BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN VẬT LÝ 2 ĐỀ TÀI VŨ KHÍ NGUYÊN TỬ

Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚNMÔN VẬT LÝ 2

ĐỀ TÀI 20: VŨ KHÍ NGUYÊN TỬGVHD: Th.S Nguyễn Minh Châu

Th.S Lê Nguyễn Bảo Thư

Nhiên liệu hạt nhân: 8

III Các loại vũ khí nguyên tử 10

1)Bom phân hạch 10

2)Bom nhiệt hạch 12

So sánh Bom Nguyên tử và Bom Hydro ( bom nhiệt hạch) 15

IV Các loại vũ khí nguyên tử khác 15

1)Bom neutron 15

2)Tên lửa đạn đạo mang đầu đạn hạt nhân 16

Quỹ đạo bay của tên lửa liên lục địa: 18

Các kiểu tên lửa: 19

3)Tên lửa hành trình mang đầu đạn hạt nhân 19

Các tên lửa hành trình nổi tiếng 20

4)Các loại khác 21

V Ảnh hưởng và hậu quả của vũ khí hạt nhân 21

1)Ảnh hưởng 21

2)Hậu quả 22

VI Luật pháp quốc tế về sở hữu, kiểm soát và sử dụng vũ khí hạt nhân 23

Tài liệu tham khảo 25

Lời Nói Đầu

Trong thời đại hiện nay, khi các nguồn nhiên liệu truyền thống như than, dầu và khí đốt ngày càng suy giảm và tàn phá môi trường ngày một nặng nề hơn, năng lượng hạt nhân nổi lên như một giải pháp thay thế mới Trong khi vẫn còn nhiều tranh cãi xung quanh việc phát triển năng lượng hạt nhân cả trong nước và toàn cầu, không thể phủ nhận rằng dạng năng lượng này đã góp phần to lớn vào sự tiến bộ của nhiều quốc gia Tuy nhiên, điều quan trọng là phải thừa nhận những mối nguy hiểm cố hữu và những thảm họa tiềm ẩn liên quan đến sản xuất năng lượng hạt nhân, các quốc gia đòi hỏi phải cẩn thận khi sử dụng nguồn tài nguyên này

Đó cũng chỉ là một mặt tốt của năng lượng hạt nhân Bên cạnh đó, năng lượng hạt nhân này từ lâu đã được con người làm vũ khí phục vụ cho chiến tranh Kể từ cuộc chạy đua vũ trang những năm 1950, vũ khí nguyên tử đã nổi lên như một công cụ chiến lược quan trọng Các thuật ngữ “vũ khí nguyên tử” và “vũ khí hạt nhân” đã trở nên quen thuộc với hầu hết chúng ta Nhưng tại sao những vũ khí này lại có tầm quan trọng to lớn như vậy? Bởi vì sức công phá kinh khủng của nó Tại sao vấn đề sử dụng chúng lại khiến tất cả chúng ta lo lắng? Bởi vì nó gây ra hậu quả rất lâu dài cho cả thiên nhiên và con người Vậy tại sao nó lại có một sức công phá kinh khủng và mang lại hậu quả khủng khiếp như thế ? Mục đích của nhóm chúng em là nâng cao hiểu biết của mọi người về vũ khí nguyên tử, bao gồm cả cơ chế và chức năng của chúng

I.Khái niệm về vũ khí nguyên tử

Vũ khí nguyên tử là gì ?

Vũ khí hạt nhân hay vũ khí nguyên tử (Nuclear weapon) “là loại vũ khí hủy diệt hàng loạt mà năng lượng của nó do các phản ứng phân hạch hoặc phản ứng hợp hạch gây ra Một vũ khí hạt nhân nhỏ nhất có sức công phá lớn hơn bất kỳ vũ khí quy ước nào Vũ khí có sức công phá tương đương với 30.000-300.000 tấn thuốc nổ có thể phá hủy hoàn toàn một thành phố Nếu sức công phá là 1 triệu tấn thì có thể phá hủy 1 vùng với bán kính 100 - 160 km” - trích theo Wikipedia.

Hình 1.Đám mây hình nấm của quả bom nguyên tử Fat Man ném xuống thành phố Nagasaki,Nhật Bản vào ngày 9 tháng 8 năm 1945.

II Sơ lược về Bom nguyên tử

1) Lịch sử hình thành

Trong Thế chiến thứ hai, Hoa Kỳ, với sự hỗ trợ của Anh và Canada, đã bắt tay vào một sứ mệnh tuyệt mật được gọi là Dự án Manhattan để phát triển vũ khí hạt nhân đầu tiên Động lực ban đầu đằng sau nỗ lực này là nỗi lo sợ rằng Đức Quốc xã có thể tạo ra và sử dụng những vũ khí tàn khốc này trước lực lượng Đồng minh Tuy nhiên, cuối cùng,

Hiroshima và Nagasaki, hai thành phố ở Nhật Bản, phải gánh chịu những quả bom nguyên tử đầu tiên vào năm 1945 Sau đó, Liên Xô cũng theo đuổi việc phát triển và thử nghiệm vũ khí hạt nhân, cho nổ thành công quả bom đầu tiên vào năm 1949 giữa những năm 1950, cảHoa Kỳ và Liên Xô đều nâng cao năng lực của mình hơn nữa bằng cách chế tạo vũ khí nhiệt hạch Việc phát minh ra tên lửa hoạt động đáng tin cậy vào những năm 1960 có nghĩa là vũ khí hạt nhân có thể được chuyển đến bất kỳ nơi nào trên thế giới Trước tình hình này,hai siêu cường quốc thời Chiến tranh Lạnh đã chấp nhận một chiến dịch nhằm kiềm chế cuộc chạy đua vũ trang hạt nhân, nỗ lực gìn giữ nền hòa bình thế giới mong manh lúc bấy giờ.

Hình 2.1.1 Robert Oppenheimer, lãnh đạo chính của Dự án Manhattan, thường được gọi là"cha đẻ của bom nguyên tử".

Vũ khí hạt nhân là biểu tượng cho sức mạnh quân sự và sức mạnh quốc gia Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân thường để kiểm tra các thiết kế mới cũng như là gửi các thông điệp chính trị Một số quốc gia khác cũng phát triển vũ khí hạt nhân trong thời gian này, đó là Anh Quốc, Pháp, Trung Quốc Năm thành viên của "hiệp hội các nước có vũ khí hạt nhân" đồng ý một thỏa hiệp hạn chế việc phổ biến vũ khí hạt nhân ở các quốc gia khác mặc dù có ít nhất hai nước :Ấn Độ, Cộng hòa Nam Phi đã chế tạo thành công và Israel có thể đã phát triển vũ khí hạt nhân vào thời điểm đó lúc đó

Đầu những năm 1990, Các nước cộng hòa của Liên bang Xô viết (Nga trước đây) là Liên Xô cùng với Hoa Kỳ cam kết giảm số đầu đạn hạt nhân dự trữ để gia tăng sự

ổn định quốc tế Mặc dù vậy, việc phổ biến vũ khí hạt nhân vẫn tiếp tục Pakistan thử nghiệm vũ khí hạt nhân đầu tiên vào năm 1998, Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Triều Tiên công bố đã phát triển vũ khí hạt nhân vào năm 2004 Vũ khí hạt nhân là một trong những vấn đề trọng tâm của các căng thẳng về chính trị quốc tế và vẫn đóng vai trò quan trọng trong các vấn đề xã hội từ những năm 1940 Vũ khí hạt nhân thường được coi là biểu tượng phi thường của con người trong việc sử dụng sức mạnh

của nhân tạo để hủy diệt chính con người Đây cũng là lúc con người mở ra thêm một nguy cơ có thể hủy diệt nền văn minh của chính mình.

Hình 2.1.2 Hậu quả của vụ nổ bom ở Hiroshima, Nhật Bản. 2) Cấu trúc nguyên tử phóng xạ và nguyên lý hoạt động

Để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của bom nguyên tử, điều quan trọng trước tiên là phải xem lại một số kiến thức cơ bản về nguyên tử và phóng xạ Những khái niệm cơ bản này là cơ sở làm phát sinh sức tàn phá to lớn của năng lượng hạt nhân nguyên tử bên trong vũ khí hạt nhân.

Hình 2.2.1 Cấu tạo cơ bản của nguyên tử

Một nguyên tử được cấu tạo bởi ba hạt là proton, neutron và electron Trung tâm của nguyên tử là hạt nhân, bao gồm proton (mang điện tích dương) và neutron (không mang điện tích) Electron bay xung quanh hạt nhân và mang điện tích âm Vùng mà đặc trưng cho tỉ lệ xuất hiện của Electron gọi là đám mây Electron.

Số lượng các hạt bên trong nguyên tử ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của nguyên tử đó Nếu thay đổi số proton bạn sẽ có một nguyên tử khác hoàn toàn Nếu thay đổi số neutron bạn sẽ có một đồng vị mới của nguyên tố đó

Bằng cách tiến hành nhiều thí nghiệm, người ta thấy rõ rằng một số đồng vị của các nguyên tố thể hiện tính ổn định, trong khi những đồng vị khác dễ bị mất ổn định và trải qua quá trình phân rã, thường được gọi là bức xạ Quá trình phân rã phóng xạ của các đồng vị không ổn định kéo theo sự phát xạ của các hạt, được gọi là bức xạ Hiện nay có ba loại phân rã phóng xạ là:

 Phân rã Alpha: một hạt nhân giải phóng 2 proton và 2 neutron liên kết với

nhau được gọi là một hạt Alpha.

 Phân rã Beta: một hạt neutron phân rã thành một proton, một electron và một

phản neutrino gọi là một hạt Beta.

 Phân hạch: một hạt nhân bị chia thành hai phần Trong quá trình này nó có thể

tạo ra một vụ nổ năng lượng điện được biết đến như tia gamma Tia gamma là loại duy nhất của bức xạ hạt nhân đến từ năng lượng thay vì các chuyển động.

Hình 2.2.2 Bảng Quang phổ Điện từ

Các loại phản ứng hạt nhân:

Bom nguyên tử hay còn gọi là bom hạt nhân bởi sức mạnh hủy diệt của nó bắt nguồn từ chính những hạt nhân vô cùng bé nhỏ Có hai phản ứng cơ bản để sinh ra năng lượng hạt nhân: phản ứng phân hạch và phản ứng tổng hợp hạt nhân Trong đó, phản ứng tổng hợp là sức mạnh tái sinh từ năng lượng mặt trời, còn phản ứng phân hạch là sức mạnh hủy diệt sử dụng trong bom nguyên tử.

a/ Phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch được phát hiển bởi nhà vật lý người Ý Enrico Fermi vào năm 1930 Ông đã chứng minh rằng việc bắn phá các neutron có thể làm thay đổi tính chất hạt nhân và tạo nên các nguyên tố mới Sau những nghiên cứu của Ferrmi, các nhà khoa học Đức đã sử dụng các hạt neutron bắn phá nguyên tử uranium và tạo ra một đồng vị phóng xạ mới không ổn định.

Sau đó các nhà khoa học tại Đại học Princeton đã phát hiện ra trong quá trình phân hạch đã dấn đến việc các neutron được sản xuất Và các neutron tự do này có thể tiếp tục tạo ra phản ứng phân hạch khác, như vậy nó sẽ tạo ra một phản ứng dây chuyền với năng lượng nhiệt và bức xạ vô hạn Đây chính là khởi đầu của loại vũ khí hủy diệt đáng sợ nhất từ trước đến nay.

Hình 2.2.3 Phân hạch hạt nhân

Hình 2.2.4 Nhà vật lý Enrico Fermi

b/Phản ứng nhiệt hạch

Năm 1943, nhà vật lý học người Mỹ Edward Teller đã tìm ra loại phản ứng nhiệt hạch mới có thể giải phóng neutron, cung cấp cho phản ứng phân hạch với tốc độ cao

hơn Về sau nó đã trở nên phổ biến, được áp dụng vào các loại vũ khí hạt nhân hiện đại ngày nay và được gọi là bom nhiệt hạch.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân hay phản ứng nhiệt hạch, phản ứng hợp hạch, trong vậtlý học, là quá trình giữa 2 hạt nhân trở lên hợp lại với nhau để tạo nên một hạt nhân mới nặng hơn Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của hạt nhân tham gia

Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ tạo ra sự phát sáng của các ngôisao và làm cho bom nhiệt hạch (bom hydro) nổ Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nhân nặng thì xảy ra trong điều kiện các vụ nổ sao (siêu tân tinh) Phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các sao và các chòm sao là quá trình chủ yếu tạo ra các nguyên tố hóa học tự nhiên.

Hình 2.2.5 nhà vật lý học người Mỹ Edward Teller

Nhiên liệu hạt nhân:

Vào tháng 3 năm 1940, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Colombia đã thử nghiệm một phản ứng dây chuyền với đồng vị Uranium-235 nhưng không thành công Sau đó, toàn bộ nghiên cứu được chuyển đến Đại học Chicago , Fermi là người đã thành công trong việc tạo ra một phản ứng dây chuyển có kiểm soát đầu tiên trên thế giới, sử dụng U235 làm nguyên liệu

Hình 2.2.6 Uranium-235 (U235)

Nguyên tử uranium thông thường cần tới 700 triệu năm để có thể phân rã, một sự tác động từ neutron tự do sẽ làm hạt nhân trở nên bất ổn và có thể phân rã ngay lập tức nó sẽ phân rã thành hai nguyên tử đồng vị nhẹ hơn và giải phóng khoảng 2 hoặc 3 neutron mới đồng thời phát ra các tia gamma bức xạ và giải phóng năng lượng.

Đồng vị U235 được lựa chọn do khả năng tiếp nhận neutron tự do rất cao Quá trình tiếp nhận và phân rã xảy ra vô cùng nhanh, chỉ mất khoảng 1 phần tỉ giây Để có thể hoạt động, Uranium cần phải được “làm giàu”, nghĩa là tăng tỉ lệ của đồng vị U235 Ở cấp độ vũ khí hạt nhân, đồng vị U235 phải chiếm trên 90% nguyên liệu chính.

Trong năm 1941, các nhà khoa học tại Đại học California đã tìm ra loại nguyên tố thứ hai có thể làm nguyên liệu hạt nhân và đặt tên nó là Plutonium Sau đó một năm, họ đã thử nghiệm thành công phản ứng phân hạch dây chuyển với loại nguyên tố mới này.

Hình 2.2.7 Plutonium-238 (Pu238)

Nhiên liệu thường dùng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là các đồng vị deuterium và tritium của hydrogen Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ thành phần nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém từ nguyên tử hydrogen.

Hình 2.2.7 Đồng vị Deutritium và Tritium của Hydro

III Các loại vũ khí nguyên tử

Vũ khí nguyên tử đơn giản lấy năng lượng từ sự phân hạch, còn được gọi là phân rã hạt nhân Vật liệu phân hạch tích tụ thành khối lượng tới hạn, gây ra phản ứng dây chuyền tăng theo cấp số mũ, giải phóng một lượng lớn năng lượng Quá trình này được thực hiện bằng cách đốt một mẫu vật liệu dưới tới hạn này vào một mẫu vật liệu dưới tới hạn khác để tạo ra trạng thái gọi là siêu tới hạn Khó khăn lớn nhất trong việc thiết kế tất cả các loại vũ khí hạt nhân là đảm bảo rằng phần lớn nhiên liệu được sử dụng trước khi vũ khí tự hủy Một quả bom nguyên tử có sức công phá tới hàng nghìn tấn thuốc nổ TNT.

1)Bom phân hạch

Trong bom phân hạch, nhiên liệu phải được giữ ở mức dưới khối lượng tới hạn để ngăn chặn phản ứng dây chuyền và tránh nổ sớm Khối lượng tới hạn là mức khối lượng tối thiểu để đảm bảo quá trình phân hạch xảy ra và duy trì phản ứng dây chuyền

Điều đó tạo ra những khó khan, thách thức khi thiết kế những quả bom phân hạch Thiết kế phải đảm bảo càng nhiều năng lượng hạt nhân bị nén lại trước khi phát nổ, đảm bảo phản ừng dây chuyền không bị ngắt quãng và tận dụng tối đa số nguyên liệu Để làm được điều này, các nhà khoa học sử dụng nguyên liệu can thiệp là U238 Nó sẽ được làm nóng và mở rộng bởi phản ứng phân hạch tại lõi, chúng sẽ gây sức ép trở

lại lõi và làm chậm quá trình phản ứng trong một thời gian ngắn Lúc này, các neutron cũng bị nén trở lại lõi và nâng cao hiệu quả của phản ứng phân hạch.

Hình 3.2.1 Thiết kế quả bom phân hạch

Cấu tạo của một quả bom phân hạch đơn giản bao gồm một đầu đạn nhỏ U235 và một khối nguyên liệu U235 hình cầu, khi đầu đạn gặp khối nguyên liệu nó sẽ tạo nên khối lượng tới hạn và kích hoạt quá trình phản ứng phân hạch dây chuyền Loại bom nguyên tử này được gọi là bom phân hạch Trigger, có hai loại bom phân hạch với cơ chế hoạt động khác nhau là Little Boy và Fat Man Cấu tạo của bom phân hạch đơn giản bao gồm một đầu đạn cỡ nhỏ U235 và một khối hình cầu bằng vật liệu U235, khi đầu đạn chạm vào khối vật liệu sẽ tạo ra một khối lượng tới hạn và gây ra quá trình phản ứng, gây ra phản ứng phân hạch dây chuyền Loại bom nguyên tử này được gọi là bom phân hạch Trigger, có hai loại bom phân hạch có cơ chế hoạt động khác nhau: Little Boy và Fat Man Hai quả bom này được Mỹ sử dụng vào Thế chiến II, vào 2 thành phố Nagasaki và Hiroshima của Nhật Bản

Little Boy là quả bom đã thả xuống Hiroshima với sức công phá 15 kiloton, tương đương 15.000 tấn thuốc nổ TNT Hiệu suất của nó chỉ đạt 1,5%, tức là chỉ có 1,5% nguyên liệu hạt nhân tham gia phản ứng Cấu tạo của nó bao gồm một ống dài để dẫn hướng cho đầu đạn U235 đến khối nguyên liệu Một thiết bị cảm biến độ cao sẽ tính toán độ cao thích hợp, sau đó kích hoạt đầu đạn, đầu đạn kết hợp với khối nguyên liệu đồng thời kích hoạt máy phát điện và phản ứng phân hạch xảy ra, tạo ra một vụ nổ hủy diệt.

Hình 3.2.2 Quả bom Little Boy mà Mỹ thả xuống thành phố Hiroshima

Fat Man cũng có cùng nguyên lý hoạt động nhưng cấu tạo của nó khác với Little Boy Đây là quả bom đã thả xuống Nagasaki với sức công phá 23 kiloton và đạt hiệu suất 17% Cấu tạo của nó bao gồm một lõi Plutonium-239 bao quanh là chất nổ đặc biệt và ngoài cùng là U235 Cơ chế hoạt động của nó là kích hoạt khối chất nổ trước, sau đó lực ép sẽ nén chặt lõi plutonium và tạo khối lượng tới hạn kích hoạt phản ứng khiến quả bom phát nổ.

Hình 3.2.3 Quả bom Fatman mà Mỹ ném xuống thành phố Nagasaki 2)Bom nhiệt hạch

Do năng lượng sinh ra rất lớn từ bom nguyên tử, con người vẫn tiếp tục nghiên cứu, tìm tòi, phát minh ra những vũ khí tiến bộ, đem lại hiệu quả cao hơn Các các nhà khoa học đã tự hỏi liệu quá trình tổng hợp hạt nhân có thể cho hiệu quả cao hơn Ở nhiệt độ cao, các hạt nhân Hydro của đồng vị Deuteri và Triti có thể dễ dàng hợp nhất và giải phóng một lượng lớn năng lượng trong quá trình này Loại vũ khí sử dụng nguyên lý này được họi là bom nhiệt hạch, hay bom Hydro (do nguyên liệu chính là đồng vị của Hydro), hoặc bom H.

Bom hydro có sức hủy diệt vô cùng lớn Năng lượng giải phóng ra từ một vụ nổ bom hydro có thể ngay lập tức phá hủy mọi thứ trong vòng bán kính vài km Vụ nổ có thể tạo ra các cơn bão lửa; ánh sáng trắng cường độ cao có thể gây mù lòa; bụi phóng xạ và các sản phẩm phụ có thể đầu độc các sinh vật sống, gây ô nhiễm không khí, đất, và nguồn nước trong hàng trăm năm.