Den første atombombe, der skulle dræbe mennesker, eksploderede over Hiroshima, Japan, den 6. august, 1945. Tre dage senere, en anden bombe detonerede over Nagasaki. Død og ødelæggelse forårsaget af disse våben var uden fortilfælde og kunne have, i en anden verden med en anden race af væsener, sluttede atomtruslen lige der og da.
Men begivenhederne i Japan, selvom de kom tættere på Anden Verdenskrig, markerede begyndelsen på den kolde krig mellem USA og Sovjetunionen. Mellem 1945 og slutningen af 1980'erne begge sider investerede enorme beløb i atomvåben og øgede deres lagre betydeligt, mest som et middel til at afskrække konflikter. Truslen om katastrofal ødelæggelse fra Bomben truede over alt og alt. Skoler gennemførte øvelser med atomangreb. Regeringer byggede nedfaldsrum. Husejere gravede bunkere i deres baghave.
I løbet af 1970’erne og 80’erne spændingerne begyndte at lette lidt. Så faldt Berlinmuren i 1989, efterfulgt af sammenbruddet af selve den sovjetiske regering to år senere. Den kolde krig sluttede officielt. Efterhånden som forholdet mellem de to lande blev bedre, en forpligtelse til at begrænse atomarsenaler opstod. En række traktater fulgte, med den seneste virkning i februar 2011. Ligesom sine forgængere, den nye traktat om reduktion af strategiske våben (START) har til formål at reducere og begrænse strategiske våben yderligere. Blandt andre foranstaltninger, det kræver en samlet grænse på 1, 550 sprænghoveder [kilde:Det Hvide Hus].
Desværre, selvom Rusland og USA skrider foreløbigt væk fra randen, truslen om atomkrig forbliver. Ni lande kan nu levere atomsprænghoveder på ballistiske missiler [kilde:Fischetti]. Mindst tre af disse lande - USA, Rusland og Kina - kunne ramme ethvert mål overalt i verden. Dagens våben kan let konkurrere med destruktiv kraften i bomberne, der blev kastet over Japan. I 2009, Nordkorea testede med succes et atomvåben lige så stærkt som atombomben, der ødelagde Hiroshima. Den underjordiske eksplosion var så betydelig, at den skabte et jordskælv med en størrelse på 4,5 [kilde:McCurry].
Selvom det politiske landskab for atomkrig har ændret sig betydeligt gennem årene, videnskaben om selve våbnet - atomprocesserne, der slipper alt det raseri løs - har været kendt siden Einstein. Denne artikel vil gennemgå, hvordan atombomber fungerer, herunder hvordan de er bygget og implementeret. Først op er en hurtig gennemgang af atomstruktur og radioaktivitet.
Indhold
Inden vi kan komme til bomberne, vi skal starte i det små, atomisk lille. An atom , du husker, består af tre subatomære partikler - protoner , neutroner og elektroner . Midten af et atom, kaldet kerne , består af protoner og neutroner. Protoner er positivt ladede, neutroner har slet ingen ladning, og elektroner er negativt ladede. Forholdet mellem proton og elektron er altid et til et, så atomet som helhed har en neutral ladning. For eksempel, et carbonatom har seks protoner og seks elektroner.
Så enkelt er det dog ikke. Et atoms egenskaber kan ændre sig betydeligt baseret på, hvor mange af hver partikel det har. Hvis du ændrer antallet af protoner, du ender helt med et andet element. Hvis du ændrer antallet af neutroner i et atom, du ender med en isotop . For eksempel, kulstof har tre isotoper:1) carbon-12 (seks protoner + seks neutroner), en stabil og almindeligt forekommende form af elementet, 2) carbon-13 (seks protoner + syv neutroner), som er stabil, men sjælden og 3) carbon-14 (seks protoner + otte neutroner), som er sjælden og ustabil (eller radioaktiv) til at starte.
Som vi ser med kulstof, de fleste atomkerner er stabile, men nogle få er slet ikke stabile. Disse kerner udsender spontant partikler, som forskere omtaler som stråling . En kerne, der udsender stråling er, selvfølgelig, radioaktiv , og handlingen med at udsende partikler er kendt som Radioaktivt henfald . Hvis du er særligt nysgerrig på radioaktivt henfald, du vil undersøge, hvordan nuklear stråling fungerer. For nu, Vi går over de tre typer af radioaktivt henfald:
Husk især den fissionsdel. Det vil blive ved med at dukke op, når vi diskuterer atombombernes indre funktion.
Atombomber involverer styrkerne, stærk og svag, der holder atomkernen sammen, især atomer med ustabile kerner. Der er to grundlæggende måder, hvorpå atomkraft kan frigives fra et atom. I nuklear fission (billedet), forskere opdeler atomets kerne i to mindre fragmenter med en neutron. Kernefusion - den proces, hvormed solen producerer energi- involverer at samle to mindre atomer til et større. I begge processer, fission eller fusion, store mængder varmeenergi og stråling afgives.
Vi kan tilskrive opdagelsen af nuklear fission til den italienske fysiker Enrico Fermis arbejde. I 1930'erne, Fermi demonstrerede, at elementer udsat for neutronbombardement kunne omdannes til nye elementer. Dette arbejde resulterede i opdagelsen af langsomme neutroner, samt nye elementer, der ikke er repræsenteret på det periodiske system. Kort efter Fermis opdagelse, Tyske forskere Otto Hahn og Fritz Strassman bombarderede uran med neutroner, som producerede en radioaktiv bariumisotop. De konkluderede, at lavhastighedsneutronerne fik urankernen til at fissionere, eller gå i stykker, i to mindre stykker.
Deres arbejde udløste intens aktivitet i forskningslaboratorier over hele verden. På Princeton University, Niels Bohr arbejdede sammen med John Wheeler for at udvikle en hypotetisk model af fissionsprocessen. De spekulerede i, at det var uranisotopen uran-235, ikke uran-238, undergår fission. På omtrent samme tid, andre forskere opdagede, at fissionsprocessen resulterede i, at der blev produceret endnu flere neutroner. Dette fik Bohr og Wheeler til at stille et vigtigt spørgsmål:Kunne de frie neutroner, der blev skabt i fission, starte en kædereaktion, der ville frigive en enorm mængde energi? Hvis så, det kan være muligt at bygge et våben med uanede magt.
Og det var det.
I marts 1940, et team af forskere, der arbejder ved Columbia University i New York City, bekræftede hypotesen fremsat af Bohr og Wheeler - isotopen uran-235 , eller U-235 , var ansvarlig for nuklear fission. Columbia-teamet forsøgte at starte en kædereaktion ved hjælp af U-235 i efteråret 1941, men mislykkedes. Alt arbejde flyttede derefter til University of Chicago, hvor, på en squashbane beliggende under universitetets Stagg Field, Enrico Fermi opnåede endelig verdens første kontrollerede atomkædereaktion. Udvikling af en atombombe, ved hjælp af U-235 som brændstof, gik hurtigt.
På grund af dens betydning i designet af en atombombe, lad os se nærmere på U-235. U-235 er et af de få materialer, der kan gennemgå induceret fission . I stedet for at vente mere end 700 millioner år på, at uran naturligt forfalder, elementet kan nedbrydes meget hurtigere, hvis en neutron løber ind i dets kerne. Kernen vil absorbere neutronen uden tøven, blive ustabil og splittes med det samme.
Så snart kernen fanger neutronen, det deler sig i to lettere atomer og smider to eller tre nye neutroner af (antallet af udstødte neutroner afhænger af, hvordan U-235-atomet tilfældigvis deler sig). De to lettere atomer udsender derefter gammastråling, når de slår sig ned i deres nye tilstande. Der er et par ting ved denne inducerede fissionsproces, der gør den interessant:
I 1941, forskere ved University of California i Berkeley opdagede et andet element - element 94 - der kunne tilbyde potentiale som atombrændstof. De kaldte elementet plutonium , og i løbet af det følgende år, de lavede nok til forsøg. Til sidst, de etablerede plutoniums fissionskarakteristika og identificerede et andet muligt brændstof til atomvåben.
I en fissionsbombe, brændstoffet skal holdes adskilt subkritisk masser, som ikke understøtter fission, for at forhindre for tidlig detonation. Kritisk masse er den mindste masse af fissionabelt materiale, der kræves for at opretholde en nuklear fissionsreaktion. Tænk på marmor -analogien igen. Hvis cirkelen af kugler er spredt for langt fra hinanden - subkritisk masse - vil der ske en mindre kædereaktion, når "neutronmarmoren" rammer midten. Hvis kuglerne placeres tættere på hinanden i cirklen - kritisk masse - er der større chance for, at en stor kædereaktion vil finde sted.
At holde brændstoffet i separate subkritiske masser fører til designudfordringer, der skal løses for at en fissionsbombe fungerer korrekt. Den første udfordring, selvfølgelig, samler de subkritiske masser for at danne et superkritisk masse, som vil give mere end nok neutroner til at opretholde en fissionsreaktion på detonationstidspunktet. Bombdesignere kom med to løsninger, som vi vil dække i det næste afsnit.
Næste, frie neutroner skal indføres i den superkritiske masse for at starte fission. Neutroner introduceres ved at lave en neutron generator . Denne generator er en lille pellet af polonium og beryllium, adskilt af folie i den splittelige brændstofkerne. I denne generator:
Endelig, designet skal tillade, at så meget af materialet som muligt fissioneres, før bomben eksploderer. Dette opnås ved at begrænse fissionsreaktionen i et tæt materiale kaldet a sabotage , som normalt er lavet af uran-238. Tamperen bliver opvarmet og udvidet af fissionskernen. Denne udvidelse af sabotagen udøver tryk tilbage på fissionskernen og bremser kerneens ekspansion. Tamperen afspejler også neutroner tilbage i fissionskernen, øge effektiviteten af fissionsreaktionen.
Den enkleste måde at bringe de subkritiske masser sammen på er at lave en pistol, der affyrer den ene masse ind i den anden. En kugle af U-235 er lavet omkring neutrongeneratoren og en lille kugle af U-235 fjernes. Kuglen er placeret i den ene ende af et langt rør med sprængstof bagved, mens kuglen er placeret i den anden ende. En barometrisk trykføler bestemmer den passende højde for detonation og udløser følgende hændelsesforløb:
Lille dreng , bomben faldt på Hiroshima, var denne type bombe og havde et udbytte på 14,5 kiloton (svarende til 14, 500 tons TNT) med en effektivitet på cirka 1,5 procent. Det er, 1,5 procent af materialet blev fissioneret, før eksplosionen bar materialet væk.
Den anden måde at skabe en superkritisk masse på kræver, at de subkritiske masser komprimeres til en kugle ved implosion. Fed mand , bomben faldt på Nagasaki, var en af disse såkaldte implosionsudløste bomber . Det var ikke let at bygge. Tidlige bombedesignere stod over for flere problemer, især hvordan man styrer og leder stødbølgen ensartet over kuglen. Deres løsning var at oprette en implosionsenhed bestående af en kugle af U-235 til at fungere som sabotage og en plutonium-239 kerne omgivet af højeksplosiver. Da bomben blev sprængt, den havde et udbytte på 23 kiloton med en effektivitet på 17 procent. Dette er hvad der skete:
Designere var i stand til at forbedre det grundlæggende implosionsudløste design. I 1943, Den amerikanske fysiker Edward Teller opfandt begrebet boosting. Boosting refererer til en proces, hvor fusionsreaktioner bruges til at skabe neutroner, som derefter bruges til at fremkalde fissionsreaktioner med en højere hastighed. Det tog yderligere otte år, før den første test bekræftede gyldigheden af boosting, men når beviset kom, det blev et populært design. I årene der fulgte, næsten 90 procent af nukleare bomber bygget i Amerika brugte boost -designet.
Selvfølgelig, fusionsreaktioner kan bruges som den primære energikilde i et atomvåben, også. I det næste afsnit, vi vil se på fusionsbombers indre funktion.
Fissionsbomber virkede, men de var ikke særlig effektive. Det tog ikke forskere lang tid at spekulere på, om den modsatte atomproces - fusion - måske ville fungere bedre. Fusion opstår, når kernerne i to atomer kombineres for at danne et enkelt tungere atom. Ved ekstremt høje temperaturer, kernerne i hydrogenisotoper deuterium og tritium kan let smelte sammen, frigiver enorme mængder energi i processen. Våben, der drager fordel af denne proces, er kendt som fusionsbomber , termonuklear bomber eller brintbomber . Fusionsbomber har højere kilotonudbytter og større effektivitet end fissionsbomber, men de giver nogle problemer, der skal løses:
Forskere overvinder det første problem ved at bruge lithium-deuterat, en fast forbindelse, der ikke undergår radioaktivt henfald ved normal temperatur, som det vigtigste termonukleære materiale. For at overvinde tritiumproblemet, bombedesignere er afhængige af en fissionsreaktion for at producere tritium fra lithium. Fissionsreaktionen løser også det sidste problem. Størstedelen af den stråling, der afgives i en fissionsreaktion, er Røntgenbilleder , og disse røntgenstråler giver de høje temperaturer og tryk, der er nødvendige for at starte fusion. Så, en fusionsbombe har et to-trins design-en primær fission eller boostet-fission komponent og en sekundær fusionskomponent.
For at forstå dette bombedesign, forestil dig, at du inden for et bombehus har en implosionsfissionsbombe og et cylinderhus af uran-238 (sabotage). Inden i sabotagen er litiumdeuteridet (brændstof) og en hul stang af plutonium-239 i midten af cylinderen. Adskillelse af cylinderen fra implosionsbomben er et skjold af uran-238 og plastskum, der fylder de resterende rum i bombehuset. Detonation af bomben forårsager følgende rækkefølge af hændelser:
Alle disse begivenheder sker på omkring 600 milliarder af et sekund (550 milliarder af et sekund for fissionsbombeimplosionen, 50 milliarddeler af et sekund for fusionshændelserne). Resultatet er en enorm eksplosion med en 10, 000 kiloton udbytte-700 gange mere kraftfuld end Little Boy-eksplosionen.
Det er én ting at bygge en atombombe. Det er en anden ting helt at levere våbnet til det tilsigtede mål og detonere det med succes. Dette gjaldt især de første bomber, som forskere byggede i slutningen af Anden Verdenskrig. Skrev i et 1995 -nummer af Scientific American, Philip Morrison, medlem af Manhattan Project, sagde dette om de tidlige våben:"Alle tre bomber fra 1945 - [Trinity] testbomben og de to bomber faldt over Japan - var mere næsten improviserede stykker komplekst laboratorieudstyr, end de var pålidelige våben."
Leveringen af disse bomber til deres endelige destination blev improviseret næsten lige så meget som deres design og konstruktion. USS Indianapolis transporterede dele og beriget uranbrændstof fra Little Boy -bomben til Stillehavsøen Tinian den 28. juli, 1945. Komponenterne i Fat Man -bomben, båret af tre modificerede B-29'er, ankom den 2. august Et team på 60 forskere fløj fra Los Alamos, N.M., til Tinian for at hjælpe med forsamlingen. Den lille drengs bombe - vejer 9, 700 pund (4, 400 kg) og målte 10 fod (3 meter) fra næse til hale - var klar først. Den 6. august, en besætning læssede bomben i Enola Gay, en B-29 piloteret af oberst Paul Tibbets. Flyet lavede 750-mile (1, 200 kilometer) tur til Japan og faldt bomben i luften over Hiroshima, hvor det detonerede præcis klokken 08:12 Den 9. august, de næsten 11, 000 pund (5, 000 kilogram) Fat Man-bomben foretog den samme rejse ombord på Bockscar, en anden B-29 piloteret af maj. Charles Sweeney. Dens dødelige nyttelast eksploderede over Nagasaki lige før middagstid.
I dag, metoden, der bruges i Japan - tyngdekraftsbomber båret af fly - er fortsat en levedygtig måde at levere atomvåben på. Men i årenes løb, da sprænghoveder er faldet i størrelse, andre muligheder er blevet tilgængelige. Mange lande har opbevaret en række ballistiske og krydstogtmissiler bevæbnet med nukleare anordninger. Mest ballistiske missiler lanceres fra landbaserede siloer eller ubåde. De forlader Jordens atmosfære, rejse tusinder af miles til deres mål og komme ind i atmosfæren igen for at anvende deres våben. Krydstogtsraketter har kortere rækkevidde og mindre sprænghoveder end ballistiske missiler, men de er sværere at opdage og opfange. De kan lanceres fra luften, fra mobile løfteraketter på jorden og fra søskibe.
Taktiske atomvåben , eller TNW'er , blev også populær under den kolde krig. Designet til at målrette mindre områder, TNW'er omfatter kortdistancemissiler, artilleri skaller, landminer og dybdeladninger. Bærbare TNW'er, såsom Davy Crockett -riflen, gøre det muligt for små en- eller tomandshold at levere et atomangreb.
Detonationen af et atomvåben udløser enorm ødelæggelse, men ruinerne ville indeholde mikroskopiske beviser for, hvor bombernes materialer kom fra. Detonationen af en atombombe over et mål som en befolket by forårsager enorm skade. Graden af skade afhænger af afstanden fra midten af bombeeksplosionen, som kaldes hypocenter eller ground zero . Jo tættere du er på hypocenteret, jo større skade. Skaden skyldes flere ting:
På hypocenteret, alt er straks fordampet ved den høje temperatur (op til 500 millioner grader Fahrenheit eller 300 millioner grader Celsius). Udad fra hypocenteret, de fleste tilskadekomne er forårsaget af forbrændinger fra varmen, skader fra flyvende affald af bygninger kollapsede af chokbølgen og akut udsættelse for den høje stråling. Ud over det umiddelbare eksplosionsområde, tilskadekomne skyldes varmen, strålingen og brandene affødte af hedebølgen. På lang sigt, radioaktivt nedfald sker over et bredere område på grund af herskende vind. De radioaktive nedfaldspartikler kommer ind i vandforsyningen og indåndes og indtages af mennesker på afstand fra eksplosionen.
Forskere har undersøgt overlevende fra bombningerne i Hiroshima og Nagasaki for at forstå de kortsigtede og langsigtede virkninger af atomeksplosioner på menneskers sundhed. Stråling og radioaktivt nedfald påvirker de celler i kroppen, der aktivt deler sig (hår, tarm, knoglemarv, reproduktive organer). Nogle af de resulterende sundhedsmæssige forhold omfatter:
Disse tilstande øger ofte risikoen for leukæmi, Kræft, infertilitet og fødselsskader.
Forskere og læger studerer stadig de overlevende fra bomberne, der blev kastet over Japan, og forventer, at der vil komme flere resultater over tid.
I 1980'erne, forskere vurderede de mulige virkninger af atomkrig (mange atombomber eksploderer i forskellige dele af verden) og foreslog teorien om, at en atomvinter kunne forekomme. I atom-vinter-scenariet, eksplosionen af mange bomber ville rejse store støvskyer og radioaktivt materiale, der ville rejse højt ind i Jordens atmosfære. Disse skyer ville blokere for sollys. Det reducerede sollysniveau ville sænke overfladetemperaturen på planeten og reducere fotosyntesen af planter og bakterier. Reduktionen i fotosyntese ville forstyrre fødekæden, forårsager masseudryddelse af liv (inklusive mennesker). Dette scenario ligner den asteroidehypotese, der er blevet foreslået for at forklare dinosaurernes udryddelse. Tilhængere af atom-vinter-scenariet pegede på skyer af støv og affald, der rejste langt over planeten efter vulkanudbrudene på Mount St. Helens i USA og Mount Pinatubo i Filippinerne.
Atomvåben har utrolige, langsigtet destruktiv kraft, der bevæger sig langt ud over det oprindelige mål. Det er derfor, verdens regeringer forsøger at kontrollere spredningen af teknologi og materialer til fremstilling af atombomber og reducere arsenalet af atomvåben, der blev indsat under den kolde krig. Det er også derfor, at atomprøvninger udført af Nordkorea og andre lande trækker så stærkt et svar fra det internationale samfund. Bomberne i Hiroshima og Nagasaki kan være mange årtier siden, men de frygtelige billeder af den skæbnesvangre augustmorgen brænder lige så klare og lyse som nogensinde.