Hiroshima Peace Memorial står som en synlig påminnelse om den dag då den japanska staden bombades den 6 augusti, 1945. Efter den ödesdigra dagen, strukturen var det enda som fortfarande stod i närheten av explosionen. Steve Allen/Getty Images Den första atombomben som var tänkt att döda människor exploderade över Hiroshima, Japan, den 6 augusti 1945. Tre dagar senare, en andra bomb detonerade över Nagasaki. Döden och förstörelsen med dessa vapen var utan motstycke och kan ha, i en annan värld med en annan ras av varelser, avslutade kärnvapenhotet just då och där.
Men händelserna i Japan, även om de kom nära andra världskriget, markerade början på det kalla kriget mellan USA och Sovjetunionen. Mellan 1945 och slutet av 1980 -talet båda sidor investerade enorma mängder pengar i kärnvapen och ökade sina lager betydligt, mestadels för att avvärja konflikter. Hotet om katastrofal förstörelse från bomben skymtade över allt och allt. Skolor genomförde kärnflygplan. Regeringar byggde nedfallshus. Husägare grävde bunkrar i sina bakgårdar.
Under 1970- och 80 -talen spänningarna började lätta något. Sedan föll Berlinmuren 1989, följt av kollapsen av den sovjetiska regeringen själv två år senare. Det kalla kriget tog officiellt slut. När relationerna mellan de två länderna förbättrades, ett åtagande att begränsa kärnvapenarsenaler framkom. En rad fördrag följde, med det senaste som träder i kraft i februari 2011. Liksom sina föregångare, det nya strategiska fördraget om minskning av strategiska vapen (START) syftar till att ytterligare minska och begränsa strategiska vapen. Bland andra åtgärder, det kräver en sammanlagd gräns på 1, 550 stridshuvuden [källa:Vita huset].
Tyvärr, även när Ryssland och USA kliver försiktigt bort från randen, hotet om kärnvapenkrig finns kvar. Nio länder kan nu leverera kärnvapenspetsar på ballistiska missiler [källa:Fischetti]. Minst tre av dessa länder - USA, Ryssland och Kina - kan slå alla mål var som helst i världen. Dagens vapen kan lätt konkurrera med den destruktiva kraften i bomberna som släpptes på Japan. År 2009, Nordkorea testade framgångsrikt ett lika kraftfullt kärnvapen som atombomben som förstörde Hiroshima. Den underjordiska explosionen var så stor att den skapade en jordbävning med en magnitud av 4,5 [källa:McCurry].
Även om det politiska landskapet för kärnkrig har förändrats avsevärt under åren, vetenskapen om själva vapnet - atomprocesserna som släpper loss all den ilskan - har varit kända sedan Einstein. Den här artikeln kommer att granska hur kärnbomber fungerar, inklusive hur de är byggda och distribuerade. Upp först är en snabb genomgång av atomstruktur och radioaktivitet.
Innehåll
En atom, i den enklaste modellen, består av en kärna och kretsande elektroner. Innan vi kan komma till bomberna, vi måste börja i det lilla, atomiskt liten. Ett atom , du kommer ihåg, består av tre subatomära partiklar - protoner , neutroner och elektroner . Mitten av en atom, ringde kärnan , består av protoner och neutroner. Protoner är positivt laddade, neutroner har ingen laddning alls och elektroner är negativt laddade. Proton-till-elektron-förhållandet är alltid ett till ett, så atomen som helhet har en neutral laddning. Till exempel, en kolatom har sex protoner och sex elektroner.
Så enkelt är det dock inte. En atoms egenskaper kan förändras avsevärt baserat på hur många av varje partikel den har. Om du ändrar antalet protoner, du hamnar med ett helt annat element helt och hållet. Om du ändrar antalet neutroner i en atom, du slutar med en isotop . Till exempel, kol har tre isotoper:1) kol-12 (sex protoner + sex neutroner), en stabil och vanligt förekommande form av elementet, 2) kol-13 (sex protoner + sju neutroner), vilket är stabilt men sällsynt och 3) kol-14 (sex protoner + åtta neutroner), vilket är sällsynt och instabilt (eller radioaktivt) att starta.
Som vi ser med kol, de flesta atomkärnor är stabila, men några är inte stabila alls. Dessa kärnor avger spontant partiklar som forskare kallar strålning . En kärna som avger strålning är, självklart, radioaktiv , och handlingen att avge partiklar är känd som radioaktivt avfall . Om du är särskilt nyfiken på radioaktivt sönderfall, du vill granska hur kärnstrålning fungerar. Tills vidare, Vi kommer att gå igenom de tre typerna av radioaktivt sönderfall:
Kom ihåg speciellt den klyvningsdelen. Det kommer att fortsätta att dyka upp när vi diskuterar kärnbombernas inre funktion.
Atombomber involverar styrkorna, stark och svag, som håller en atomkärna ihop, särskilt atomer med instabila kärnor. Det finns två grundläggande sätt att kärnkraft kan frigöras från en atom. I Kärnfission (avbildad), forskare delar kärnan i en atom i två mindre fragment med en neutron. Kärnfusion - processen genom vilken solen producerar energi- innebär att man sammanför två mindre atomer för att bilda en större. I båda processerna, klyvning eller fusion, stora mängder värmeenergi och strålning avges.
Vi kan tillskriva upptäckten av kärnklyvning till den italienska fysikern Enrico Fermis arbete. På 1930 -talet, Fermi visade att element som utsattes för neutronbombardemang kunde omvandlas till nya element. Detta arbete resulterade i upptäckten av långsamma neutroner, liksom nya element som inte finns representerade i det periodiska systemet. Strax efter Fermis upptäckt, Tyska forskare Otto Hahn och Fritz Strassman bombade uran med neutroner, som producerade en radioaktiv bariumisotop. De drog slutsatsen att låghastighetsneutronerna fick urankärnan att klyvas, eller bryta isär, i två mindre bitar.
Deras arbete utlöste intensiv aktivitet i forskningslaboratorier över hela världen. Vid Princeton University, Niels Bohr arbetade tillsammans med John Wheeler för att utveckla en hypotetisk modell av klyvningsprocessen. De spekulerade i att det var uranisotopen uran-235, inte uran-238, genomgår klyvning. Ungefär samtidigt, andra forskare upptäckte att klyvningsprocessen resulterade i att ännu fler neutroner producerades. Detta fick Bohr och Wheeler att ställa en betydelsefull fråga:Kan de fria neutroner som skapas i klyvning starta en kedjereaktion som skulle frigöra en enorm mängd energi? Om så är fallet, det kan vara möjligt att bygga ett vapen med ofattbar kraft.
Och det var.
Tjänstemän från Manhattan Project, kodnamnet för USA:s plan att utveckla atomvapen, inspektera detonationsplatsen för Atombombtestet i Trinity. Det är doktor Robert J. Oppenheimer i den vita hatten. Los Alamos National Laboratory/Time Life Pictures/Getty Images I mars 1940, ett team av forskare som arbetar vid Columbia University i New York City bekräftade hypotesen av Bohr och Wheeler - isotopen uran-235 , eller U-235 , var ansvarig för kärnklyvning. Columbia-teamet försökte initiera en kedjereaktion med U-235 hösten 1941, men misslyckades. Allt arbete flyttades sedan till University of Chicago, var, på en squashbana som ligger under universitetets Stagg Field, Enrico Fermi uppnådde äntligen världens första kontrollerade kärnkedjereaktion. Utveckling av en atombomb, använder U-235 som bränsle, gick fort.
På grund av dess betydelse vid utformningen av en atombomb, låt oss titta närmare på U-235. U-235 är ett av få material som kan genomgå inducerad klyvning . Istället för att vänta mer än 700 miljoner år på att uran ska förfalla naturligt, elementet kan brytas ner mycket snabbare om en neutron kör in i dess kärna. Kärnan kommer att absorbera neutronen utan att tveka, bli instabil och splittras omedelbart.
Så snart kärnan fångar neutronen, den delar sig i två lättare atomer och slänger av sig två eller tre nya neutroner (antalet utmatade neutroner beror på hur U-235-atomen råkar dela sig). De två ljusare atomerna avger sedan gammastrålning när de bosätter sig i sina nya tillstånd. Det finns några saker om denna inducerade klyvningsprocess som gör den intressant:
1941, forskare vid University of California i Berkeley upptäckte ett annat element - element 94 - som kan erbjuda potential som kärnbränsle. De namngav elementet plutonium , och under det följande året, de fick nog för experiment. Så småningom, de etablerade plutoniumets klyvningsegenskaper och identifierade ett andra tänkbart bränsle för kärnvapen.
Om du tänker på kritisk massa när det gäller marmor, den snäva bildningen av kulor representerar kritisk massa och de tre ensamma kulorna står för neutroner. iStockphoto/Thinkstock I en klyvningsbomb, bränslet måste hållas åtskilt subkritisk massor, som inte stöder klyvning, för att förhindra för tidig detonation. Kritisk massa är den minsta massan av klyvbart material som krävs för att upprätthålla en kärnklyvningsreaktion. Tänk på marmoranalogin igen. Om cirkeln av kulor sprids för långt ifrån varandra - subkritisk massa - kommer en mindre kedjereaktion att inträffa när "neutronmarmorn" träffar mitten. Om kulorna placeras närmare varandra i cirkeln - kritisk massa - är det större chans att en stor kedjereaktion kommer att ske.
Att hålla bränslet i separata subkritiska massor leder till designutmaningar som måste lösas för att en klyvningsbomb ska fungera korrekt. Den första utmaningen, självklart, samlar de subkritiska massorna för att bilda ett superkritisk massa, som kommer att ge mer än tillräckligt med neutroner för att upprätthålla en klyvningsreaktion vid tidpunkten för detonation. Bombdesigners kom med två lösningar, som vi kommer att täcka i nästa avsnitt.
Nästa, fria neutroner måste införas i den superkritiska massan för att starta klyvningen. Neutroner introduceras genom att göra en neutrongenerator . Denna generator är en liten pellet av polonium och beryllium, separeras med folie i den klyvbara bränslekärnan. I denna generator:
Till sist, konstruktionen måste tillåta att så mycket material som möjligt klyvs innan bomben exploderar. Detta uppnås genom att begränsa klyvningsreaktionen i ett tätt material som kallas a manipulera , som vanligtvis är gjord av uran-238. Sabotaget blir uppvärmt och expanderat av klyvkärnan. Denna expansion av manipulatorn utövar tryck tillbaka på klyvningskärnan och bromsar kärnans expansion. Sabotaget reflekterar också neutroner tillbaka in i klyvningskärnan, öka klyvningsreaktionens effektivitet.
Det enklaste sättet att sammanföra de subkritiska massorna är att göra en pistol som skjuter in en massa i den andra. En sfär av U-235 är gjord runt neutrongeneratorn och en liten kula av U-235 tas bort. Kulan placeras i ena änden av ett långt rör med sprängämnen bakom, medan sfären är placerad i andra änden. En barometrisk trycksensor bestämmer lämplig höjd för detonation och utlöser följande händelseföljd:
Liten pojke , bomben släppte på Hiroshima, var denna typ av bomb och hade ett utbyte på 14,5 kiloton (lika med 14, 500 ton TNT) med en verkningsgrad på cirka 1,5 procent. Det är, 1,5 procent av materialet klyvdes innan explosionen bar bort materialet.
Det andra sättet att skapa en superkritisk massa kräver att de subkritiska massorna komprimeras till en sfär genom implosion. Fet man , bomben släppte på Nagasaki, var en av dessa så kallade implosionsutlösta bomber . Det var inte lätt att bygga. Tidiga bombkonstruktörer stod inför flera problem, särskilt hur man kontrollerar och riktar chockvågen jämnt över sfären. Deras lösning var att skapa en implosionsanordning bestående av en sfär av U-235 för att fungera som manipulatorn och en plutonium-239-kärna omgiven av högsprängämnen. När bomben detonerade, den hade ett utbyte på 23 kiloton med en verkningsgrad på 17 procent. Det här är vad som hände:
Designers kunde förbättra den grundläggande implosionsutlösta designen. År 1943, Den amerikanske fysikern Edward Teller uppfann begreppet boosting. Förstärkning avser en process där fusionsreaktioner används för att skapa neutroner, som sedan används för att inducera klyvningsreaktioner med en högre hastighet. Det tog ytterligare åtta år innan det första testet bekräftade giltigheten av att öka, men när beviset kom, det blev en populär design. Under åren som följde, nästan 90 procent av kärnbomberna som byggdes i Amerika använde boost -designen.
Självklart, fusionsreaktioner kan användas som den primära energikällan i ett kärnvapen, för. I nästa avsnitt, vi ska titta på de inre funktionerna i fusionsbomber.
Klyvningsbomber fungerade, men de var inte särskilt effektiva. Det tog inte lång tid för forskarna att undra om den motsatta kärnkraftsprocessen - fusion - kan fungera bättre. Fusion uppstår när kärnorna i två atomer kombineras för att bilda en enda tyngre atom. Vid extremt höga temperaturer, kärnorna i väteisotoper deuterium och tritium kan lätt smälta samman, frigör enorma mängder energi i processen. Vapen som utnyttjar denna process är kända som fusionsbomber , termonukleär bomber eller vätebomber . Fusionsbomber har högre kilotonutbyte och större effektivitet än fissionsbomber, men de presenterar några problem som måste lösas:
Forskare övervinner det första problemet genom att använda litiumdeuterat, en fast förening som inte genomgår radioaktivt sönderfall vid normal temperatur, som det huvudsakliga termonukleära materialet. För att övervinna tritiumproblemet, bombdesigners förlitar sig på en klyvningsreaktion för att producera tritium från litium. Klyvningsreaktionen löser också det sista problemet. Majoriteten av strålning som avges i en klyvningsreaktion är Röntgen , och dessa röntgenstrålar ger de höga temperaturer och tryck som är nödvändiga för att initiera fusion. Så, en fusionsbomb har en tvåstegsdesign-en primär fission eller boosted-fission-komponent och en sekundär fusionskomponent.
För att förstå denna bombdesign, tänk dig att i ett bombhölje har du en implosionsfissionsbomb och ett cylinderhölje av uran-238 (sabotage). Inom manipulatorn finns litiumdeuteriden (bränsle) och en ihålig stav av plutonium-239 i cylinderns centrum. Separera cylindern från implosionsbomben är en sköld av uran-238 och plastskum som fyller de återstående utrymmena i bombhöljet. Detonationen av bomben orsakar följande händelseförlopp:
Alla dessa händelser sker på cirka 600 miljarder av en sekund (550 miljarder av en sekund för klyvningsbombimplosionen, 50 miljarder av en sekund för fusionshändelserna). Resultatet är en enorm explosion med 10, 000 kiloton utbyte-700 gånger mer kraftfull än Little Boy-explosionen.
En atombomb av typen "Little Boy" som detonerades över Hiroshima Japan MPI/Getty Images Det är en sak att bygga en atombomb. Det är en annan sak helt att leverera vapnet till det avsedda målet och detonera det framgångsrikt. Detta gällde särskilt de första bomberna som forskare byggde i slutet av andra världskriget. Skriver i ett nummer av 1995 av Scientific American, Philip Morrison, medlem i Manhattan Project, sa detta om de tidiga vapnen:"Alla tre bomber från 1945 - [Trinity] testbomben och de två bomberna som släpptes på Japan - var mer nästan improviserade bitar av komplex laboratorieutrustning än de var tillförlitliga vapen."
Leveransen av dessa bomber till deras slutdestination var improviserad nästan lika mycket som deras design och konstruktion. USS Indianapolis transporterade delar och berikat uranbränsle från Little Boy -bomben till Stilla havet Tinian den 28 juli, 1945. Komponenterna i Fat Man -bomben, bärs av tre modifierade B-29, anlände den 2 augusti. Ett team bestående av 60 forskare flög från Los Alamos, N.M., till Tinian för att hjälpa till med församlingen. The Little Boy bomb - väger 9, 700 pund (4, 400 kilo) och mätte 10 fot (3 meter) från näsa till svans - var klar först. Den 6 augusti, en besättning laddade bomben i Enola Gay, en B-29 styrd av överste Paul Tibbets. Planet gjorde 750-milen (1, 200 kilometer) resa till Japan och tappade bomben i luften ovanför Hiroshima, där det detonerade exakt 08:12 den 9 augusti, de nästan 11, 000 pund (5, 000 kilogram) Fat Man-bomben gjorde samma resa ombord på Bockscar, en andra B-29 som leds av maj. Charles Sweeney. Dess dödliga nyttolast exploderade över Nagasaki strax före kl.
I dag, metoden som används i Japan - gravitation bomber som bärs av flygplan - är fortfarande ett livskraftigt sätt att leverera kärnvapen. Men genom åren, som stridsspetsar har minskat i storlek, andra alternativ har blivit tillgängliga. Många länder har lagrat ett antal ballistiska och kryssningsmissiler beväpnade med kärnkraftsanordningar. Mest ballistiska missiler sjösätts från landbaserade silor eller ubåtar. De lämnar jordens atmosfär, resa tusentals miles till sina mål och komma in i atmosfären igen för att distribuera sina vapen. Kryssningsmissiler har kortare räckvidd och mindre stridsspetsar än ballistiska missiler, men de är svårare att upptäcka och fånga upp. De kan sjösättas från luften, från mobila bärraketer på marken och från marinfartyg.
Taktiska kärnvapen , eller TNW:er , blev också populär under det kalla kriget. Utformad för att rikta in sig på mindre områden, TNW:er inkluderar kortdistansmissiler, artilleri, landminor och djupladdningar. Bärbara TNW:er, som Davy Crockett -geväret, göra det möjligt för små en- eller tvåmanslag att leverera en kärnvapenstrejk.
Ett fotografi visar det första atombombtestet den 16 juli, 1945, klockan 5:30, på Trinity Site i New Mexico. Joe Raedle/Getty Images Detonationen av ett kärnvapen släpper ut en enorm förstörelse, men ruinerna skulle innehålla mikroskopiska bevis på var bombernas material kommer ifrån. Detonationen av en atombomb över ett mål som en befolkad stad orsakar enorm skada. Graden av skador beror på avståndet från bombsprängningens centrum, som kallas hypocenter eller marknoll . Ju närmare du är hypocentret, desto allvarligare är skadan. Skadan orsakas av flera saker:
Vid hypocentret, allt är omedelbart förångades med den höga temperaturen (upp till 500 miljoner grader Fahrenheit eller 300 miljoner grader Celsius). Utåt från hypocentret, de flesta skadade orsakas av brännskador från värmen, skador från flygande skräp i byggnader som kollapsade av chockvågen och akut exponering för hög strålning. Bortom det omedelbara sprängområdet, skador orsakas av värmen, strålningen och bränderna kom från värmeböljan. I längden, radioaktivt nedfall uppstår över ett större område på grund av rådande vindar. De radioaktiva nedfallspartiklarna kommer in i vattentillförseln och andas in och intas av människor på avstånd från sprängningen.
Forskare har studerat överlevande från bombningarna i Hiroshima och Nagasaki för att förstå de kortsiktiga och långsiktiga effekterna av kärntekniska explosioner på människors hälsa. Strålning och radioaktivt nedfall påverkar de celler i kroppen som aktivt delar sig (hår, inälvor, benmärg, fortplantningsorgan). Några av de resulterande hälsoförhållandena inkluderar:
Dessa tillstånd ökar ofta risken för leukemi, cancer, infertilitet och fosterskador.
Forskare och läkare studerar fortfarande de överlevande från bomberna som släpptes på Japan och förväntar sig att fler resultat kommer att dyka upp med tiden.
På 1980 -talet, forskare utvärderade de möjliga effekterna av kärnkrig (många kärnbomber som exploderar i olika delar av världen) och föreslog teorin om att en kärnvinter kan inträffa. I kärnvinter-vinterscenariot, explosionen av många bomber skulle väcka stora moln av damm och radioaktivt material som skulle resa högt in i jordens atmosfär. Dessa moln skulle blockera solljus. Den minskade solljusnivån skulle sänka yttemperaturen på planeten och minska fotosyntesen av växter och bakterier. Minskningen av fotosyntesen skulle störa näringskedjan, orsakar massutrotning av liv (inklusive människor). Detta scenario liknar asteroidhypotesen som har föreslagits för att förklara dinosauriernas utrotning. Förespråkare för kärnvinter-scenariot pekade på molnen av damm och skräp som reste långt över planeten efter vulkanutbrotten i Mount St. Helens i USA och Mount Pinatubo i Filippinerna.
Kärnvapen har otroliga, långsiktig destruktiv kraft som går långt bortom det ursprungliga målet. Det är därför som världens regeringar försöker kontrollera spridningen av teknik och material för kärnvapenbombande och minska arsenalen av kärnvapen som utplacerades under det kalla kriget. Det är också därför som kärnvapenprov som utförts av Nordkorea och andra länder ger ett så starkt svar från det internationella samfundet. Hiroshima och Nagasaki -bombningarna kan vara många decennier sedan tidigare, men de hemska bilderna av den ödesdigra augustimorgonen brinner lika tydliga och ljusa som någonsin.
