Il memoriale della pace di Hiroshima è un ricordo visibile del giorno in cui la città giapponese è stata bombardata il 6 agosto. 1945. Dopo quel fatidico giorno, la struttura era l'unica cosa rimasta in piedi nelle vicinanze dell'esplosione. Steve Allen/Getty Images La prima bomba nucleare destinata a uccidere gli umani è esplosa su Hiroshima, Giappone, il 6 agosto 1945. Tre giorni dopo, una seconda bomba è esplosa su Nagasaki. La morte e la distruzione provocate da queste armi erano senza precedenti e avrebbero potuto, in un altro mondo con un'altra razza di esseri, ha posto fine alla minaccia nucleare proprio in quel momento.
Ma gli eventi in Giappone, anche se hanno portato una fine alla seconda guerra mondiale, segnò l'inizio della Guerra Fredda tra Stati Uniti e Unione Sovietica. Tra il 1945 e la fine degli anni Ottanta, entrambe le parti hanno investito enormi quantità di denaro in armi nucleari e hanno aumentato significativamente le loro scorte, principalmente come mezzo per scoraggiare i conflitti. La minaccia della distruzione catastrofica di The Bomb incombeva su tutto e tutti. Le scuole hanno condotto esercitazioni di raid aerei nucleari. I governi hanno costruito rifugi antiatomici. I proprietari di case hanno scavato bunker nei loro cortili.
Negli anni '70 e '80, le tensioni cominciarono ad allentarsi un po'. Poi nel 1989 cadde il muro di Berlino, seguito dal crollo dello stesso governo sovietico due anni dopo. La Guerra Fredda è ufficialmente finita. Con il miglioramento delle relazioni tra i due paesi, è emerso un impegno a limitare gli arsenali nucleari. Seguì una serie di trattati, con l'ultima entrata in vigore nel febbraio 2011. Come i suoi predecessori, il nuovo Trattato per la riduzione delle armi strategiche (START) mira a ridurre e limitare ulteriormente le armi strategiche. Tra le altre misure, richiede un limite aggregato di 1, 550 testate [fonte:la Casa Bianca].
Sfortunatamente, anche se la Russia e gli Stati Uniti si allontanano timidamente dall'orlo, la minaccia di una guerra nucleare rimane. Nove paesi possono ora fornire testate nucleari su missili balistici [fonte:Fischetti]. Almeno tre di questi paesi:gli Stati Uniti, Russia e Cina potrebbero colpire qualsiasi obiettivo in qualsiasi parte del mondo. Le armi di oggi potrebbero facilmente rivaleggiare con il potere distruttivo delle bombe sganciate sul Giappone. Nel 2009, La Corea del Nord ha testato con successo un'arma nucleare potente come la bomba atomica che ha distrutto Hiroshima. L'esplosione sotterranea è stata così significativa da creare un terremoto di magnitudo 4.5 [fonte:McCurry].
Mentre il panorama politico della guerra nucleare è cambiato considerevolmente nel corso degli anni, la scienza dell'arma stessa - i processi atomici che scatenano tutta quella furia - sono noti fin da Einstein. Questo articolo esaminerà come funzionano le bombe nucleari, compreso il modo in cui sono costruiti e distribuiti. La prima è una rapida rassegna della struttura atomica e della radioattività.
Contenuti
un atomo, nel modello più semplice, è costituito da un nucleo e da elettroni orbitanti. Prima che possiamo arrivare alle bombe, dobbiamo iniziare in piccolo, atomicamente piccolo. Un atomo , ricorderai, è composto da tre particelle subatomiche: protoni , neutroni e elettroni . Il centro di un atomo, chiamato il nucleo , è composto da protoni e neutroni. I protoni sono carichi positivamente, i neutroni non hanno alcuna carica e gli elettroni sono caricati negativamente. Il rapporto protone-elettrone è sempre uno a uno, quindi l'atomo nel suo insieme ha una carica neutra. Per esempio, un atomo di carbonio ha sei protoni e sei elettroni.
Non è così semplice però. Le proprietà di un atomo possono cambiare considerevolmente in base a quante particelle possiede. Se cambi il numero di protoni, ti ritrovi con un elemento completamente diverso. Se modifichi il numero di neutroni in un atomo, ti ritrovi con un isotopo . Per esempio, il carbonio ha tre isotopi:1) carbonio-12 (sei protoni + sei neutroni), una forma stabile e comune dell'elemento, 2) carbonio-13 (sei protoni + sette neutroni), che è stabile ma raro e 3) carbonio-14 (sei protoni + otto neutroni), che è raro e instabile (o radioattivo) per l'avvio.
Come vediamo con il carbonio, la maggior parte dei nuclei atomici è stabile, ma alcuni non sono affatto stabili. Questi nuclei emettono spontaneamente particelle che gli scienziati chiamano radiazione . Un nucleo che emette radiazioni è, Certo, radioattivo , e l'atto di emettere particelle è noto come decadimento radioattivo . Se sei particolarmente curioso del decadimento radioattivo, ti consigliamo di esaminare come funziona la radiazione nucleare. Per adesso, esamineremo i tre tipi di decadimento radioattivo:
Ricorda soprattutto quella parte della fissione. Continuerà a emergere mentre discutiamo del funzionamento interno delle bombe nucleari.
Le bombe nucleari coinvolgono le forze, forte e debole, che tengono insieme il nucleo di un atomo, soprattutto atomi con nuclei instabili. Ci sono due modi fondamentali in cui l'energia nucleare può essere rilasciata da un atomo. In fissione nucleare (nella foto), gli scienziati hanno diviso il nucleo di un atomo in due frammenti più piccoli con un neutrone. Fusione nucleare - il processo mediante il quale il sole produce energia - comporta l'unione di due atomi più piccoli per formarne uno più grande. In entrambi i processi, fissione o fusione, vengono emesse grandi quantità di energia termica e irraggiamento.
Possiamo attribuire la scoperta della fissione nucleare al lavoro del fisico italiano Enrico Fermi. Negli anni '30, Fermi dimostrò che gli elementi soggetti al bombardamento di neutroni potevano essere trasformati in nuovi elementi. Questo lavoro ha portato alla scoperta di neutroni lenti, così come nuovi elementi non rappresentati nella tavola periodica. Subito dopo la scoperta di Fermi, Gli scienziati tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassman hanno bombardato l'uranio con neutroni, che ha prodotto un isotopo di bario radioattivo. Hanno concluso che i neutroni a bassa velocità hanno causato la fissione del nucleo di uranio, o spezzarsi, in due pezzi più piccoli.
Il loro lavoro ha suscitato un'intensa attività nei laboratori di ricerca di tutto il mondo. All'Università di Princeton, Niels Bohr ha lavorato con John Wheeler per sviluppare un modello ipotetico del processo di fissione. Hanno ipotizzato che fosse l'isotopo dell'uranio uranio-235, non uranio-238, in corso di fissione. Più o meno nello stesso momento, altri scienziati hanno scoperto che il processo di fissione ha prodotto ancora più neutroni. Ciò ha portato Bohr e Wheeler a porre una domanda importante:i neutroni liberi creati nella fissione potrebbero avviare una reazione a catena che rilascerebbe un'enorme quantità di energia? Se è così, potrebbe essere possibile costruire un'arma dal potere inimmaginabile.
Ed esso era.
Funzionari del Progetto Manhattan, il nome in codice del piano statunitense per lo sviluppo di armi atomiche, ispezionare il sito di detonazione del test della bomba atomica Trinity. Quello è il dottor Robert J. Oppenheimer con il cappello bianco. Los Alamos National Laboratory/Time Life Pictures/Getty Images Nel marzo 1940, un team di scienziati che lavorano alla Columbia University di New York City ha confermato l'ipotesi avanzata da Bohr e Wheeler:l'isotopo uranio-235 , o U-235 , era responsabile della fissione nucleare. Il team della Columbia tentò di avviare una reazione a catena usando l'U-235 nell'autunno del 1941, ma fallito. Tutto il lavoro si è poi trasferito all'Università di Chicago, dove, su un campo da squash situato sotto lo Stagg Field dell'università, Enrico Fermi ha finalmente realizzato la prima reazione nucleare a catena controllata al mondo. Sviluppo di una bomba nucleare, usando l'U-235 come combustibile, proceduto rapidamente.
A causa della sua importanza nella progettazione di una bomba nucleare, diamo un'occhiata più da vicino all'U-235. L'U-235 è uno dei pochi materiali che possono subire fissione indotta . Invece di aspettare più di 700 milioni di anni perché l'uranio decada naturalmente, l'elemento può essere scomposto molto più velocemente se un neutrone si imbatte nel suo nucleo. Il nucleo assorbirà il neutrone senza esitazione, diventano instabili e si dividono immediatamente.
Non appena il nucleo cattura il neutrone, si divide in due atomi più leggeri e rilascia due o tre nuovi neutroni (il numero di neutroni espulsi dipende da come l'atomo di U-235 si divide). I due atomi più leggeri emettono quindi radiazioni gamma mentre si stabiliscono nei loro nuovi stati. Ci sono alcune cose su questo processo di fissione indotto che lo rendono interessante:
Nel 1941, gli scienziati dell'Università della California a Berkeley hanno scoperto un altro elemento, l'elemento 94, che potrebbe offrire un potenziale come combustibile nucleare. Hanno chiamato l'elemento plutonio , e durante l'anno successivo, hanno fatto abbastanza per gli esperimenti. Infine, hanno stabilito le caratteristiche di fissione del plutonio e identificato un secondo possibile combustibile per le armi nucleari.
Se si pensa alla massa critica in termini di marmi, la formazione stretta delle biglie rappresenta la massa critica e le tre biglie solitarie sostituiscono i neutroni. iStockphoto/Thinkstock In una bomba a fissione, il carburante deve essere tenuto in separato subcritico masse, che non sosterrà la fissione, per prevenire la detonazione prematura. Massa critica è la massa minima di materiale fissile necessaria per sostenere una reazione di fissione nucleare. Pensa di nuovo all'analogia del marmo. Se il cerchio di biglie è troppo distanziato - massa subcritica - si verificherà una reazione a catena più piccola quando il "marmo di neutroni" colpisce il centro. Se le biglie sono posizionate più vicine tra loro nel cerchio - massa critica - c'è una maggiore possibilità che si verifichi una grande reazione a catena.
Mantenere il carburante in masse subcritiche separate porta a problemi di progettazione che devono essere risolti affinché una bomba a fissione funzioni correttamente. La prima sfida, Certo, sta portando le masse subcritiche insieme per formare a supercritico messa, che fornirà più che sufficienti neutroni per sostenere una reazione di fissione al momento della detonazione. I progettisti di bombe hanno escogitato due soluzioni, che tratteremo nella prossima sezione.
Prossimo, neutroni liberi devono essere introdotti nella massa supercritica per iniziare la fissione. I neutroni vengono introdotti facendo a generatore di neutroni . Questo generatore è un piccolo pellet di polonio e berillio, separato da un foglio all'interno del nucleo di combustibile fissile. In questo generatore:
Finalmente, il progetto deve consentire la fissione di quanto più materiale possibile prima che la bomba esploda. Ciò si ottiene confinando la reazione di fissione all'interno di un materiale denso chiamato a manomettere , che di solito è fatto di uranio-238. Il tamper viene riscaldato ed espanso dal nucleo di fissione. Questa espansione del tamper esercita una pressione sul nucleo di fissione e rallenta l'espansione del nucleo. Il tamper riflette anche i neutroni nel nucleo di fissione, aumentare l'efficienza della reazione di fissione.
Il modo più semplice per riunire le masse subcritiche è creare una pistola che spara una massa nell'altra. Si forma una sfera di U-235 attorno al generatore di neutroni e un piccolo proiettile di U-235 viene rimosso. Il proiettile è piazzato a un'estremità di un lungo tubo con dietro dell'esplosivo, mentre la sfera è posta all'altra estremità. Un sensore di pressione barometrica determina l'altitudine appropriata per la detonazione e attiva la seguente sequenza di eventi:
Ragazzino , la bomba sganciata su Hiroshima, era questo tipo di bomba e aveva una resa di 14,5 chilotoni (pari a 14, 500 tonnellate di TNT) con un rendimento di circa l'1,5 percento. Questo è, L'1,5% del materiale è stato fissione prima che l'esplosione portasse via il materiale.
Il secondo modo per creare una massa supercritica richiede la compressione delle masse subcritiche insieme in una sfera per implosione. Uomo grasso , la bomba sganciata su Nagasaki, era uno di questi cosiddetti bombe innescate dall'implosione . Non è stato facile da costruire. I primi progettisti di bombe hanno dovuto affrontare diversi problemi, in particolare come controllare e dirigere uniformemente l'onda d'urto attraverso la sfera. La loro soluzione era creare un dispositivo di implosione costituito da una sfera di U-235 che fungesse da manomissione e un nucleo di plutonio-239 circondato da esplosivi ad alto potenziale. Quando la bomba è stata fatta esplodere, aveva una resa di 23 chilotoni con un'efficienza del 17%. Questo è quello che è successo:
I progettisti sono stati in grado di migliorare il design di base innescato dall'implosione. Nel 1943, Il fisico americano Edward Teller ha inventato il concetto di potenziamento. potenziamento si riferisce a un processo mediante il quale le reazioni di fusione vengono utilizzate per creare neutroni, che vengono poi utilizzati per indurre reazioni di fissione a una velocità maggiore. Ci sono voluti altri otto anni prima che il primo test confermasse la validità del potenziamento, ma una volta arrivata la prova, è diventato un design popolare. Negli anni che seguirono, quasi il 90 percento delle bombe nucleari costruite in America utilizzava il design del boost.
Certo, le reazioni di fusione possono essere utilizzate come fonte primaria di energia in un'arma nucleare, pure. Nella sezione successiva, esamineremo il funzionamento interno delle bombe a fusione.
Le bombe a fissione hanno funzionato, ma non erano molto efficienti. Non ci è voluto molto agli scienziati per chiedersi se il processo nucleare opposto, la fusione, potesse funzionare meglio. La fusione si verifica quando i nuclei di due atomi si combinano per formare un singolo atomo più pesante. A temperature estremamente elevate, i nuclei degli isotopi di idrogeno deuterio e trizio possono fondersi facilmente, rilasciando enormi quantità di energia nel processo. Le armi che sfruttano questo processo sono conosciute come bombe a fusione , termonucleare bombe o bombe all'idrogeno . Le bombe a fusione hanno una resa in kilotoni più elevata e una maggiore efficienza rispetto alle bombe a fissione, ma presentano alcuni problemi che devono essere risolti:
Gli scienziati superano il primo problema utilizzando il deuterato di litio, un composto solido che non subisce decadimento radioattivo a temperatura normale, come principale materiale termonucleare. Per superare il problema del trizio, i progettisti di bombe si affidano a una reazione di fissione per produrre trizio dal litio. La reazione di fissione risolve anche il problema finale. La maggior parte delle radiazioni emesse in una reazione di fissione è raggi X , e questi raggi X forniscono le alte temperature e pressioni necessarie per iniziare la fusione. Così, una bomba a fusione ha un design a due stadi:un componente primario a fissione o fissione potenziata e un componente secondario a fusione.
Per capire questo progetto di bomba, immagina che all'interno di un involucro di bomba tu abbia una bomba a fissione ad implosione e un involucro di cilindro di uranio-238 (manomissione). All'interno del tamper c'è il deuteride di litio (carburante) e un'asta cava di plutonio-239 al centro del cilindro. A separare il cilindro dalla bomba a implosione c'è uno scudo di uranio-238 e schiuma di plastica che riempie gli spazi rimanenti nell'involucro della bomba. La detonazione della bomba provoca la seguente sequenza di eventi:
Tutti questi eventi accadono in circa 600 miliardesimi di secondo (550 miliardesimi di secondo per l'implosione della bomba a fissione, 50 miliardesimi di secondo per gli eventi di fusione). Il risultato è un'immensa esplosione con un 10, Resa di 000 chilotoni:700 volte più potente dell'esplosione di Little Boy.
Una bomba atomica del tipo "Little Boy" che è stata fatta esplodere su Hiroshima, Giappone MPI/Getty Images Una cosa è costruire una bomba nucleare. Un'altra cosa è consegnare l'arma al bersaglio designato e farla esplodere con successo. Ciò era particolarmente vero per le prime bombe costruite dagli scienziati alla fine della seconda guerra mondiale. Scrivendo in un numero del 1995 di Scientific American, Philip Morrison, un membro del Progetto Manhattan, ha detto questo sulle prime armi:"Tutte e tre le bombe del 1945 - la bomba di prova [Trinity] e le due bombe sganciate sul Giappone - erano più pezzi improvvisati di complesse attrezzature di laboratorio che armi affidabili".
La consegna di quelle bombe alla loro destinazione finale è stata improvvisata quasi quanto la loro progettazione e costruzione. La USS Indianapolis ha trasportato le parti e il combustibile all'uranio arricchito della bomba Little Boy nell'isola di Tinian nel Pacifico il 28 luglio, 1945. I componenti della bomba Fat Man, trasportato da tre B-29 modificati, arrivato il 2 agosto. Un team di 60 scienziati è volato da Los Alamos, N.M., a Tinian per assistere all'assemblea. La bomba Little Boy - del peso di 9, 700 libbre (4, 400 chilogrammi) e misura 10 piedi (3 metri) dal naso alla coda - era pronto per primo. Il 6 agosto una troupe ha caricato la bomba nell'Enola Gay, un B-29 pilotato dal colonnello Paul Tibbets. L'aereo ha percorso le 750 miglia (1, 200 chilometri) viaggio in Giappone e sganciò la bomba in aria sopra Hiroshima, dove è esploso esattamente alle 8:12 del 9 agosto, il quasi 11, 000 sterline (5, 000 chilogrammi) La bomba Fat Man ha fatto lo stesso viaggio a bordo del Bockscar, un secondo B-29 pilotato dal Mag. Charles Sweeney. Il suo carico mortale è esploso su Nagasaki poco prima di mezzogiorno.
Oggi, il metodo utilizzato in Giappone - bombe a gravità trasportate da aerei - rimane un modo praticabile per fornire armi nucleari. Ma nel corso degli anni, poiché le testate sono diminuite di dimensioni, altre opzioni sono diventate disponibili. Molti paesi hanno accumulato una serie di missili balistici e da crociera armati di dispositivi nucleari. Maggior parte missili balistici vengono lanciati da silos o sottomarini terrestri. Escono dall'atmosfera terrestre, percorrere migliaia di miglia verso i loro obiettivi e rientrare nell'atmosfera per schierare le loro armi. Missili da crociera hanno gittate più brevi e testate più piccole rispetto ai missili balistici, ma sono più difficili da rilevare e intercettare. Possono essere lanciati dall'aria, da lanciatori mobili a terra e da navi militari.
Armi nucleari tattiche , o TNWs , divenne popolare anche durante la Guerra Fredda. Progettato per colpire aree più piccole, I TNW includono missili a corto raggio, proiettili di artiglieria, mine terrestri e cariche di profondità. TNW portatili, come il fucile Davy Crockett, consentire a piccole squadre di uno o due uomini di sferrare un attacco nucleare.
Una fotografia mostra il primo test della bomba atomica il 16 luglio, 1945, alle 5:30, al Trinity Site nel New Mexico. Joe Raedle/Getty Images La detonazione di un'arma nucleare scatena una distruzione tremenda, ma le rovine conterrebbero prove microscopiche della provenienza dei materiali delle bombe. La detonazione di una bomba nucleare su un bersaglio come una città popolata provoca danni immensi. Il grado di danno dipende dalla distanza dal centro dell'esplosione della bomba, che si chiama ipocentro o Ground Zero . Più ti avvicini all'ipocentro, più grave è il danno. Il danno è causato da diverse cose:
All'ipocentro, tutto è subito vaporizzato dall'alta temperatura (fino a 500 milioni di gradi Fahrenheit o 300 milioni di gradi Celsius). All'esterno dell'ipocentro, la maggior parte delle vittime è causata da ustioni dovute al calore, lesioni da detriti volanti di edifici crollati dall'onda d'urto e esposizione acuta alle alte radiazioni. Oltre l'area dell'esplosione immediata, le vittime sono causate dal caldo, le radiazioni e gli incendi generati dall'ondata di calore. A lungo termine, la ricaduta radioattiva si verifica su un'area più ampia a causa dei venti prevalenti. Le particelle di ricaduta radioattiva entrano nella rete idrica e vengono inalate e ingerite da persone a distanza dall'esplosione.
Gli scienziati hanno studiato i sopravvissuti agli attentati di Hiroshima e Nagasaki per comprendere gli effetti a breve e lungo termine delle esplosioni nucleari sulla salute umana. Le radiazioni e la ricaduta radioattiva colpiscono quelle cellule del corpo che si dividono attivamente (capelli, intestino, midollo osseo, organi riproduttivi). Alcune delle condizioni di salute risultanti includono:
Queste condizioni spesso aumentano il rischio di leucemia, cancro, infertilità e difetti alla nascita.
Scienziati e medici stanno ancora studiando i sopravvissuti alle bombe sganciate sul Giappone e si aspettano che nel tempo compaiano ulteriori risultati.
Negli anni '80, gli scienziati hanno valutato i possibili effetti della guerra nucleare (molte bombe nucleari che esplodono in diverse parti del mondo) e hanno proposto la teoria che un inverno nucleare potrebbe verificarsi. Nello scenario nucleare-inverno, l'esplosione di molte bombe solleverebbe grandi nuvole di polvere e materiale radioattivo che viaggerebbero in alto nell'atmosfera terrestre. Queste nuvole bloccherebbero la luce del sole. Il ridotto livello di luce solare abbasserebbe la temperatura superficiale del pianeta e ridurrebbe la fotosintesi da parte di piante e batteri. La riduzione della fotosintesi interromperebbe la catena alimentare, causando l'estinzione di massa della vita (compresi gli esseri umani). Questo scenario è simile all'ipotesi dell'asteroide che è stata proposta per spiegare l'estinzione dei dinosauri. I fautori dello scenario dell'inverno nucleare hanno indicato le nuvole di polvere e detriti che hanno viaggiato lungo il pianeta dopo le eruzioni vulcaniche del Monte St. Helens negli Stati Uniti e del Monte Pinatubo nelle Filippine.
Le armi nucleari hanno incredibili, potere distruttivo a lungo termine che va ben oltre il bersaglio originale. Questo è il motivo per cui i governi del mondo stanno cercando di controllare la diffusione della tecnologia e dei materiali per la fabbricazione di bombe nucleari e di ridurre l'arsenale di armi nucleari schierate durante la Guerra Fredda. È anche il motivo per cui i test nucleari condotti dalla Corea del Nord e da altri paesi ottengono una risposta così forte dalla comunità internazionale. Gli attentati di Hiroshima e Nagasaki potrebbero essere passati molti decenni, ma le orribili immagini di quella fatidica mattina d'agosto ardono chiare e luminose come sempre.
