را تقسیم می‌کند (شکافت هسته‌ای). این فرایند با آزاد کردن مقدار زیادی انرژی همراه است. بمب هیدروژنی شبهت بسیاری به بمب اتم دارد، با این تفاوت که از عنصر ثانویه‌ای در آن استفاده می‌شود.

قدرت انفجاری عظیم بمب هیدروژنی یا «H-bomb» به علت واکنش‌های زنجیره‌ای کنترل نشده خودپایداری است که در آن‌ها، ایزوتوپ‌های هیدروژن در دمای بسیار بالا با یکدیگر ترکیب می‌شوند و هلیوم را تشکیل می‌دهند. به این واکنش، همجوشی هسته‌ای گفته می‌شود. دمای بالای موردنیاز برای انجام این واکنش‌ در اثر انفجاری شبیه انفجار انجام شده در بمب اتم، تولید می‌شود.

برای آشنایی با بمب هیدروژنی، ابتدا کمی در مورد واکنش‌های رخ داده در بمب‌های هسته‌ای و چگونگی عملکرد این بمب‌ها صحبت می‌کنیم. واکنش‌های همجوشی و شکافت هسته‌ای، دو واکنشی هستند که در تمام بمب‌های هسته‌ای استفاده می‌شوند. در ادامه، در مورد تفاوت این بمب با بمب اتم و تاریخچه آن، صحبت خواهیم کرد.

مطلب پیشنهادی:
بمب اتم چیست ؟ — از نحوه ساخت تا طرز کار و قدرت تخریب
در این مطلب در مورد بمب اتم، ساختار، نحوه عملکرد، کشورهای دارای این بمب و تاریخچه آن از ساخت تا استفاده صحبت می‌ کنیم.

همجوشی هسته ای چیست ؟

هسته اتم هلیوم یا ذره آلفا از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. جرم اتمی این هسته برابر ۴/۰۰۱۵۳ واحد اتمی است. اگر جرم دو پروتون و دو نوترون را با یکدیگر جمع کنیم، عدد ۴/۰۳۱۸۸ به‌دست می‌آید. تفاوت این دو عدد بسیار کوچک است، اما سوالی که مطرح می‌شود آن است که چرا این دو عدد با یکدیگر برابر نیستند. این اختلاف جرم به هنگام پیوستن نوترون‌ها و پروتون‌ها به یکدیگر به شکل انرژی به نام انرژی پیوندی اتم درآمده است. مقدار این انرژی در عناصر مختلف، متفاوت است.

مقدار انرژی پیوندی برای هیدروژن برابر صفر است. مقدار این انرژی در دوتریوم، یکی از ایزوتوپ‌های هیدروژن، بسیار کوچک است. از پیوستن دو هسته دوتریوم به یکدیگر، هلیوم تشکیل می‌شود و مقدار زیادی انرژی آزاد خواهد شد. هرچه عناصر بزرگ‌تر می‌شوند، تفاوت انرژی پیوندی میان آن‌ها کوچک‌تر خواهد شد. عناصری که بعد از آهن قرار گرفته‌اند، به اندازه‌ای سنگین می‌شوند که به هنگام شکسته شدن به عنصرهای کوچک‌تر، انرژی آزاد می‌کنند.

انرژی پیوندی

هنگامی‌ که اورانیوم در اثر شکافت هسته‌ای به باریوم و کریپتون تبدیل می‌شود، مقدار کمی انرژی آزاد می‌کند. مقدار این انرژی بسیار کمتر از انرژی آزاد شده از پیوند دو هیدروژن با یکدیگر و تشکیل اتم هلیوم است. از این‌رو، انرژی آزاد شده از همجوشی عناصر کوچک‌تر، بسیار چشم‌گیرتر از انرژی آزاد شده پس از شکافت عناصر بزرگ‌تر است.

به جای ترکیب دو دوتریوم با یکدیگر، ترکیب یک دوتریوم و یک تریتیوم با یکدیگر را در نظر بگیرید. تریتیوم نیز یکی دیگر از ایزوتوپ‌های هیدروژن با دو نوترون و یک پروتون است. محصول واکنش، یک هسته هلیوم به همراه یک نوترون خواهد بود.

$$^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H \rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n$$

جرم دوتریوم و تریتیوم به ترتیب برابر $$3.345 \times 10 ^ {-27}$$ و $$5.010 \times 10^{-27}$$ کیلوگرم است. جمع جرم آن‌ها با یکدیگر برابر $$8.355 \times 10 ^ {-27}$$ کیلوگرم خواهد بود. اما جمع جرم‌های نوترون و هلیوم تولید شده برابر $$8.324 \times 10 ^{-27}$$ است. این تفاوت جرم بسیار کوچک، کجا رفته است؟ بار دیگر پای رابطه معروف اینشتین، $$E = mc^2$$، به وسط می‌آید.

اگر دو کیلوگرم دوتریوم را با سه کیلوگرم تریتیوم مخلوط کنیم، در حدود ۲۰ گرم جرم به شکل‌های دیگر انرژی، تبدیل می‌شود. این جرم به $$1.8 \times 10 ^{115}$$ ژول انرژی گرمایی تبدیل شده است. این مقدار انرژی برای تأمین برق ۵۰ هزار خانه در سال کافی خواهد بود. استفاده از واکنش همجوشی هسته‌ای به تکنولوژی بسیار پیشرفته‌ای نیاز دارد. در دهه ۳۰ میلادی انرژی هسته‌ای به عنوان یکی از منابع تأمین انرژی، در نظر گرفته شد.

توجه به این نکته مهم است که همجوشی هسته‌ای بسیار قدرتمندتر از شکافت هسته‌ای است. همجوشی هسته‌ای منبع اصلی تأمین انرژی در بمب‌های هسته‌ای است. علاوه بر دوتریوم یا تریتیوم، اتم‌های هیدروژن نیز می‌توانند مقدار زیادی انرژی با اتصال به یکدیگر، آزاد کنند. کنار هم قرار گرفتن هسته‌های اتم هیدروژن یا ایزوتوپ‌های آن کنار یکدیگر به دلیل وجود بار مثبت آن‌ها، بسیار سخت خواهد بود. تنها در صورت غلبه بر نیروی دافعه الکترواستاتیکی بین بارهای مثبت هسته‌های هیدروژن و ایزوتوپ‌های آن، همجوشی هسته‌ای رخ می‌دهد. چگونه می‌توان بر دافعه الکترواستاتیکی غلبه کرد؟

تنها راه غلبه بر نیروی دافعه، حبس این هسته‌ها در فضای بسیار کوچکی است. احتمال برخورد این هسته‌ها در این فضای کوچک، بسیار زیاد است. سپس، هسته‌های محبوس شده را با مقدار زیادی گرما منفجر می‌کنند. در این حالت، نه‌تنها فاصله آن‌ها از یکدیگر بسیار کم است، بلکه گرمای تزریق شده سبب حرکت سریع‌تر آن‌ها خواهد شد. شاید از خود بپرسید چه مقدار گرما باید تزریق شود. گرمای تزریق شده باید به اندازه‌ای باشد که دمای هسته‌ها تا حدود ۱۸۰ میلیون درجه فارنهایت افزایش یابد. این دما بیشتر از هفت برابر دمای خورشید است.

نیروی گرانشی در مرکز خورشید به اندازه‌ای زیاد است که اتم‌ها به راحتی در فاصله بسیار کوچکی از یکدیگر قرار گرفته‌اند. بنابراین، به دمای بسیار بالایی برای همجوشی اتم‌ها با یکدیگر، نیاز نیست. اما در زمین، شرایط متفاوت و همجوشی هسته‌ای نیازمند دمای بسیار بالایی است. اما این مقدار گرما از کجا تأمین می‌شود؟ بله، همان‌طور که حدس زده‌اید این مقدار گرما از شکافت هسته‌ای به‌دست می‌آید. از این‌رو، بمب هیدروژنی با استفاده از گرمای شکافت هسته‌ای منفجر می‌شود. این بمب با دریافت گرما از واکنش شکافت، واکنش هسته‌ای بسیار قدرتمندی را آغاز می‌کند. به بیان دیگر، هنگامی که بمب هیدروژنی منفجر می‌شود، با دمایی در حدود هفت برابر دمای خورشید می‌سوزد.

همجوشی هسته‌ای

شکافت هسته ای چیست ؟

گاهی تشعشع هسته‌های پرتوزای ناپایدار، مانند ایزوتوپ‌های اورانیوم، بسیار زیاد است. اورانیوم ناپایدار در فرایند تجزیه، به سرب پایدار تبدیل می‌شود. به هنگام تجزیه اورانیوم، انرژی در حدود یک تا ۵ مگا الکترون‌ولت آزاد خواهد شد. هنگامی که هسته اورانیوم ۲۳۵ با تعداد زیادی نوترون بمباران شود، یکی از نوترون‌ها توسط هسته اورانیوم جذب خواهد شد. در این حالت، هسته ناپایدار و به دو قسمت مساوی تقسیم می‌شود. به این فرایند، شکافت هسته‌ای می‌گوییم. بنابرایم، شکافت هسته‌ای از مرحله‌های زیر تشکیل شده است:

  • هسته سنگینی مانند اورانیوم توسط تعداد زیادی نوترون بمباران می‌شود.
  • هسته، ناپایدار و به دو جرم مساوی تقسیم می‌شود.
  • مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود.
همجوشی هسته ای

در این فرایند، ابتدا نوترونی که با سرعت کم حرکت می‌کند توسط هسته اورانیوم ۲۳۵، جذب می‌شود. بنابراین، هسته ناپایدار اورانیوم-۲۳۶ تشکیل و به باریوم-۱۴۱ با ۵۶ پروتون و کریپتون-۹۲ با ۳۶ پروتون تبدیل خواهد شد. جمع پروتون‌های این دو عنصر برابر تعداد پروتون‌های اورانیوم، یعنی ۹۲، است. همچنین، در این فرایند، سه نوترون توسط هسته اورانیوم-۲۳۶ ناپایدار آزاد می‌شود. چرا سه نوترون در این فرایند آزاد می‌شود؟ زیرا تعداد نوترون‌های باریوم و کریپتون برابر ۲۳۳ و تعداد نوترون‌های اورانیوم-۲۳۶ برابر ۲۳۶ است. برای آن‌که تعداد نوترون‌ها در دو سمت واکنش یا یکدیگر برابر باشند، سه نوترون باید آزاد شود.

$$^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U \rightarrow \ [ ^{236}_{92}U ] \ \rightarrow \ ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36} Kr + 3 \ ^{1}_{0}n + Q \ ( 200 \ MeV)$$

نوترون‌های آزاد شده در واکنش فوق می‌توانند توسط هسته‌های اورانیوم-۲۳۵ دیگر جذب شوند و این فرایند به صورت واکنش‌های زنجیره‌ای به طور پیوسته، ادامه یابد.

بمب هسته ای چیست و چگونه کار می کند ؟

بمب هسته‌ای برای نخستین بار در سال ۱۹۴۵ و در اواخر جنگ جهانی دوم برای نخستین بار استفاده شد. از آن تاریخ به بعد، این سلاح به عنوان یکی از مرگبارترین سلاح‌های ساخته شده به دست بشر شناخته می‌شود. از آن سال تا به امروز، پیشرفت‌های زیادی در زمینه ساخت بمب هسته‌ای کسب و قدرت تخریب بسیار بیشتری حاصل شده است. در جنگ جهانی دوم از بمب اتم استفاده شد. ساخت بمب هیدروژنی در حدود هفت سال پس از پایان جنگ جهانی دوم در سال ۱۹۵۲ به اتمام رسید. قدرت این بمب در آن زمان در حدود ۱۰۰۰ برابر بمب اتم بود. در سال ۱۹۶۱ میلادی، شوروی سابق بمب هیدروژنی با قدرتی در حدود ۳۸۰۰ برابر بمب اتم ساخت و آن را با موفقیت آزمایش کرد.

در بمب اتم از دو عنصر پلوتونیم-۲۳۹ یا اورانیوم-۲۳۵ استفاده می‌شود. این دو عنصر فلزهای پرتوزا و هسته‌ اتم‌های آن‌ها، ناپایدار هستند. هسته ناپایدار، تعداد زیادی نوترون و پروتون دارد و برای رسیدن به حالت پایدار، آن‌ها را بیرون می‌فرستد. به این کار واپاشی پرتوزا گفته می‌شود و در آن انرژی به شکل تشعشع تولید می‌شود. همچنین، اتم‌هایی با هسته‌های ناپایدار، در فرایند شکافت هسته‌ای، راحت‌تر تقسیم خواهند شد. بنابراین، از آن‌ها در ساخت بمب‌های هسته‌ای استفاده شده است.

بمب‌ اتم یکی از انواع بمب‌های هسته‌ای است که برای نخستین بار در سال ۱۹۴۵، در اواخر جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت. در آن زمان دو بمب اتم به نام‌های پسر کوچک و مرد چاق ساخته شدند. ساختار پسر کوچک بسیار ساده بود و در طراحی آن، دو قسمت برای اورانیوم-۲۳۵، به نام‌های ورودی و هدف، در نظر گرفته شده بود. ورودی و هدف، توسط مسیر باریکی به یکدیگر متصل شده‌اند. هنگام انفجار، چندین هزار تن مواد انفجاری به صورت آتش، از اورانیوم ورودی، به هدف می‌روند. دو قطعه اورانیوم با شدت زیاد به یکدیگر برخورد می‌کنند و اتم‌ها را در فاصله بسیار نزدیکی نسبت به یکدیگر قرار می‌دهند و واکنش شکافت هسته‌‌ای آغاز می‌شود.

پسر کوچک

واکنش‌های زنجیره‌ای، اساس کار بمب‌های اورانیومی است. در این بمب، از ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ استفاده می‌شود. اگر نوترونی با این عنصر برخورد کند، به عنصرهای مختلفی مانند اورانیوم ۲۳۵ یا ۲۳۸، شکافته و انرژی زیادی آزاد خواهد شد. در صورتی که از شکافت اورانیوم ۲۳۵ اولیه، اورانیوم ۲۳۵ دیگر تولید شود، واکنش‌های زنجیره‌ای آغاز خواهند شد و واکنش‌های شکافت هسته‌ای بیشتری رخ می‌دهند. به‌دست آوردن اورانیوم غنی شده ۲۳۵ یکی از چالش‌های اصلی بمب‌های هسته‌ای است. قدرت بمب پسر کوچک در مقایسه با بمب‌های امروزی بسیار کوچک بود. از این‌رو، هیچ‌گاه بمبی شبیه آن، حتی قدرتمندتر، ساخته نشد.

مرد چاق یکی دیگر از دو بمب اتم استفاده شده در جنگ جهانی دوم بود. به جای اورانیوم-۲۳۵، در ساخت آن از عنصر پلوتونیم-۲۳۹ استفاده شد. اما پلوتونیم-۲۳۹ خالص نبود و از مقدار کمی پلوتونیم-۲۴۰ تشکیل شده بود. نرخ شکافت هسته‌ای پلوتونیم-۲۴۰ بیشتر از پلوتونیم-۲۳۹ است. بنابراین، اگر طراحی مرد چاق شبیه پسر کوچک بود، پلوتونیم استفاده شده در آن قبل از رسیدن به پلوتونیم هدف و برخورد با آن، در اثر واکنش شکافت به قسمت‌های کوچک‌تری تقسیم می‌شد. در نتیجه، طراحی متفاوتی برای بمب مرد چاق در نظر گرفته شد.

در این بمب، کره‌ای تشکیل شده از پلوتونیم در مرکز بمب و اطراف این کره، لایه‌ای از اورانیوم قرار داده شد. کره‌ای از جنس پلوتونیم، توسط لایه اورانیومی در جای خود نگه داشته می‌شد و به عنوان بازتاب‌کننده نوترونی عمل می‌کرد. از این‌رو، بازده واکنش شکافت هسته‌ای افزایش قابل‌ملاحظه‌ای یافت. مواد منفجره در اطراف لایه اورانیوم به گونه‌ای قرار داده شدند که انفجار متقارنی را ایجاد کنند. در اثر انفجار این مواد، کره پلوتونیم فشرده و منفجر شد و تعداد زیادی نوترون را به سمت فلز پرتوزا، پرتاب کرد. در ادامه، واکنش شکافت آغاز و بمب منفجر شد. عنصر پلوتونیم با نوترون بمباران و در نتیجه، این عنصر در اثر شکافت هسته‌ای به زنون و زیرکونیوم یا عنصرهای دیگری، تبدیل می‌شود. نکته مهم، شکافت عنصر پلوتونیم پس از بمباران آن توسط نوترون است. در شکافت هسته‌ای، جرم از بین می‌رود و معادل جرم از بین رفته، انرژی آزاد خواهد شد. در اینجا باز هم رابطه معروف اینشتین خودنمایی می‌کند:

$$E = mc^2$$

واکنش انجام شده در طی بمباران پلوتونیم با نوترون و شکافت آن به دو عنصر زیرکونیوم و زنون به صورت زیر است:

$$^{239}_{94}Pu + ^{1}_{0}Pu \rightarrow ^{134}_{54}Xe + ^{103}_{40}Zr + 3 \ ^{1}_{0}n$$

همان‌طور که در این واکنش دیده می‌شود، یک نوترون وارد واکنش و سه نوترون خارج شده است، بنابراین در این واکنش دو نوترون تولید می‌شود. این نوترون‌ها، باز اتم‌های پلوتونیم را بمباران می‌کنند و واکنش‌های زنجیره‌ای بیشتری رخ خواهند داد. برای آن‌که بمب اتم کار کند، پلوتونیم باید به حالت بحراتی برسد. برای انجام این کار هسته این عنصر را فشرده می‌کنند. پلوتونیم پس از فشرده شدن وارد واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت می‌شود.

بمب مرد چاق

پلوتونیم با استفاده از مواد منفجره رایج، فشرده می‌شود. این مواد در اطراف هسته پلوتونیم قرار می‌گیرند و چگالی آن را افزایش می‌دهند. در ادامه، واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت آغاز می‌شوند. شکافت هسته‌ای در بمب اتم، نقش کلیدی را ایفا می‌کند. بازده این بمب در حدود ۲۰ کیلوتن TNT است. شاید از خود بپرسید این عدد به چه معنا است. فرض کنید ۲۰ هزار تن TNT را در انبار بزرگی ذخیره کرده‌اید. قرار دادن این مقدار زیاد TNT در کنار هم بسیار خطرناک و قدرت انفجار آن در حدود قدرت انفجار بمب اتم است. انفجار این انبار، خسارات جبران‌ناپذیری را به جا خواهد گذاشت.

نکته‌ای در مورد دو بمب پسر کوچک و مرد چاق وجود دارند که باید به آن توجه شود، انفجار در مرحله اول چگونه آغاز می‌شود؟ برخورد با زمین محرک انفجار بمب است. اما زمین مقدار زیادی انفجار را جذب و شعاع آن را محدود می‌کند. برای آن‌که قدرت انفجار بمب ساخته شده به حداکثر مقدار خود برسد، باید در هوا منفجر شد. بنابراین، مدار الکتریکی ویژه‌ای به منظور محاسبه ارتفاع از زمین، در هر دو بمب به کار برده شد. در نتیجه، بمب در زمان مناسبی منفجر می‌شد.

بمب هیدروژنی چگونه کار می‌کند ؟

بازده بمب هیدروژنی حتی از بمب اتم نیز بیشتر است. برخلاف بمب اتم، در بمب هیدروژنی از همجوشی هسته‌ای، استفاده می‌شود. توجه به این نکته مهم است که فرایند شکافت هسته‌ای نیز در بمب‌های هیدروژنی استفاده می‌شود، اما همجوشی نقش اصلی را ایفا خواهد کرد، گرچه بیشتر انرژی بمب از شکافت هسته‌ای می‌آید.

در بمب‌های اتم از انرژی آزاد شده در اثر تقسیم هسته‌های سنگین به هسته‌های کوچک‌تر یا همان شکافت هسته‌ای استفاده می‌شود. اما در بمب هیدروژنی از انرژی آزاد شده پس از ترکیب دو هسته سبک با یکدیگر یا همان همجوشی هسته‌ای، استفاده شده است. در شرایط عادی، هسته اتم با بار مثبت توسط هسته اتم دیگر با بار مشابه، دفع می‌شود. بنابراین، دو هسته با بار یکسان به جای ترکیب با هم، با نیروی دافعه بسیار زیادی یکدیگر را پس می‌زنند. همان‌طور که گفته شد، تنها در دمای بسیار بالا، این هسته‌ها با کسب انرژی جنبشی کافی می‌توانند به قدری به یکدیگر نزدیک شوند که نیروی هسته‌ای کوتاه‌برد بین آن‌ها بر نیروی دافعه الکترواستاتیکی غلبه کند. هسته‌های بسیار سبک اتم‌های هیدروژن، بهترین انتخاب برای انجام فرایند همجوشی هسته‌ای هستند، زیرا بار مثبت کوچکی دارند و راحت‌تر می‌توان بر نیروی دافعه بین آن‌ها غلبه کرد.

همجوشی ایزوتوپ های هیدروژن
همجوشی ایزوتوپ‌های هیدروژن

هسته‌های هیدروژن شرکت‌کننده در واکنش همجوشی برای تشکیل هسته‌های هلیوم سنگین‌تر، قسمت کوچکی از جرم خود (در حدود ۰/۶۳ درصد)‌ را از دست می‌دهند. تمام جرم از دست رفته به انرژی تبدیل می‌شود. قدرت انفجاری بمب هیدروژنی از این انرژی تولید شده می‌آید. توجه به این نکته مهم است که در بمب‌های هیدروژنی به جای استفاده از هسته‌های هیدروژن، از ایزوتوپ‌های آن، یعنی دوتریوم و تریتیوم، استفاده می‌شود. دو اتم دوتریوم، هر کدام با یک پروتون و دو نوترون، در فرایند همجوشی هسته‌ای با یکدیگر ترکیب می‌شوند و هسته سنگین‌تر هلیوم با دو پروتون و یک یا دو نوترون را تشکیل می‌دهند.

امروزه از لیتیم دوترید ۶ به عنوان سوخت همجوشی در بمب هیدروژنی استفاده می‌شود. این ماده در ابتدای فرایند همجوشی به تریتیوم تبدیل خواهد شد. فرایند انفجار در بمب هیدروژنی در جایی به نام مرحله اولیه، آغاز می‌شود. این بخش از مقدار نسبتأ کمی مواد منفجره معمولی تشکیل شده است. با انفجار در این بخش، مقدار کافی اورانیوم قابل شکافت برای ایجاد واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت، فراهم می‌شود. با انجام این واکنش‌های زنجیره‌ای، انفجار دیگری رخ می‌دهد و دما تا چند میلیون درجه افزایش می‌یابد.

نیرو و گرمای این انفجار توسط محفظه حاوی اورانیوم بازتاب و به سمت مرحله دوم هدایت می‌شود. لیتیم دوترید در این مرحله وارد بازی می‌شود. همجوشی هسته‌ای به دلیل گرمای تولید شده در اثر انفجار دوم در مرحله اول، آغاز می‌شود. در ادامه، انفجار مرحله دوم، محفظه اورانیوم را متلاشی می‌کند. نوترون‌های آزاد شده در فرایند همجوشی سبب شکافت اورانیوم می‌شوند. انرژی آزاد شده در فرایند شکافت اورانیوم، بیشتر انرژی آزاد شده در انفجار را تشکیل خواهد داد. انفجارهای متوالی در بمب هیدروژنی در کسری از ثانیه رخ می‌دهند.

بمب هیدروژنی

انفجار گرما هسته‌ای، گرما، نور و بارانی از مواد پرتوزا ایجاد می‌کند. قدرت‌های بمب‌های هیدروژنی صدها و حتی هزاران برابر بمب‌های اتمی است. بازده بمب‌های اتمی برحسب کیلوتن و بازده بمب‌های هیدروژنی برحسب مگاتن اندازه گرفته می‌شود. بمب‌های هیدروژنی با قدرتی بیشتر از ۵۰ مگاتن آزمایش شده‌اند، اما قدرت انفجاری بمب‌های نصب شده روی موشک‌های استراتژیک بین ۱۰۰ کیلوتن تا ۱/۵ مگاتن است.

تا اینجا می‌دانیم بمب هیدروژنی چگونه کار می‌کند و قدرت تخریب آن نسبت به بمب اتم چه مقدار بیشتر است، در ادامه در مورد تفاوت بمب هیدروژنی و اتمی با جزییات بیشتری صحبت خواهیم کرد.

مقایسه بمب اتم و بمب هیدروژنی

بیشتر افراد فکر می‌کنند که بمب اتم و بمب هیدروژنی دو بمب یکسان هستند، اما این‌گونه نیست. شباهت این دو بمب در آن است که هر دو در زیر گروه بمب‌های هسته‌ای قرار گرفته‌اند. به طور خلاصه، عملکرد بمب اتم براساس فرایند شکافت است، در حالی‌که بمب هیدروژنی از فرایند شکافت برای ایجاد واکنش همجوشی هسته‌ای استفاده می‌کند. به بیان دیگر، از بمب اتم می‌توان به عنوانن ماشه یا محرکی برای بمب هیدروژنی استفاده کرد.

تفاوت بمب اتم و بمب هیدروژنی چیست ؟

بمب هیدروژنی نسخه پیشرفته‌ بمب اتم است. در بمب اتم از عنصرهای اورانیوم یا پلوتونیم استفاده می‌شود و فرایند اصلی در این بمب، شکافت هسته‌ای خواهد بود. در بمب هیدروژنی، علاوه بر اورانیوم یا پلوتونیم، از دو ایزوتوپ هیدروژن به نام‌های دوتریوم و تریتیوم نیز استفاده می‌شود. اساس کار این بمب بر پایه فرایند همجوشی هسته‌ای است. در واقع، بمب هیدروژنی با ترکیب فرایندهای همجوشی و شکافت هسته‌ای، عمل می‌کند. در فرایندهای شکافت و همجوشی هسته‌ای مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد که از این انرژی برای انفجار بمب استفاده می‌شود. اما انرژی آزاد شده در فرایند همجوشی بسیار بزرگ‌تر است، بنابراین انفجار حاصل از آن قدرت بیشتری خواهد داشت.

مقایسه قدرت بمب های هسته ای مختلف

شباهت بمب اتم و بمب هیدروژنی چیست ؟

هر دو بمب بسیار مخرب هستند و در کسری از ثانیه می‌توانند جان افراد بسیاری را بگیرند. انفجارهای حاصل از دو بمب، نتایج جبران‌ناپذیری را به بار خواهد آورد.

تاریخچه بمب هیدروژنی

جامعه علمی پس از جنگ جهانی دوم دچار اختلافاتی در مورد ساخت بمب هیدروژنی شد. «ادوارد تلر» (Edward Teller)، توسعه‌دهنده پروژه منهتن، از ایده ساخت این بمب حمایت کرد. افرادی مانند «رابرت اوپنهایمر» (J. Robert Oppenheimmer)، «انریکو فرمی» (Enrico Fermi) و «رابی» (Rabi) مخالف ساخت این بمب بودند. فرمی و رابی اعتقاد داشتند از آنجا که هیچ محدودیتی برای میزان تخریب بمب هیدروژنی وجود ندارد، کسب دانش در مورد ساخت آن تهدیدی جدی برای کل بشریت محسوب می‌شود.

ادوارد تلر
ادوارد تلر

با تمام این مخالفت‌ها، تلاش و رقابت برای ساخت این بمب بین کشورهای مختلف تشدید شد. گروهی از دانشمندان به سرپرستی ادوارد تلر از ساخت بمب هیدروژنی به شدت حمایت می‌کردند. آن‌ها به طور مستقیم با ارتش و کمیته مشترک انرژی اتمی مشغول به کار شدند. در سال ۱۹۵۰ میلادی، «هری ترومن» (Harry S. Truman) رییس جمهور وقت، اعلام کرد که ساخت بمب هیدروژنی ادامه خواهد یافت.

آزمایش MIKE

در یکم نوامبر سال ۱۹۵۲ میلادی، ایالات متحده آمریکا بمب ۱۰/۴ مگاتنی هیدروژنی را در اقیانوس آرام در جزایر مارشال، منفجر کرد. این آزمایش با نام رمزی «مایک» (MIKE)، نخستین آزمایش موفقیت‌آمیز بمب هیدروژنی بود. در آن زمان، دانشمندان اطلاعات بسیار کمی در مورد لیتیم دوترید داشتند، بنابراین به جای آن از دوتریوم مایع استفاده کردند. دمای نگهداری این ماده، زیر ۴۱۷- درجه فارنهایت یا ۲۵۰- درجه سلسیوس است. برای نگه‌داری دوتریوم مایع در این دمای بسیار پایین، از سیستم خنک‌کننده پیچیده‌ای استفاده شد.

تمام افرادی که شاهد این آزمایش‌های اتمی بودند، از قدرت انفجار آن شگفت‌زده شدند. عرض ابر ایجاد شده پس از انفجار در حدود ۱۶۱ کیلومتر و ارتفاع آن در حدود ۴۰ کیلومتر بود. این انفجار به حدی قدرتمند بود که حفره‌ای در حدود ۱/۷ کیلومتر به جا گذاشت و زندگی جانوری در تمام جزایر اطراف را نابود کرد.

آزمایش MIKE

آزمایش BRAVO

۱۴ ماه پس از آزمایش هسته‌ای مایک، در روز اول ماه مارس سال ۱۹۵۴، بمب هیدروژنی دیگری که در ساخت آن از لیتیم دوترید جامد استفاده شده بود، در جزایر مارشال با موفقیت مورد آزمایش قرار گرفت. دانشمندان به هنگام محاسبه بازده این بمب، واکنش همجوشی مهمی را نادیده گرفتند. از این‌رو، بازده بمب هیدروژنی را در حدود ۵ مگاتن تخمین زده بودند. اما شدت و قدرت انفجار از آنچه فکر می‌کردند بسیار بیشتر بود. بازده واقعی بمب در حدود ۱۴/۸ مگاتن بود. این بمب هیدروژنی، یکی از قدرتمندترین سلاح‌های هسته‌ای استفاده شده تا آن زمان بود. قطر حفره ایجاد شده پس از انفجار این بمب، در حدود دو کیلومتر و عمق آن در حدود ۱۶۰ متر بود. پس از انفجار، در حدود میلیون‌ها تن زباله پرتوزا وارد آسمان و جو زمین شد. در زمان انجام این آزمایش، هیچ انسانی در آن جزیره زندگی نمی‌کرد.

پاسخ شوروی سابق به انفجار آزمایشی بمب هیدروژنی توسط آمریکا

همزمان با آمریکا، شوروی سابق نیز به دنبال ساخت بمب هیدروژنی بود. پژوهش اولیه به سرپرستی فردی به نام «کلاوس فوچس» (Klaus Fuchs) انجام شد. سپس، فردی به نام «اندری ساخاروف» (Andrey Sakharov) ایده متفاوتی به نام «کیک لایه‌ای» پیشنهاد کرد. در این مدل، سوخت هیدروژنی و اورانیوم به صورت لایه‌های متناوب، قرار گرفته بودند. اما در این مدل، مقدار سوخت استفاده شده در بمب‌های هیدروژنی و در نتیجه، قدرت انفجار بمب، محدود می‌شد.

اندری ساخاروف
اندری ساخاروف

در دوازدهم آگوست سال ۱۹۵۳ میلادی، شوروی سابق نخستین بمب هیدروژنی خود را در مرکز سیبری آزمایش کرد. گرچه قدرت انفجاری این بمب از بمب ساخته شده توسط آمریکا بسیار کمتر بود (در حدود ۴۰۰ کیلوتن)، مزیت ویژه‌ای نسبت به بمب آمریکایی داشت. بمب هیدروژنی ساخته شده توسط شوروی به اندازه‌ای کوچک بود که به آسانی توسط هواپیما حمل شود. مدت کوتاهی پس از آزمایش BRAVO، تیم تحقیقاتی به سرپرستی ساخاروف ایده مشابهی برای استفاده از انفجار تشعشعی داشتند. در نتیجه، طراحی کیک لایه‌ای متوقف شد.

در روز ۲۲ نوامبر سال ۱۹۵۵ میلادی، شوروی بمب هیدروژنی دیگری با قدرتی بسیار بیشتر از قدرت بمب اول (۱/۶ مگاتن)، به طور آزمایشی منفجر کرد. پس از این آزمایش‌، بمب‌های هیدروژنی دیگری نیز توسط شوروی به صورت آزمایشی منفجر شدند. روز ۲۳ اکتبر سال ۱۹۶۱ روز شگفتی‌ساز بود و بمب هیدروژنی با قدرتی در حدود ۵۸ مگاتن منفجر شد. قدرت این بمب بسیار بیشتر از بمب‌های اتم و بمب‌های هیدروژن آزمایش شده تا آن زمان بود.

فیلم لحظه انفجار بمب تزار
فیلم لحظه انفجار بمب تزار
قدرت تخریب بمب هیدروژنی از کدام نوع واکنش هسته‌ای ناشی می‌شود؟
همجوشی هسته‌ای
یونیزاسیون هسته‌ای
شکافت هسته‌ای

کدام کشورها بمب هیدروژنی دارند ؟

آمریکا نخستین کشوری بود که بمب هیدروژنی را در سال ۱۹۵۲ ساخت. آن‌ها به طور پیوسته این بمب را تا سال ۱۹۵۴، آزمایش و نقص‌های آن را برطرف کردند. در ادامه، شوروی سابق و روسیه فعلی، بلافاصله پس از آمریکا و در سال ۱۹۵۳، نخستین بمب هیدروژنی خود را ساخت و تا سال ۱۹۶۱ بمب‌های هیدروژنی بسیار قدرتمندتری را آزمایش کرد. پس از این دو کشور، کشورهای زیاد دیگری درصدد ساختن بمب هیدروژنی برآمدند. به عنوان مثال، انگلیس در سال ۱۹۵۷، چین با همکاری شوروی سابق در سال ۱۹۶۷، فرانسه در سال ۱۹۶۸ و هند در سال ۱۹۹۸، بمب‌های هیدروژنی خود را به صورت آزمایشی منفجر کردند.

قوی ترین بمب هیدروژنی در دنیا چیست ؟

قوی‌ترین بمب هیدروژنی ساخته شده «بمب تزار» (Tsar Bomba) نام دارد. این بمب توسط شوروی ساخته شد و در روز ۳۰ اکتبر سال ۱۹۶۱ میلادی به صورت آزمایشی منفجر شد. گروهی از فیزیک‌دان‌های معروف، مانند آندری ساخاروف، این بمب را ساختند. قدرت این بمب در حدود ۱۰۰ مگاتن، وزن آن در حدود ۲۷ تن و قطر آن در حدود ۸ متر بود. این بمب هیچ‌گاه به صورت عملی استفاده نشد، زیرا اندازه آن برای حمل توسط موشک‌های جنگی بسیار بزرگ بود.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد بمب هیدروژنی، چگونگی عملکرد و تفاوت آن با بمب اتم صحبت کردیم. قدرت انفجاری بمب هیدروژنی بسیار بیشتر از بمب اتمی است. در بمب اتمی از شکافت هسته‌ای برای ایجاد انفجار و تولید انرژی استفاده می‌شود، در حالی‌که در بمب‌های هیدروژنی، فرایندهای همجوشی و شکافت همزمان به کار گرفته شده‌اند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.