Тринитит — стеклянные слёзы атомного века

в 22:24, , рубрики: атомная бомба, будущее здесь, геохимия, космос, манхэттенский проект, Научно-популярное, физика

«Если сияние тысячи солнц вспыхнуло бы в небе, это было бы подобно блеску Всемогущего…-Я стану смертью, Разрушителем Миров».

Эти слова произнёс Роберт Оппенгеймер 16 июля 1945 года, после того, как в 5.29 на полигоне Аламогордо в Нью-Мексико была испытана первая атомная бомба под кодовым названием «Gadget» («Штуковина»). Заряд располагался внутри специально возведённой тридцатиметровой башни, а физики и генералы наблюдали за взрывом из бункера. Само испытание называлось «Тринити».

Именно тогда, в 5.29 утра по местному времени, на Земле впервые образовался новый минерал – стеклопесок, оставшийся на месте взрыва. Кристаллы минерала получились красноватыми и зеленоватыми из-за включений радиоактивных металлов. Новое вещество назвали «тринитит».

Оказывается, тринитит имеет не только научную, но и коллекционную, и даже художественную ценность. Ниже я кратко расскажу о свойствах, изучении и применении этого минерала.

История, физика и химия тринитита

Манхэттенский проект позволил чуть более чем за три года (июнь 1942 – июль-август 1945) создать ядерное оружие и применить его. Размах Манхэттенского проекта был не менее беспрецедентным, чем скорость реализации – он потребовал создать совершенно новые научные методы (например, метод Монте-Карло) и даже отрасли тяжёлой промышленности (газовая диффузия). Поводом к планированию проекта можно считать письмо Эйнштейна Рузвельту от 2 мая 1939 года – впрочем, в тот момент недооцененное. Как бы то ни было, Манхэттенский проект позиционировался как экстренный НИОКР, призванный «догнать» немецкую ядерную программу, во главе которой стояли Гейзенберг и Ган, но к окончанию войны в Европе завершён не был (немецкий ядерный проект не окончился вообще ничем). Тем не менее, ядерная бомбардировка должна была представляться США логичной как с точки зрения оправдания затраченных расходов, так и потому, что именно Япония вероломно напала на США в 1941 году и на протяжении всей войны была основным соперником американцев. Но испытание «Тринити» в большей степени было физикой и геополитикой, чем подготовительным актом к военной операции. Что касается физики – к июлю 1945 года уже было известно, что организовать промышленную наработку плутония для имплозивных бомб модели  «Толстяк» гораздо проще, чем добывать методом газовой диффузии редчайший уран-235, да ещё и отмерять его дозу при подготовке заряда из урана-238. По этим причинам в Нью-Мексико был взорван именно «Толстяк», а не «Малыш», и это была первая неуправляемая ядерная реакция на Земле, как минимум, за последние полтора миллиарда лет. При возникших на месте испытания звёздных температурах и давлениях, естественно, образовался минерал, которого на Земле прежде не существовало. Его называли «атомзит» и «стекло из Аламогордо», но прижилось именно название тринитит.

Тринитит — стеклянные слёзы атомного века - 1

Точная физическая картина событий, происходящих в гипоцентре ядерного взрыва, не известна до сих пор – равно как и показатели температуры и давления, при которых образуется тринитит. По всей видимости, образование тринитита зависит не только от мощности, но и от скорости протекания процессов – важно, чтобы «околосолнечные» температуры и давление быстро возникали и столь же быстро спадали. Температура плавления кварцевого песка – 2300 ⁰С, а температура кипения – около 3000 ⁰С. При образовании тринитита, очевидно, также происходит конденсация песка, плутония и металлических примесей. Песок превратился в тринитит в радиусе от 300 до 800 метров от гипоцентра взрыва.

Тринитит – один из семейства подобных минералов, которые образуются при атомном взрыве и выпадают из грибовидного облака в виде осадков. Кроме тринитита известны хиросимиты (Хиросима) и харитончики (Семипалатинск), а также чернобылит – минерал схожего генеза, сформировавшийся после аварии на Чернобыльской АЭС. Тринитит и схожие с ним минералы (далее, если явно не указано иное, речь идёт именно о тринитите) представляют собой стекловидные минералы с включением силикатов и металлов. На состав и твёрдость таких минералов влияют свойства песка (грунта) в точке взрыва, в частности, содержание кварца и размер песчинок. В состав тринитита всегда входит плутоний, а также могут входить железо, медь, кобальт и иногда – другие металлы.  

Тринитит — стеклянные слёзы атомного века - 2

Кратер на месте взрыва «Тринити» исследовался с первых дней после испытания, но внимание уделялось, в основном, баллистическим аспектам и остаточной радиоактивности, а не геологии и петрохимии «точки зеро». По-видимому, первая публикация с анализом состава тринитита вышла в 1948 году, и автором её был Кларенс Росс. Вот как он описал этот минерал:

«Это стекло образовало слой толщиной 1-2 сантиметра. В верхней части отмечается очень тонкий слой пыли, осевшей на минерал, когда он ещё был расплавлен. Нижняя часть – более толстый слой частично сплавившихся веществ, постепенно переходящий в грунт, на котором минерал образовался. Цвет стекла бледно-зелёный, а сам материал крайне зернист, причём, некоторые пузырьки могут распространяться на всю толщину образца. Минерал образовался из аркозового песка, включающего зёрна кварца, большое количество полевого шпата (как микроклиновые, так и, в меньшем количестве, плагиоклазовые варианты). Также содержит небольшие количества кальцитов, роговой обманки и авгита в суглинковой подложке. Эти материалы образовали стекло двух различных типов. Глины, полевой шпат и сопутствующие минералы очень плавкие и должны характеризоваться высокой мобильностью».

Таким образом, тринититы крайне неоднородны, но радиологи и военные не обращали внимания на эти детали и считали тринитит гомогенным веществом. Росс, в свою очередь, не учёл антропогенных примесей в минерале, а именно – плутония и азотистых включений, оставшихся от тротила (в частности, нитрата бария). Из антропогенных материалов подробнее остановимся на плутонии. В атомной бомбе (как плутониевой, так и урановой) для запуска ядерной реакции необходима критическая масса активного вещества. Приемлемое значение – около 45 кг урана-238 («Малыш») или несколько килограммов плутония-239 («Толстяк»). В устройстве, взорванном в Нью-Мексико, было примерно 6 кг плутония-239. Инициирующим изотопом, благодаря которому реакция не затухает, а становится цепной, в данном случае был плутоний-240. Содержание плутония-240 может варьироваться, но при испытании «Тринити» составляло 6-7%. Такой процент изотопа 240 не только означает, что данный образец плутония является оружейным, но и позволяет выяснить его происхождение. Естественно, плутоний из «Тринити» был произведён в Хэнфорде, штат Теннеси – на единственном заводе по обогащению ядерного топлива, существовавшем в то время. При этом ещё в 1943 году плутоний-239 был получен на ленинградском циклотроне Игорем и Борисом Курчатовыми. Соответственно, доля плутония-240 в образце тринитита позволяет установить, до какой степени этот плутоний был обогащён и где именно получен

Тринитит и квазикристаллы

Возможно, в ходе испытания «Тринити» также были получены первые квазикристаллы. Ранее я упоминал о вероятной геометрической структуре квазикристаллов в статье «Змей и дротик», посвящённой апериодическим мозаикам Пенроуза. Собственно, основная особенность квазикристаллов заключается в апериодичности их решётки:

Тринитит — стеклянные слёзы атомного века - 3

Точные условия для образования квазикристаллов также не известны, но, согласно работам Дана Шехтмана, в 1982 году удостоенного Нобелевской премии по физике за исследования квазикристаллов, высокие температуры и высокое давление явно способствуют формированию апериодической кристаллической решётки. Именно это наблюдение побудило геолога Люку Бинди из Флорентийского университета и физика Пола Стейнхардта из Принстонского университета поискать квазикристаллы в тринитите. Пол Стейнхардт (род. 1952) наряду с Шехтманом – пожалуй, крупнейший специалист по квазикристаллам в мире.

На Хабре выходила статья Юлии Щукиной @lesnikova о том, как Стейнхардт совместно с российскими геологами открыл первый естественный квазикристаллический минерал хатыркит на Чукотке (возможно, хатыркит имеет метеоритное происхождение). Квазикристалл хатыркита имеет форму, близкую к икосаэдру и химическую формулу (Al62Cu24Fe13).

В 2021 году Бинди и Стейнхардт опубликовали статью о новом икосаэдрическом квазикристалле найденном в образце тринитита длиной 1 см. Проверить этот экзотический минерал на наличие квазикристаллов учёные решили ещё и потому, что открытый в 2010 году хатыркит имеет импактную (ударную) природу. Большинство синтетических квазикристаллов – это полиметаллические сплавы. И действительно, методом рентгеновской дифракции удалось выявить в образце тринитита 12 «металлических капелек» с квазикристаллической структурой и формулой Si61Cu30Ca7Fe2.

Тея и Луна

Тринитит — стеклянные слёзы атомного века - 4

На Хабре также писали о том, что крупнейшее импактное событие в истории Земли могло произойти в глубокой древности, когда во внутренней части Солнечной системы ещё находилось множество планетезималей. В тот период (более 4 миллиардов лет назад) Земля могла столкнуться с объектом, размеры которого были примерно как у Марса. Этот гипотетический объект называют Тея. Осколки от столкновения впоследствии сконцентрировались на орбите Земли и образовали Луну. При этом часть земных пород и пород Теи, должна была испариться и (учитывая вероятный железо-силикатный состав обоих тел) выпасть в виде стекловидных осадков. На Земле с тех пор шли активные геологические процессы, поэтому следов столкновения не осталось, а вот на поверхности Луны в составе реголита должны встречаться минералы, похожие на тринитит.      

Проверить эту гипотезу в 2017 году решил физик Джеймс Дэй из университета Сан-Диего. Он предположил, что испытание «Тринити» можно считать миниатюрной моделью соударения Земли и Теи. В таком случае как в тринитите, так и в лунном реголите должен был бы наблюдаться дефицит переходных металлов, в особенности, цинка – поскольку при рассматриваемых температурах цинк переходит в летучую форму и рассеивается далеко от места взрыва. Более того, природный цинк содержит 5 стабильных изотопов (64Zn, 66Zn, 67Zn, 68Zn, и 70Zn), и чем тяжелее изотоп – тем меньше он должен был бы рассеиваться при взрыве. Оказалось, что в разных образцах тринитита, взятых на расстоянии от 10 до примерно 200 м от места взрыва доля цинка-66 действительно стабильно падает от 0,25 до 0,2 промилле, и тринитит измеримо беднее цинком, чем окружающие песчаные породы. Схожие закономерности содержания цинка (преобладание тяжёлых изотопов над лёгкими) характерны и для лунного грунта. Более того, в лунном грунте наблюдается схожая картина с изотопами никеля, а также практически отсутствует вода, мгновенно переходящая в летучую форму при импактных событиях. Если в обозримом будущем нам суждено высадиться на Луне, то было бы особенно интересно поискать там стекловидные породы или аналоги тринитита.   

Заключение

Тринитит — стеклянные слёзы атомного века - 5

После 1952 года свободный сбор тринитита в Нью-Мексико запрещён, а значительная часть радиоактивного грунта захоронена. Но уже в конце 1945 года предприимчивый дизайнер Марк Ковен принялся рекламировать тринитит как эстетичный поделочный камень, умело вкрапляя его в серьги, броши и браслеты собственного производства. В последующий период доступ на место взрыва был открыт для массовой публики всего два дня в году, но даже при таком ограничении тринитит собирали подчистую. Особенно ценились чёрные образцы, в которых осталось железо от металлоконструкций тестовой вышки, а также красноватые, в которых заключена медь из проводов. Сегодня тринитит собирают преимущественно в научных и сталкерских целях, поскольку известно, насколько он радиоактивен и опасен. Я же считаю тринитит по-настоящему красивым и завораживающим минералом и специально приберёг пост о нём на последние часы уходящего года. Надеюсь, что в обозримом будущем это удивительное вещество так и останется геохимической и коллекционной экзотикой, а не будет тоннами пылиться по всему северному полушарию.   

Автор: Олег Сивченко

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js