Werkstuk Scheikunde De Atoombom Werkstuk door een scholier 2123 woorden 6 november 2002 6,8 197 keer beoordeeld Vak Scheikunde Inleiding De atoombom werkt op dezelfde wijze als een kerncentrale, maar het grote verschil is dat een atoombom geen controle mechanisme kent. In een atoombom vindt een ongecontroleerde kettingreactie plaats. Niet elk brok splijtbaar materiaal is echter in staat om zo'n ongecontroleerde kettingreactie op te wekken. Er is een minimum nodig aan splijtbaar materiaal nodig om de kettingreactie op te kunnen wekken. Met te weinig massa is het aantal neutronen dat ontsnapt uit de massa tijdens de kettingreactie groter dan het aantal neutronen dat door de massa wordt geabsorbeerd. Dit betekent in feite, dat de kettingreactie niet kan plaats vinden omdat er te weinig neutronen in de massa aanwezig zijn om de kettingreactie op gang te brengen. Als je genoeg massa hebt, is het aantal neutronen dat binnen de massa wordt geabsorbeerd groter dan het aantal neutronen dat ontsnapt uit de massa. Met andere woorden, de neutronen blijven binnen het materiaal en genereren een kettingreactie. Kerncentrales en de atoombom zijn beiden op het zelfde principe gebaseerd, namelijk kernsplitsing. Kernsplitsing komt neer op het splijten van een kern in twee kleinere kernen. Daarbij komt gigantisch veel energie vrij, zoals de atoombom op Hiroshima in 1945 bewezen heeft. Om een indruk te geven hoeveel energie kernsplitsing kan op leveren: de punt van een vulpen levert na kernsplitsing net zo veel energie als een ton kolen. De werking van de atoombom Het probleem met atoombommen is, dat er een hoeveelheid splijtbaar materiaal nodig is die groter of gelijk is aan de kritieke massa. Op het moment echter dat je precies zo'n hoeveelheid hebt, explodeert de boel vanwege de kettingreactie die spontaan op gang komt. Dit betekent dat feitelijk op het moment dat je een bom in elkaar hebt kunnen zetten, deze explodeert. Zoals de geschiedenis ons leert, hebben wetenschappers een manier gevonden om dit probleem te omzeilen. Ze hebben gebruik gemaakt van de volgende simpele methode, zoals afgebeeld in figuur 1. Schematische voorstelling van een atoombom. Een atoombom bestaat uit twee aparte kamers, die elk een hoeveelheid massa bevatten die sub-kritiek is. Dit betekent, dat de bom in deze situatie niet spontaan explodeert. Op het moment dat de bom wordt https://www.scholieren.com/verslag/werkstuk-scheikunde-de-atoombom Pagina 1 van 5
losgelaten, worden de twee stukken sub-kritieke massa door middel van een (kleine) interne explosie tegen elkaar gedrukt. Op dat punt hebben ze samen een hoeveelheid massa die groter of gelijk is aan de kritieke massa, en, je raadt het al, komt de kettingreactie op gang met desastreuze gevolgen. De geschiedenis van de atoombom Voordat de eerste atoombom werd gebruikt was men al jaren bezig met experimenteren. Er hebben vele wetenschappers en bomexperts meegewerkt om tot de uiteindelijke atoombom te komen. De wetenschappers en bomexperts werkten niet met elkaar samen. Hieronder staan wat van die belangrijke wetenschappers: Ernest Rutherford Rutherford bombardeerde in het begin van de twintiger jaren eeuw zogenaamde alfadeeltjes (kerndeeltjes die in een radioactief proces worden uitgestoten) op stikstofgas, daardoor werd het stikstofatoom een zuurstof- en een waterstofatoom. Dit was het begin van de atoombom, maar meneer Rutherford wist dit nog niet. Enrico Fermi Daarna kwam er een periode van vele ontwikkelingen op het gebied van kernsplijting. Deze periode bevindt zich tussen de Eerste en de Tweede Wereldoorlog, aan het beging van de dertigen jaren. De Italiaan Enrico Fermi was de eerste die door neutronen te bombarderen op elementen een atoomsplitsing veroorzaakte waarbij vele isotopen vrij kwamen. Alleen had hij het zelf niet door. Otto Hahn, Lise Meitner en Fritz Strassman Rond 1933 waren er in Duitsland wetenschappers bezig om met behulp van neutronenstraling veranderingen in het binnenste van atomen te veroorzaken. Deze wetenschappers waren: Otto Hahn, Lise Meitner, en Fritz Strassman. Zij hadden ook de atoomsplitsing ontdekt, in tegenstelling tot Rutherford en Fermi wisten deze 3 wel waar ze mee bezig waren, namelijk met de beschieting van neutronen op de Uranium. Hierdoor ontstonden kleine brokstukken Uranium en daarbij kwam er een hele grote energie vrij. Lisa Meitner was de eerste die doorhad dat hier sprake was van een atoomsplitsing. Leo Szilard en Walter Zinn Op 3 maart 1939 ontdekten Leo Szilard en Walter Zinn dat er bij de splijting van het atoom Uranium de brokstukken na de splijting weer een ander atoom konden splijten. Zo ontstond er een kettingreactie en kwam er ongelooflijk veel warmte en energie vrij. Voor deze reactie was een bepaald soort Uranium nodig: U-235. In de natuur is er niet zomaar U-235, maar U-235 komt alleen gemengd met U-238 voor. Dit heeft dus tot gevolg dat alleen de U-235 eruit moest worden gehaald. Toen begonnen de problemen, want elke wetenschapper wilde weer een andere techniek toepassen. Uiteindelijk werd er toch een oplossing gevonden. De wetenschappers gingen toen nadenken om dit op grote schaal te kunnen toepassen. Ze realiseerden zich heel goed dat ze met deze kennis een alles vernietigende bom konden maken. Toen dit bekend werd publiceerde een journalist dit nieuws. De wetenschappers waren hier niet blij mee, en vanaf toen gebeurde al het onderzoek maar in het geheim. https://www.scholieren.com/verslag/werkstuk-scheikunde-de-atoombom Pagina 2 van 5
Einstein in Amerika Het onderzoek kwam ook op gang in Amerika. Dit kwam door een brief van professor Einstein aan de president. Amerika wilde in het begin niet veel geld uittrekken voor het onderzoek, omdat er gewoon geen geld was. Amerika ligt ver genoeg van Europa, dus pottenkijkers zullen er daar wel niet zijn. Via Engeland kwam er dan toch geld binnen. De Britten wilden in ruil voor dat geld de resultaten van het atoombomonderzoek. Amerika vond dit goed. Robert Oppenheimer In juni 1942 ging het wat beter met het onderzoek in Amerika. Dat hadden ze te danken aan Robert Oppenheimer (vader van de atoombom). In Amerika was veel chaos ontstaan, en daar bracht hij een eind aan. Er werd totaal niet goed samengewerkt op het gebied van de atoombom, maar Oppenheimer liet de wetenschappers goed samenwerken en het onderzoek liep ineens goed. Hij had een grote kennis van kernfusie. Hij had dan wel een grote invloed op de ontwikkeling, maar dat klopt dus niet dat mensen hem de uitvinder van de atoombom noemen. Wat gebeurt er na een ontploffing? De bom ontploft. Er ontstaat een vuurbal. Deze zendt radioactieve straling uit. Door de straling wordt de lucht erg heet, waardoor de vuurbal opstijgt. Door die stijging ontstaat een paddestoelwolk van omhooggezogen radioactief matriaal. Na 1,8 seconde: Er ontstaat een extreem warme en oogverblindende vuurbal, die feller is dan de zon. Er wordt zo n hitte afgegeven door de vuurbal, dat tot in de verre omtrek grote branden zullen ontstaan. De warmte dichtbij de vuurbal is zo n miljoen graden Celsius, maar als je verder van de vuurbal af bent zal de temperatuur afnemen. Maar op een kilometer afstand kan de temperatuur nog meer dan 2000 graden Celsius zijn. Tijdens de explosie ontstaat er een vernietigende schokgolf, die vlakbij de ontploffing 1000 km/u kan halen. Na 1,8 seconde is de schokgolf al meer dan een kilometer van het middelpunt verwijdert. Rondom de vuurbal ontstaat een hoge radioactieve straling, waar je dood aan kunt gaan. Na 4,6 seconde: De schokgolf knalt op de grond en kaatst terug. De terugkaatsende schokgolf vormt samen met de oorspronkelijke schokgolf een allesvernietigende storm. Het blaast alles omver wat het op zijn pad tegenkomt, ook huizen. Na 11 seconde: De schokgolf is al 5 km ver. Achter de schokgolf waait een wind met een snelheid van bijna 400 km/uur. Na 37 seconde: Doordat alles met de schokgolf meewaait, wordt alle lucht weggezogen. De vuurbal is minder fel geworden en is niet meer oogverblindend. Door de enorme hitte van de vuurbal stijgt naar nog grotere hoogte. Geholpen door de schokgolf die ook naar boven toe gaat ontstaat in het spoor van de vuurbal een zuil van opstijgend gruis, puin en stof. De steel van de bekende paddenstoel ontstaat zo. Ook in en rondom de paddenstoel waaien enorme winden (nawinden) met gigantische snelheden. In de top van de paddestoel ontstaat een gasvormig overblijfsel. Na 110 seconde: De vuurbal heeft een hoogte van zo'n 11 kilometer bereikt en begint af te koelen. De https://www.scholieren.com/verslag/werkstuk-scheikunde-de-atoombom Pagina 3 van 5
paddenstoel zal breder worden en de beruchte grote paddenstoel zal ontstaan. In de paddenstoelwolk zitten radioactieve deeltjes die over de hele omgeving zullen neervallen en hun vernietigende werk zullen doen. Dit wordt ook wel de fall out genoemd. Dit is radioactieve regen die in dikke, zwarte druppels naar beneden stort en verspreid wordt over vele vierkante kilometers. Hierin zit nog steeds veel radioactieve straling, die alles zal besmetten wat hij tegen komt. De schokgolf drukt alle wolken in de nabijheid van de paddestoel gewoon weg. In het wolkendek ontstaat een cirkelvormig gat dat steeds groter wordt. Na een paar dagen: De straling die is vrijgekomen bij de explosie zal jaren later nog steeds schade aanrichten. Deze straling bestaat uit vier verschillende soorten. Er zitten alfa- en bètastraling in, die zijn alleen schadelijk als je het binnenkrijgt, bijvoorbeeld via lucht, eten of drinken. Ook is er de gamma- en neutronenstraling. Deze straling is uitermate gevaarlijk voor elk levend organisme. Je kunt je hier alleen tegen beschermen door een meters dikke laag aarde, beton of water. Alle soorten straling zijn onzichtbaar. Als je gelijk na de bomexplosie aan enorm grote hoeveelheden straling wordt blootgesteld, sterf je binnen een paar uur. Wordt je hier in mindere maten aan bloot gesteld, dan loop je kans op een stralingsziekte. Waarvoor wordt de atoombom gebruikt? Nadat er 2 bommen op Japan werden gegooid, ontstond er een ware kernwapenwedloop onder de rijke landen. Elk land wou een atoombom hebben, zodat ze zich een grootmacht voelden. Natuurlijk wou ieder land de grootste en de krachtigste atoombom hebben. Wanneer werden er welke proeven gedaan? En waar? Van 1949-1990: Sovjet-Unie met ongeveer 207 bovengrondse en 508 ondergrondse kernproeven. Volgens de overheid hadden deze geen ernstige gevolgen. Van 1951-1992 werden er in de VS vele proeven gedaan, in de Nevada woestijn werden meer dan 1000 bovengrondse proeven gehouden. Na 1963 ging men door met ondergrondse proeven. Indianen hadden hierover niets te zeggen. 1954: Op de Marshall-eilanden in de Stille Oceaan deed de VS een bovengrondse kernproef, zonder dat de bevolking hier iets van wist. 1960-1996: Door Frankrijk werden 210 kernproeven gedaan. 6 ondergrondse proeven werden gedaan, terwijl de omwonenden hier niets van wilden hebben. In 1964 deed ook China voor het eerst een kernproef. In totaal deden de vier landen 1.936 grote bovengrondse kernproeven, vaak met veel grotere bommen dan die van Hiroshima en Nagasaki. In 1996 werd het verbod op kernproeven van kracht. Vanaf dat moment werden er alleen nog maar mini-atoomontploffingen gedaan. Kernsplitsing Als je meer over kernenergie wilt weten, moet je ook weten wat atomen en atoomkernen zijn. Een atoom is heel klein. Zelfs met een heel goede microscoop kun je een atoom niet zien. Niemand heeft er ooit een gezien. Toch doen we vaak alsof we precies weten hoe een atoom eruitziet. We tekenen er mooie plaatjes van. Het is net als met een dinosaurus. Die beesten leven al lang niet meer, niemand heeft er ooit een gezien. We kennen ze alleen van plaatjes. Atomen zijn er in soorten. Sommige atomen zijn niet erg stevig en vallen soms uit elkaar. Er ontstaan dan kleinere atomen en neutronen. Neutronen zijn nog kleiner dan https://www.scholieren.com/verslag/werkstuk-scheikunde-de-atoombom Pagina 4 van 5
atomen. Als het binnenste van een atoom, de atoomkern, uit elkaar valt noemen we dat kernsplitsing. Bij een kernsplitsing ontstaan kleiner atomen en neutronen. De neutronen botsen tegen atoomkernen die in de buurt zijn. Door de botsingen splitsen ook die atoomkernen. En weer ontstaan er kleine atoomkernen en meer neutronen. Dit noemen we een kettingreactie. Behalve kleine atoomkernen en neutronen ontstaat er ook veel warmte. Die warmte wordt in een kerncentrale gebruikt om elektriciteit te maken. Kettingreactie De kracht achter kerncentrales en atoombommen is de kettingreactie die bij de kernsplijting plaats vindt. Hoe deze kettingreactie in elkaar zit kun je als volgt inzien. Simpel gezegd komen er bij de splijting neutronen vrij, die ieder op zich, weer nieuwe kernen kunnen laten splijten. En dit gaat net zo lang door totdat het splijtbare materiaal op is. De kettingreactie wordt hieronder schematisch afgebeeld in figuur 3. Schematische voorstelling van de kettingreactie als gevolg van kernsplijting. Controleren van de kettingreactie: De drijvende kracht achter de kettingreacties zijn de neutronen die vrijkomen bij elke kernsplijting. Als je deze reactie niet kunt reguleren levert elke reactie drie nieuwe neutronen, die elk weer een nieuwe kernsplijting kunnen veroorzaken. Op deze wijze kan het erg snel uit de hand lopen. Het is dus zaak om een manier te vinden om de neutronen die bij elke kernsplijting vrijkomen, te verhinderen een nieuwe kernsplijting te veroorzaken. In de praktijk gebeurt dit door het plaatsen van cadmiumstaven of koolstofstaven in het Uranium. Beide type staven zijn in staat veel van de neutronen die bij kernsplijting vrijkomen te absorberen. Dit betekent dat je de kettingreactie kunt versnellen door de staven een beetje uit het Uranium te trekken, of kunt vertragen door de staven meer in het Uranium te duwen. De kerncentrale Uitleg via onderstaand plaatje: Schematische voorstelling van de werking van een kerncentrale. Bronvermelding Deze informatie hebben we op internet gevonden via www.google.com en www.altavista.com, via de encyclopedie op Cd-rom (Encarta 98), De Grote Spectrum Encyclopedie en de moeilijke woorden hebben we opgezocht in het Scheikunde-lesboek. https://www.scholieren.com/verslag/werkstuk-scheikunde-de-atoombom Pagina 5 van 5