Водородная и атомная бомбы: сравнительные характеристики

Бомбардировка Хиросимы

2 августа 1945 года соединение полковника Тиббетса получило секретный приказ о первой в истории человечества атомной бомбардировке, дата которой была назначена на 6 августа. Основной целью атаки избрана Хиросима, запасными (в случае ухудшения условий видимости) – Кокура и Нагасаки. Всем остальным американским самолетам запрещалось находиться в радиусе 80-километровой зоны этих городов во время бомбометания.

6 августа перед началом операции пилоты получили очки с темными стеклами, предназначенные для защиты глаз от светового излучения. Самолеты стартовали с острова Тиниан, где размещалась база американской военной авиации. Остров расположен в 2,5 тыс. км от Японии, таким образом, предстояло лететь около 6 часов.

Вместе с бомбардировщиком Би-29, получившего название «Enola Gay», на борту которого находилась атомная бомба ствольного типа «Little Boy», в небо поднялись еще 6 самолетов: три разведчика, один запасной и два несли специальную измерительную аппаратуру.

Видимость над всеми тремя городами позволяла провести бомбометание, поэтому решено было не отступать от первоначального плана. В 8 часов 15 минут раздался взрыв — бомбардировщик «Enola Gay» сбросил на Хиросиму 5-тонную бомбу, после чего сделал 60-градусный разворот и начал удаляться с максимально возможной скоростью.

Последствия взрыва

Бомба разорвалась в 600м от поверхности. Большинство домов города были оборудованы печками, которые топились древесным углем. Многие горожане в момент атаки как раз готовили завтрак. Опрокинутые взрывной волной неимоверной силы, печки стали причиной массовых пожаров в тех частях города, которые не были уничтожены сразу после взрыва.

Тепловая волна оплавила черепицу домов и гранитные плиты. В радиусе 4км были сожжены все деревянные телеграфные столбы. Люди, находившиеся в эпицентре взрыва, мгновенно испарились, объятые раскаленной плазмой, температура которой составляла около 4000 градусов по Цельсию. Мощное световое излучение оставляло от человеческих тел лишь тени на стенах домов. 9 из 10 находившихся в 800-метровой зоне от эпицентра взрыва погибли мгновенно. Ударная волна пронеслась со скоростью 800км/ч, превращая в обломки все здания в радиусе 4км, кроме нескольких, построенных с учетом повышенной сейсмической опасности.

Плазменный шар испарил влагу из атмосферы. Облако пара достигло более холодных слоев и, смешавшись с пылью и пеплом, тут же пролилось на землю черным дождем.

Затем на город обрушился ветер, дувший уже к эпицентру взрыва. От нагревания воздуха, вызванного разгорающимися пожарами, порывы ветра усилились настолько, что вырывали большие деревья с корнями. На реке поднялись огромные волны, в которых тонули люди пытавшиеся спастись в воде от охватившего город огненного смерча, уничтожившего 11 км2 площади. По разным оценкам количество погибших в Хиросиме составило 200-240 тыс. человек, из которых 70-80 тыс. умерли сразу же после взрыва.

Всякая связь с городом прервалась. В Токио заметили, что из эфира пропала местная радиостанция Хиросимы и перестала работать телеграфная линия. Через некоторое время с региональных железнодорожных станций стали поступать сведения о взрыве невероятной силы.

На место трагедии срочно вылетел офицер генштаба, писавший позже в своих воспоминаниях, что больше всего его поразило отсутствие улиц – город был равномерно засыпан обломками, не представлялось возможным определить, где и что находилось всего несколько часов назад.

Официальные власти в Токио никак не могли поверить, что ущерб такого масштаба нанесен всего лишь одной бомбой. Представители японского генерального штаба обратились к ученым за разъяснениями, каким оружием можно причинить такие разрушения. Один из физиков, доктор И.Нишина предположил использование ядерной бомбы, поскольку в среде ученых уже некоторое время циркулировали слухи о попытках ее создания американцами. Физик окончательно подтвердил свои предположения после личного посещения разрушенной Хиросимы в сопровождении военных.

8 августа командование ВВС США смогло наконец-то оценить эффект своей операции. Аэрофотосъемка показала, что 60% зданий, расположенных на территории общей площадью 12км2, превратись в пыль, от остальных остались груды обломков.

Как устроена атомная бомба?

Ядерный взрыв – это хаотичный процесс освобождения колоссального количества энергии, которая образуется в результате ядерной реакции деления или синтеза. Аналогичные и сопоставимые по мощности процессы происходят в недрах звезд.

Ядро атома любого вещества делится при поглощении нейтронов, но для большинства элементов периодической таблицы для этого необходимо затратить значительную энергию. Однако существуют элементы, способные к подобной реакции под воздействием нейтронов, которые обладают любой – даже минимальной – энергией. Они называются делящимися.

Главной особенностью ядерной реакции является ее цепной, то есть самоподдерживающийся характер. При облучении атома нейтронами он распадается на два осколка с выделением большого количества энергии, а также двух вторичных нейтронов, которые, в свою очередь, способны вызывать деление соседних ядер. Так процесс становится каскадным. В результате цепной ядерной реакции за короткий промежуток времени в очень ограниченном объеме образуется колоссальное количество «осколков» распавшихся ядер и атомов в виде высокотемпературной плазмы: нейтронов, электронов и квантов электромагнитного излучения. Этот сгусток стремительно расширяется, образуя ударную волну огромной разрушительной силы.

Устройство первой советской ядерной бомбы

Подавляющая часть современного ядерного оружия работает не на основе цепной реакции распада, а за счет слияния ядер легких элементов, которые начинаются при высоких температурах и огромном давлении. При этом происходит выделение еще большего количества энергии, чем во время распада ядер типа урана или плутония, но принципиально результат не изменяется – образуется область высокотемпературной плазмы. Подобные превращения носят название реакции термоядерного синтеза, а заряды, в которых они используются, – термоядерные.

Отдельно следует сказать о специальных видах ЯО, у которых большая часть энергии деления (или синтеза) направлена на один из факторов поражения. К ним относятся нейтронные боеприпасы, порождающие поток жесткого излучения, а также так называемая кобальтовая бомба, дающая максимальное радиационное заражение местности.

Последствия ядерных бомбардировок для людей

В радиусе двух километров от гипоцентра погибли сразу же 40% жителей, 56,5% умерли спустя четыре месяца – к концу ноября. За первые две недели умерли получившие сильные ожоги и большие дозы радиации. За десять дней умирали от температуры, поноса и кровавой рвоты – признаки радиационного облучения. У тех, кто продолжал жить дальше, наблюдалось выпадение волос, поражения гортани, слабость, лейкоз – эти зараженные также умирали.

Выжившие продолжали умирать в дальнейшем от развившихся онкообразований. Облученные во чреве матери младенцы рождались с большими патологиями. Тела выживших покрывали уродливые келоидные рубцы от обширных ожогов. Различные аномалии проявлялись спустя 20-40 лет после ядерных взрывов. (Исследование «Современная диагностика лейкемий» профессора Университета Хиросимы Нанао Камада, гл.9)

70-100 тысяч жителей Хиросимы (в ней всего проживало 245 тысяч человек) погибли в один миг, превратившись за доли секунды в пепел и оставив только тени на стенах. На расстоянии до 19 км были выбиты все стекла в домах. При этом стекла со скоростью 800 км/час пронзали тела людей. Все дома были сожжены, а обгоревшие люди умирали в муках.

Вес, длина и способ запуска

Данная характеристика существенно влияет на поражающий фактор. Ядерные бомбы и ракеты, как правило, очень громоздкие и весят очень много. Для их транспортировки и запуска используют специальные военные машины. На вооружении российской армии их несколько. Самым известным считается “Искандер-М”.По способу запуска ядерное оружие также делится на несколько типов:

1. Бомбы. Их необходимо сбрасывать непосредственно с авиации.
2. Ракеты, в том числе и баллистические. Они имеют в своем строении определенный запас топлива, который позволяет летать им очень далеко и долго. В свою очередь они делятся на два класса:
   • Запускаемые с техники, которые может быстро передвигаться и менять место своей дислокации. Однако, для полной боеготовности к запуску таким ракетам требуется время с продолжительностью около 5 минут.
   • Базирующиеся в шахтах. Данный тип ракет уникален тем, что никто, кроме президента и министра обороны не знает их расположение, а также число. Для их развертывания требуется приблизительно столько же времени, но ракеты такого типа могут облететь весь земной шар несколько раз.

Рассмотри вес и длину ядерных ракет, имеющихся на вооружении армии России:

• Тополь-М. Признана самой мобильной ядерной установкой. Производство осуществляется с 1994 года. Вес составляет 46,5 тонн. Длина — 17,5 метра. Является основой ядерного щита России.
• Ярс РС-24. Самая защищенная ракета. Масса около 47 тонн. Длина приблизительно 23 метра.
• Р-36М Сатана. Признана самой тяжелой ядерной ракетой в нашей стране. Ее вес составляет 211 тонн. Длина — 34,3 метра.
• РС-28 Сармат. Длина составляет 30-35 метров. Вес более 200 тонн.

Обладая такими существенными характеристиками, каждая ракета способна уничтожить любую страну мира.
Рис. 5. РС-28 Сармат

ИСПЫТАНИЯ

Ядерные испытания проводятся в целях общего исследования ядерных реакций, совершенствования оружейной техники, проверки новых средств доставки, а также надежности и безопасности методов хранения и обслуживания оружия. Одна из главных проблем при проведении испытаний связана с необходимостью обеспечения безопасности

При всей важности вопросов защиты от прямого воздействия ударной волны, нагрева и светового излучения первостепенное значение имеет все-таки проблема радиоактивных осадков. Пока что не создано «чистого» ядерного оружия, не приводящего к выпадению радиоактивных осадков

Испытания ядерного оружия могут проводиться в космосе, в атмосфере, на воде или на суше, под землей или под водой. Если они проводятся над землей или над водой, то в атмосферу вносится облако мелкой радиоактивной пыли, которая затем широко рассеивается. При испытаниях в атмосфере образуется зона долго сохраняющейся остаточной радиоактивности. Соединенные Штаты, Великобритания и Советский Союз отказались от атмосферных испытаний, ратифицировав в 1963 договор о запрещении ядерных испытаний в трех средах. Франция последний раз провела атмосферное испытание в 1974. Самое последнее испытание в атмосфере было проведено в КНР в 1980. После этого все испытания проводились под землей, а Францией – под океанским дном.

Что происходит при ядерном взрыве?

После начала реакции в течение короткого периода времени и в очень ограниченном объеме выделяется значительное количество тепловой и лучистой энергии. В результате в центре ядерного взрыва до огромных значений возрастает температура и давление. Издалека эта фаза воспринимается, как очень яркая светящаяся точка. На этом этапе большая часть энергии превращается в электромагнитное излучение, в основном в рентгеновской части спектра. Оно называют первичным.

Окружающий воздух нагревается и вытесняется с точки взрыва со сверхзвуковой скоростью. Формируется облако и образуется ударная волна, которая от него отрывается. Это происходит примерно через 0,1 мсек после начала реакции. По мере остывания облако увеличивается и начинает подниматься, увлекая за собой зараженные частицы грунта и воздух. В эпицентре образуется воронка от ядерного взрыва.

Ядерные реакции, происходящие в это время, становятся источником целого ряда различных излучений, от гамма-лучей и нейтронов до высокоэнергетических электронов и атомных ядер. Так возникает проникающая радиация ядерного взрыва – один из главных поражающих факторов ЯО. Кроме того, это излучение воздействует на атомы окружающего вещества, превращая их в радиоактивные изотопы, которые заражают местность.

Свет и удар

Коллаж L!FE. Фото: Pixabay

Самое страшное проявление взрыва — вовсе не гриб из поднятой пыли, а быстротечная вспышка и ударная волна. Именно они наносят максимум разрушений. Всё начинается со светового излучения, которое представляет собой поток лучистой энергии. Его источником является светящаяся область взрыва — нагретые до высоких температур и испарившиеся части боеприпаса, окружающего грунта и воздуха. Если боеприпас взорвался в воздухе, вы увидите шар, если на земле, то полусферу.

Именно световое излучение, температура которого достигает 7700 градусов, может сжечь попавших в зону поражения, оставив лишь тени на стенах. Чёрноюморный анекдот советует в случае попадания в зону поражения светового излучения сделать из пальцев собачку, оставив на стене загадку для следующих поколений. Область поражения световым излучением самая маленькая, но самая разрушительная, в ней не останется ничего живого по определению. Холодильник, в который прятался Индиана Джонс, также не поможет.

Кстати, длительность огненного шара очень невелика. Для тактического ядерного взрыва она и вовсе составляет три сотых секунды. Вы просто увидите мгновенную вспышку, и придёт очередь ударной волны. Большинство разрушений вызывается как раз ею. Ударная волна представляет собой скачок уплотнения в среде, который движется со сверхзвуковой скоростью (более 350 метров в секунду). При атмосферном взрыве скачок уплотнения — это небольшая зона, в которой происходит почти мгновенное увеличение температуры, давления и плотности воздуха.

Вот от ударной волны бомбоубежища помогают очень хорошо. Даже обычный подвал многоквартирного дома даст вам шанс выжить в случае попадания в зону поражения. Однако для начала нужно оказаться в подвале до того, как взрыв произойдёт, а вероятность этого велика только в том случае, если вы там квартируете.

Взрыв атомной бомбы и механизм его действия

Взрыв атомной бомбы является одним из самых удивительных, загадочных и страшных процессов.

Ядра некоторых изотопов радиоактивных элементов способны распадаться, при этом захватывая нейтрон. После этого выделяется ещё два или три нейтрона. Разрушение ядра одного атома при идеальных условиях может привести к распаду ещё двух или трех.

Происходит лавинообразный процесс разрушения все большего числа ядер с высвобождением гигантского количества энергии разрыва атомных связей. При взрыве огромные энергии высвобождаются за сверхмалый промежуток времени. Происходит это в одной точке. Поэтому взрыв атомной бомбы является настолько мощным и разрушительным.

Первое ядерное испытание было проведено в июле 1945 года в США, недалеко от Алмогордо. В августе того же года американцы применили это оружие против японских городов Хиросима и Нагасаки. Взрыв атомной бомбы в городе привел к ужасным разрушениям и гибели большей части населения. 

ДОГОВОРЫ И СОГЛАШЕНИЯ

В 1958 Соединенные Штаты и Советский Союз договорились о моратории на испытания в атмосфере. Тем не менее СССР возобновил испытания в 1961, а США – в 1962. В 1963 комиссия ООН по разоружению подготовила договор о запрещении ядерных испытаний в трех средах: атмосфере, космическом пространстве и под водой. Договор ратифицировали Соединенные Штаты, Советский Союз, Великобритания и свыше 100 других государств-членов ООН. (Франция и КНР тогда его не подписали.)

В 1968 был открыт к подписанию договор о нераспространении ядерного оружия, подготовленный тоже комиссией ООН по разоружению. К середине 1990-х годов его ратифицировали все пять ядерных держав, а всего подписали 181 государство. В число 13 не подписавших входили Израиль, Индия, Пакистан и Бразилия. Договор о нераспространении ядерного оружия запрещает владеть ядерным оружием всем странам, кроме пяти ядерных держав (Великобритании, КНР, России, Соединенных Штатов и Франции). В 1995 этот договор был продлен на неопределенный срок.

Среди двусторонних соглашений, заключенных между США и СССР, были договоры об ограничении стратегических вооружений (ОСВ-I в 1972, ОСВ-II в 1979), об ограничении подземных испытаний ядерного оружия (1974) и о подземных ядерных взрывах в мирных целях (1976).

В конце 1980-х годов упор был перенесен со сдерживания роста вооружений и ограничения ядерных испытаний на сокращение ядерных арсеналов сверхдержав. Договор о ядерных вооружениях средней и меньшей дальности, подписанный в 1987, обязывал обе державы ликвидировать свои запасы ядерных ракет наземного базирования с дальностью 500–5500 км. Переговоры между США и СССР о сокращении наступательных вооружений (СНВ), проводившиеся как продолжение переговоров ОСВ, завершились в июле 1991 заключением договора (СНВ-1), по которому обе стороны согласились сократить примерно на 30% свои запасы ядерных баллистических ракет большой дальности. В мае 1992, когда распался Советский Союз, США подписали соглашение (т.н. Лиссабонский протокол) с бывшими республиками СССР, владевшими ядерным оружием, – Россией, Украиной, Белоруссией и Казахстаном, – в соответствии с которым все стороны обязаны выполнять договор СНВ-1. Был также подписан договор СНВ-2 между Россией и США. Им устанавливается предельное число боеголовок для каждой из сторон, равное 3500. Сенат США ратифицировал этот договор в 1996.

Договором по Антарктике от 1959 был введен принцип безъядерной зоны. С 1967 вошел в силу договор о запрещении ядерного оружия в Латинской Америке (Тлателолькский договор), а также договор о мирном исследовании и использовании космического пространства. Велись переговоры и о других безъядерных зонах.

Виды поражающего действия радиации.

Радиация разрушает ткани тела. Поглощенная доза излучения – это энергетическая величина, измеряемая в радах (1 рад = 0,01 Дж/кг) для всех видов проникающего излучения. Разные виды излучения оказывают разное действие на организм человека. Поэтому экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения измеряется в рентгенах (1Р = 2,58×10–4 Кл/кг). Вред, нанесенный человеческой ткани поглощением радиации, оценивается в единицах эквивалентной дозы излучения – бэрах (бэр – биологический эквивалент рентгена). Чтобы вычислить дозу в рентгенах, необходимо дозу в радах умножить на т.н. относительную биологическую эффективность рассматриваемого вида проникающей радиации. Все люди на протяжении своей жизни поглощают некоторое природное (фоновое) проникающее излучение, а многие – искусственное, например рентгеновское. Человеческий организм, по-видимому, справляется с таким уровнем облучения. Вредные же последствия наблюдаются тогда, когда либо полная накопленная доза слишком велика, либо облучение произошло за короткое время. (Правда, доза, полученная в результате равномерного облучения на протяжении более длительного времени, тоже может приводить к тяжелым последствиям.) Как правило, полученная доза облучения не приводит к немедленному поражению. Даже летальные дозы могут в течение часа и более никак не сказываться. Ожидаемые результаты облучения (всего тела) человека разными дозами проникающей радиации представлены в табл. 2. Таблица 2. Биологическая реакция людей на проникающую радиацию

Когда и как появилось ядерное оружие

Годом рождения атомной бомбы можно считать 1896 год. Именно тогда учёный-химик из Франции А. Беккерель открыл, что уран радиоактивен. Цепная реакция урана образует мощную энергию, которая служит основой для страшного взрыва. Вряд ли Беккерель предполагал, что его открытие приведёт к созданию ядерного оружия — самого страшного оружия во всём мире.

Конец 19 — начало 20 века стал переломным моментом в истории изобретения ядерного оружия. Именно в этом временном промежутке учёные различных стран мира смогли открыть следующие законы, лучи и элементы:

• Альфа, гамма и бета лучи;
• Было открыто множество изотопов химических элементов, обладающих радиоактивными свойствами;
• Был открыт закон радиоактивного распада, который определяет временную и количественную зависимость интенсивности радиоактивного распада, зависящую от количества радиоактивных атомов в испытуемом образце;
• Зародилась ядерная изометрия.

В результате дальнейших исследований и разработок в данной сфере, на свет появилась ядерная бомба. Мощность и радиус поражения современных атомных бомб настолько велик, что страна, которая обладает ядерным потенциалом, практически не нуждается в мощной армии, так как одна атомная бомба способна уничтожить целое государство.

Как могли на себе ощутить ядерные взрывы советские граждане

Согласно статье Е.М.Лабунец «Ядерное оружие: историческое развитие и политико-правовые последствия применения» (журнал «Юристъ-Правоведъ», 2008 г.), один термоядерный заряд мощностью 20 Мт в радиусе до 24 км способен полностью разрушить все дома и сравнять их с поверхностью земли. Он уничтожает все живое на расстоянии до 140 км. Происходит радиоактивное заражение воздуха, воды и почвы. Выводится из строя техника, разрушаются предметы, массово гибнут люди. Одной бомбы достаточно, чтобы уничтожить любой город на планете.

На Хиросиму сбросили бомбу в 1000 раз менее мощную (1 Мт = 1000 Кт). Радиус поражения ядерной бомбы средней мощности (от 10 до 100 Кт), в частности, 20 Кт, составляет зону поражения радиусом 1 км.

Из истории данного вопроса

Конец XIX и первая четверть XX столетия стали для ядерной физики периодом невиданных прорывов и удивительных свершений. Уже к середине 30-х годов ученые сделали практически все теоретические открытия, позволяющие создать ядерный заряд. В начале 30-х впервые было расщеплено атомное ядро, а в 1934 году венгерский физик Силард запатентовал конструкцию ядерного реактора.

В 1938 году трое немецких ученых – Фриц Штрассман, Отто Ган и Лиза Мейтнер – открыли процесс расщепления урана при бомбардировке нейтронами. Это была последняя остановка на пути к Хиросиме, вскоре французский физик Фредерик Жолио-Кюри получил патент на конструкцию урановой бомбы. В 1941 году Ферми закончил теорию цепной ядерной реакции.

Роберт Оппенгеймер – отец американской ядерной бомбы

В это время мир неумолимо скатывался к новой глобальной войне, поэтому изыскания ученых, направленные на создание оружия невиданной сокрушительной силы, не могли остаться незамеченными. Большой интерес к подобным исследованиям проявляло руководство гитлеровской Германии. Обладая великолепной научной школой, эта страна вполне могла первой создать ядерное оружие. Подобная перспектива сильно тревожила ведущих ученых, большинство из которых были настроены крайне антигермански. В августе 1939 года Альберт Эйнштейн по просьбе своего друга Силарда написал письмо президенту США, где указывал на опасность появления у Гитлера ядерной бомбы. Результатом этой переписки стал сначала «Урановый комитет», а затем и «Манхеттенский проект», который и привел к созданию американского ядерного оружия. В 1945 году США имели уже три бомбы: плутониевую «Штучку» (Gadget) и «Толстяка» (Fat boy), а также уранового «Малыша» (Little boy). «Родителями» американского ЯО считаются ученые Ферми и Оппенгеймер.

В 1949 году ЯО появилось у Советского Союза. В 1952 году американцы впервые провели испытания первого устройства, в основе работы которого лежали реакции ядерного синтеза, а не распада. Вскоре термоядерная бомба была создана и в СССР.

В 1954 году американцы взорвали устройство, эквивалентом 15 мегатонн тринитротолуола. Но самый мощный ядерный взрыв в истории состоялся несколькими годами позже – на Новой Земле подорвали пятидесятимегатонную «Царь-бомбу».

К счастью, и в СССР, и в США быстро поняли, к чему способна привести масштабная ядерная война. Поэтому в 1967 году сверхдержавы подписали Договор о нераспространении ЯО. Позже был выработан еще ряд соглашений, касающихся данной области: ОСВ-I и ОСВ-II, СНВ-I и СНВ-II, др.

Советская “Царь-бомба” АН 602 мощностью 58 мегатонн, взорванная 30 октября 1961 года на Новой Земле