Ядерний вибух , грандіозний по своїх масштабах і руйнівній силі вибух, що викликається вивільненням ядерній енергії . До можливості опанування ядерної енергії фізики впритул підійшли на початку другої світової війни 1939—45. Перша так звана атомна бомба була створена в США об'єднаними зусиллями великої групи найбільших учених, багато хто з яких емігрував з Європи, рятуючись від гітлерівського режиму. Перший випробувальний Я. ст було вироблене 16 липня 1945 поблизу Аламогордо (штат Нью-Мексікоа, США); 6 і 9 серпня 1945 дві американські атомні бомби були скинуті на японські міста Хіросіма і Нагасакі (див. Ядерна зброя ) . Енергія перших Я. ст оцінювалася приблизно в 10 21 ерг (10 14 дж ), що еквівалентно виділенню енергії при вибуху близько 20 тис. т ( кт ) тротилу (енергію Я. ст зазвичай характеризують його тротиловим еквівалентом ) . В СРСР перший атомний вибух був здійснений в серпні 1949, а 12 серпня 1953 в СРСР було проведено перше випробування значно потужнішої водневої бомби. Надалі ядерні держави виробляли випробувальні Я. ст з енергіями до десятків млн. т ( Мт ) тротилового еквіваленту.
До Я. ст може привести або ядерна ланцюгова реакція ділення важких ядер (наприклад, 235 U і 239 Pu), або термоядерна реакція синтезу ядер гелію з легших ядер. Ядра 235 U і 239 Pu діляться при захваті нейтрона на два осколкові ядра середньої атомної маси; при цьому народжується також декілька нейтронів (зазвичай два-три). Сума мас всіх дочірніх часток менше маси вихідного ядра на величину D m , звану дефектом маси . Дефекту маси, згідно із співвідношенням А. Ейнштейна, відповідає енергія DЕ = D m × c 2 ( з — швидкість світла), яка є енергією зв'язку продуктів ділення у вихідному ядрі. Вивільнення цієї енергії при ланцюговій ядерній реакції ділення, що швидко розвивається, і приводить до вибуху. На одне ядро, що ділиться, енергія DE складає близько 200 Мев. В 1 кг 235 U або 239 Pu міститься 2,5 × 10 24 ядер. При діленні всіх цих ядер виділяється величезна енергія, рівна приблизно 10 21 ерг.
Можливість протікання ланцюгової реакції ділення обумовлена тим, що в акті ділення народжується більш за один нейтрон. Кожен з них також може виробити ділення ядер. Наступне покоління нейтронів ділить інші ядра і т. д. Наприклад, якщо по два нейтрони кожного покоління виробляють ділення, то через 80 поколінь реакція, що почалася з одного нейтрона, приведе до розпаду всіх ядер 1 кг речовини, що ділиться. Зазвичай не всі нейтрони викликають ділення ядер, частина з них втрачається. Якщо втрати дуже великі, то ланцюгова реакція розвинутися не може. Вірогідність втрати окремого нейтрона тим вище, чим менше лінійні розміри і маса речовини, що ділиться. Граничні умови, коли в речовині може розвинутися ланцюгова реакція, називаються критичними. Вони характеризуються щільністю, геометрією, масою речовини (наприклад, існує критична маса ) . речовину, що Ділиться, в ядерному заряді розташовують так, щоб воно знаходилося в докритичних умовах (наприклад, щоб маса була розосереджена). У потрібний момент здійснюються надкритичні умови (всю масу збирають разом), і тоді ініціюється ланцюгова реакція. Зібрати всю масу необхідно дуже швидко, для того, щоб реакція протікала при можливо більшій мірі надкритичності і до розльоту речовини, що нагрівається, встигла б прореагувати можливо велика його частка. Можливості підвищення потужності Я. ст, заснованого на ланцюговій реакції ділення ядер, практично обмежені, т. до. очень важко велику масу того, що ділиться речовини, спочатку розташовану в докритичній формі, досить швидкий перетворити на надкритичну.
Я. ст великої потужності з еквівалентом в мільйони і десятки млн. т тротилу засновані на використанні реакції термоядерного синтезу. Основна реакція тут — перетворення двох ядер важких ізотопів водню (дейтерію 2 H і тритію 3 H) у ядро гелію 4 He і нейтрон. У одному акті виділяється енергія 17,6 Мев . При повному перетворенні 1 кг важкого водню виділяється енергія, приблизно в 4 рази що перевищує енергію ділення 1 кг 235 U або 239 Pu . Для того, щоб позитивно заряджені ядра 2 H і 3 H могли зіткнутися і випробувати перетворення, вони повинні здолати електричні сили відштовхування, що діють між ними, тобто володіти значною швидкістю (кінетичною енергією). Тому термоядерна реакція, використовувана у водневій бомбі, протікає при дуже високих температурах — порядка десятки млн. градусів, що досягається при Я. ст атомної бомби, вживаної як «запал» у водневій бомбі. Оскільки водень в звичайному стані є газом, при здійсненні термоядерного вибуху використовують тверді водородсодержащие речовини 6 Li 2 H, 6 Li 3 H. Ядра літію і самі беруть участь в термоядерній реакції, підвищуючи енергетичний вихід термоядерного вибуху.
Безпосередньо після завершення ядерної реакції до моменту часу 10 -7 сік , відлічуваному від її початку, енергія, що виділилася, виявляється зосередженою у вельми обмеженій масі і об'ємі (порядка 1 т і 1 м-код 3 ). температура і тиск при цьому досягають колосальних величин порядка 10 млн. градусів і мільярдів атмосфер. Істотна доля енергії висвічується цією нагрітою речовиною у вигляді м'якого рентгенівського випромінювання, яке, проте, може поширитися на велику відстань лише при Я. ст в надзвичайно розрідженій атмосфері — на висотах порядка 100 км. і вище. У всіх останніх випадках — при вибухах в повітрі на не дуже великих висотах під землею, під водою — майже вся енергія вибуху переходить в середу, що безпосередньо оточує речовину ядерного заряду: повітря, землю, воду. Під дією високого тиску в довкіллі виникає сильна ударна хвиля . Я. ст породжує також проникаючу радіацію — потоки гамма-квантів і нейтронів, які відносять декілька відсотків від всієї енергії вибуху і поширюються в повітрі при атмосферному тиску на багато сотень м-коду .
Повітря в ударній хвилі Я. ст нагрівається до сотень тис. градусів і починає яскраво світитися, виникає так звана вогненна куля. Спочатку поверхня вогненної кулі збігається з фронтом ударної хвилі, і вони разом розширюються з великою швидкістю. Наприклад, при Я. ст, еквівалентному 20 кт , в повітрі атмосферного тиску через 10 -4 сік радіус вогненної кулі рівний приблизно 14 м-код ; через 0,01 сік — 100 м-код . На цій стадії відбувається відрив ударної хвилі від кордону вогненної кулі. Ударна хвиля, вже не викликаючи свічення, вирушає далеко уперед; розширення вогненної кулі сповільнюється, а потім зовсім припиняється. Через 0,1 сік радіус вогненної кулі досягає своєї максимальної величини — приблизно 150 м-коду ; температура свічення в цій стадії складає близько 8000 К. Через 1 сік яскравість свічення починає падати, і через 2—3 сік свічення практично припиняється. Всього на світлове випромінювання доводиться приблизно третина всієї енергії вибуху. Це випромінювання, яскравіше, ніж випромінювання Сонця, надає дуже сильну приголомшуючу дію, викликаючи навіть на відстані 2 км. пожежі, обгорання предметів, опіки у людей і тварин. Через 10 сік ударна хвиля вирушає на відстань 3,7 км. від центру Я. ст Сильна руйнівна дія на удома, промислові споруди, військову техніку ударна хвиля Я. ст в 20 кт надає на відстані до 1 км. .
Нагріте повітря вогненної кулі після припинення свічення, будучи менш щільним, чим навколишнє повітря, піднімається вгору під дією архімедівської сили (див. Архімеда закон ). В процесі підйому нагріте повітря розширюється і охолоджується, в нім відбувається конденсація пари води. Так утворюється характерна хмара, що клубочиться, Я. ст поперечником в сотні м-коду . Через хвилину воно досягає висоти 4 км. , через 10 мін — 10 км. . Надалі це хмара, що містить продукти ядерних реакцій, розноситься вітрами і повітряними течіями на відстані в десятки і сотні км. . Продукти ділення ядер володіють радіоактивністю, вони випускають g -кванти і електрони. Під дією радіоактивності і унаслідок випадання радіоактивних осадів відбувається радіоактивне зараження місцевості в області сліду хмари, яка є одним з найнебезпечніших наслідків Я. ст, викликаючи променеву хворобу у людей і тварин. Особливо небезпечні відносно радіоактивної дії Я. ст на малій висоті, коли вогненна куля при своєму розширенні стосується поверхні Землі, вгору здіймається величезний стовп пилу і землі, і радіоактивні продукти згодом випадають разом з пилом. Радіус дії ударної хвилі приблизно пропорційний Корню кубічному із значення енергії, що виділяється при вибуху. Наприклад, радіус дуже сильної руйнівної дії Я. ст в 20 Мт приблизно в 10 разів більше, ніж для Я. ст в 20 кт , тобто порядка 10 км. . Такий вибух може знищити велике місто.
При Я. ст на дуже великих висотах, вище за 100—200 км. , також виникають ударна хвиля і вогненна куля, але в світлове випромінювання переходить значно менша доля енергії Я. ст, т. до. вследствие сильній розрідженості повітря випромінює світло набагато слабкіше. Одним з найважливіших наслідків висотного Я. ст є виникнення великих областей підвищеної іонізації з радіусом в десятки і навіть сотні км. і обурення атмосфери. Іонізація викликається дією рентгенівського і g-віпромінюванні (а також нейтронів) і приводить до серйозних порушень в роботі засобів радіолокації і радіозв'язки. Висотні Я. ст, здійснені в 1958—62 в США, показали, що стійкий радіозв'язок може уриватися на десятки мин.(міністр)
При підводному вибуху приблизно половина всієї енергії міститься в первинній ударній хвилі, яка і виробляє основні руйнування. Для підводного вибуху характерне утворення великого міхура довкола центру вибуху, який здійснює пульсуючі рухи, затухаючі з часом. Вторинні хвилі випромінювані за рахунок пульсацій міхура, надають значно меншу дію, чим первинна ударна хвиля. Радіус сильної руйнівної дії, що приводить до нототенію кораблів (при Я. ст в 20 кт на невеликій глибині), складає ~ 0,5 км. . При підводному Я. ст з'являється «султан» — величезний стовп над поверхнею води, що складається з водяного пилу і бризок. Виникають також сильні поверхневі хвилі, які поширюються на багато км. (при вибуху в 20 кт на відстані 3 км. від епіцентра вибуху висота гребеня хвилі досягає 3 м-коду ).
При підземному Я. ст руйнування виробляє також ударна хвиля. Як і при підводному вибуху, в центрі виникає газовий міхур високого тиску. При неглибокому вибуху утворюється величезна воронка, в повітря піднімається стовп пилу і землі. Підземний Я. ст викликає поштовх, по своїй дії аналогічний землетрусу. По своїй енергії Я. ст в 20 кт можна порівняти із землетрусом силоміць в 5 М-коду (магнітуд) за шкалою Ріхтера (див. Магнітуда землетрусу ). Я. ст водневої бомби в 20 Мт відповідає землетрусу з силою 7 М-коду . Сейсмічні хвилі підземних Я. ст реєструються на відстанях в тисячі км. від місця вибуху.
Ю. П. Райзер.
Підземні Я. ст застосовувалися в мирних цілях для великомасштабних гірських робіт, видобутку корисних копалин і ін. Розрізняють заглиблений Я. ст зовнішньої дії і підземного (камуфлетного), коли радіус руйнівної дії не досягає поверхні землі. Я. ст зовнішньої дії, за допомогою яких можна напрямлено переміщати величезні маси гірських порід (для розтину родовищ корисних копалини, будівництва каналів, накидних гребель, водоймищ штучних гаваней і т. п.), вимагають створення ядерних пристроїв і методів їх детонації, що гарантують відсутність радіоактивного забруднення атмосфери і повну безпеку біосфери. Камуфлетниє Я. ст здійснюються при заглибленні заряду до декількох км. . Ці вибухи інтенсифікують розробку виснажених нафтових і газових родовищ, створюють (у пластичних породах) ємкості-сховища (для природного газу, нафтопродуктів, поховання відходів і т. п.) дозволяють дробити міцні рудні тіла (для їх витягання), ліквідовують аварійні газові і нафтові фонтани.
Літ.: Дія ядерної зброї, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1960; Зельдовіч Я. Б., Райзер Ю. П., Фізика ударних хвиль і високотемпературних гідродинамічних явищ, 2 видавництва, М., 1966; Коул Р., Підводні вибухи, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1950; Підземні ядерні вибухи, пер.(переведення) з англ.(англійський) М., 1962; Ядерний вибух в космосі, на землі і під землею, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1974; Атомні вибухи в мирних цілях, М., 1970; Ізраель Ю. А., Мирні ядерні вибухи і довкілля, Л., 1974.
