Le Mémorial de la paix d'Hiroshima rappelle visiblement le jour où la ville japonaise a été bombardée le 6 août 1945. Après ce jour fatidique, la structure était la seule chose encore debout à proximité de l'explosion. Steve Allen/Getty Images La première bombe nucléaire destinée à tuer des humains a explosé au-dessus d'Hiroshima, Japon, le 6 août, 1945. Trois jours plus tard, une deuxième bombe a explosé au-dessus de Nagasaki. La mort et la destruction causées par ces armes étaient sans précédent et auraient pu, dans un autre monde avec une autre race d'êtres, mis fin à la menace nucléaire sur-le-champ.
Mais les événements au Japon, bien qu'ils aient mis un terme à la Seconde Guerre mondiale, a marqué le début de la guerre froide entre les États-Unis et l'Union soviétique. Entre 1945 et la fin des années 1980, les deux parties ont investi d'énormes sommes d'argent dans les armes nucléaires et ont considérablement augmenté leurs stocks, principalement comme moyen de dissuader les conflits. La menace de destruction catastrophique de La Bombe planait sur tout le monde et tout. Les écoles ont mené des exercices de raid aérien nucléaire. Les gouvernements ont construit des abris antiatomique. Les propriétaires ont creusé des bunkers dans leurs arrière-cours.
Au cours des années 1970 et 1980, les tensions ont commencé à s'apaiser quelque peu. Puis le mur de Berlin est tombé en 1989, suivi de l'effondrement du gouvernement soviétique lui-même deux ans plus tard. La guerre froide a officiellement pris fin. Alors que les relations entre les deux pays s'amélioraient, un engagement à limiter les arsenaux nucléaires a émergé. Une série de traités a suivi, la dernière entrée en vigueur en février 2011. Comme ses prédécesseurs, le nouveau Traité sur la réduction des armes stratégiques (START) vise à réduire et à limiter davantage les armes stratégiques. Entre autres mesures, il appelle une limite globale de 1, 550 ogives [source :la Maison Blanche].
Malheureusement, alors même que la Russie et les États-Unis s'éloignent timidement du bord du gouffre, la menace d'une guerre nucléaire demeure. Neuf pays peuvent désormais livrer des ogives nucléaires sur des missiles balistiques [source :Fischetti]. Au moins trois de ces pays - les États-Unis, La Russie et la Chine - pourraient frapper n'importe quelle cible n'importe où dans le monde. Les armes d'aujourd'hui pourraient facilement rivaliser avec la puissance destructrice des bombes larguées sur le Japon. En 2009, La Corée du Nord a testé avec succès une arme nucléaire aussi puissante que la bombe atomique qui a détruit Hiroshima. L'explosion souterraine était si importante qu'elle a créé un tremblement de terre d'une magnitude de 4,5 [source :McCurry].
Alors que le paysage politique de la guerre nucléaire a considérablement changé au fil des ans, la science de l'arme elle-même - les processus atomiques qui déchaînent toute cette fureur - sont connus depuis Einstein. Cet article passera en revue le fonctionnement des bombes nucléaires, y compris la façon dont ils sont construits et déployés. Le premier est un examen rapide de la structure atomique et de la radioactivité.
Contenu
Un atome, dans le modèle le plus simple, se compose d'un noyau et d'électrons en orbite. Avant d'arriver aux bombes, nous devons commencer petit, atomiquement petit. Un atome , tu t'en souviendras, est composé de trois particules subatomiques -- protons , neutrons et électrons . Le centre d'un atome, appelé le noyau , est composé de protons et de neutrons. Les protons sont chargés positivement, les neutrons n'ont aucune charge et les électrons sont chargés négativement. Le rapport proton-électron est toujours de un pour un, donc l'atome dans son ensemble a une charge neutre. Par exemple, un atome de carbone a six protons et six électrons.
Ce n'est pas si simple cependant. Les propriétés d'un atome peuvent changer considérablement en fonction du nombre de particules qu'il contient. Si vous modifiez le nombre de protons, vous vous retrouvez avec un élément complètement différent. Si vous modifiez le nombre de neutrons dans un atome, vous vous retrouvez avec un isotope . Par exemple, le carbone a trois isotopes :1) le carbone-12 (six protons + six neutrons), une forme stable et courante de l'élément, 2) carbone-13 (six protons + sept neutrons), qui est stable mais rare et 3) carbone-14 (six protons + huit neutrons), ce qui est rare et instable (ou radioactif) de surcroît.
Comme on le voit avec le carbone, la plupart des noyaux atomiques sont stables, mais quelques-uns ne sont pas stables du tout. Ces noyaux émettent spontanément des particules que les scientifiques appellent radiation . Un noyau qui émet un rayonnement est, bien sûr, radioactif , et l'acte d'émettre des particules est connu comme désintégration radioactive . Si vous êtes particulièrement curieux de la désintégration radioactive, vous aurez envie de parcourir Comment fonctionne le rayonnement nucléaire. Pour l'instant, nous allons passer en revue les trois types de désintégration radioactive :
N'oubliez pas cette partie de la fission en particulier. Cela va continuer à revenir alors que nous discutons du fonctionnement interne des bombes nucléaires.
Les bombes nucléaires impliquent les forces, fort et faible, qui maintiennent le noyau d'un atome ensemble, en particulier les atomes avec des noyaux instables. Il existe deux manières fondamentales de libérer de l'énergie nucléaire à partir d'un atome. Dans fission nucléaire (photo), les scientifiques ont divisé le noyau d'un atome en deux fragments plus petits avec un neutron. La fusion nucléaire -- le processus par lequel le soleil produit de l'énergie -- consiste à réunir deux atomes plus petits pour en former un plus gros. Dans l'un ou l'autre processus, fission ou fusion, de grandes quantités d'énergie thermique et de rayonnement sont émises.
On peut attribuer la découverte de la fission nucléaire aux travaux du physicien italien Enrico Fermi. Dans les années 1930, Fermi a démontré que les éléments soumis au bombardement neutronique pouvaient être transformés en éléments nouveaux. Ces travaux ont abouti à la découverte de neutrons lents, ainsi que de nouveaux éléments non représentés dans le tableau périodique. Peu de temps après la découverte de Fermi, Les scientifiques allemands Otto Hahn et Fritz Strassman ont bombardé l'uranium avec des neutrons, qui a produit un isotope radioactif du baryum. Ils ont conclu que les neutrons à basse vitesse ont provoqué la fission du noyau d'uranium, ou se séparer, en deux morceaux plus petits.
Leurs travaux ont suscité une intense activité dans les laboratoires de recherche du monde entier. À l'Université de Princeton, Niels Bohr a travaillé avec John Wheeler pour développer un modèle hypothétique du processus de fission. Ils ont supposé qu'il s'agissait de l'isotope de l'uranium uranium-235, pas de l'uranium-238, en cours de fission. A peu près au même moment, d'autres scientifiques ont découvert que le processus de fission produisait encore plus de neutrons. Cela a conduit Bohr et Wheeler à poser une question capitale :les neutrons libres créés lors de la fission pourraient-ils déclencher une réaction en chaîne qui libérerait une énorme quantité d'énergie ? Si c'est le cas, il serait peut-être possible de construire une arme d'une puissance insoupçonnée.
Et c'était.
Les fonctionnaires du projet Manhattan, le nom de code du plan américain de développement d'armes atomiques, inspecter le site de la détonation de l'essai de la bombe atomique Trinity. C'est le Dr Robert J. Oppenheimer au chapeau blanc. Laboratoire national de Los Alamos/Time Life Pictures/Getty Images En mars 1940, une équipe de scientifiques travaillant à l'Université Columbia à New York a confirmé l'hypothèse avancée par Bohr et Wheeler - l'isotope uranium-235 , ou U-235 , était responsable de la fission nucléaire. L'équipe de Columbia a tenté d'initier une réaction en chaîne en utilisant l'U-235 à l'automne 1941, mais a échoué. Tous les travaux ont ensuite été transférés à l'Université de Chicago, où, sur un court de squash situé sous le Stagg Field de l'université, Enrico Fermi a finalement réalisé la première réaction nucléaire en chaîne contrôlée au monde. Développement d'une bombe nucléaire, en utilisant l'U-235 comme carburant, procédé rapidement.
En raison de son importance dans la conception d'une bombe nucléaire, regardons U-235 de plus près. L'U-235 est l'un des rares matériaux pouvant subir fission induite . Au lieu d'attendre plus de 700 millions d'années que l'uranium se désintègre naturellement, l'élément peut être décomposé beaucoup plus rapidement si un neutron pénètre dans son noyau. Le noyau va absorber le neutron sans hésiter, deviennent instables et se séparent immédiatement.
Dès que le noyau capture le neutron, il se divise en deux atomes plus légers et rejette deux ou trois nouveaux neutrons (le nombre de neutrons éjectés dépend de la façon dont l'atome d'U-235 se divise). Les deux atomes plus légers émettent alors un rayonnement gamma lorsqu'ils s'installent dans leurs nouveaux états. Il y a quelques choses à propos de ce processus de fission induite qui le rendent intéressant :
En 1941, des scientifiques de l'Université de Californie à Berkeley ont découvert un autre élément - l'élément 94 - qui pourrait offrir un potentiel comme combustible nucléaire. Ils ont nommé l'élément plutonium , et au cours de l'année suivante, ils en ont fait assez pour les expériences. Finalement, ils ont établi les caractéristiques de fission du plutonium et identifié un deuxième combustible possible pour les armes nucléaires.
Si vous pensez à la masse critique en termes de billes, la formation serrée de billes représente la masse critique et les trois billes isolées remplacent les neutrons. iStockphoto/Thinkstock Dans une bombe à fission, le carburant doit être conservé à part sous-critique masses, qui ne supportera pas la fission, pour éviter une détonation prématurée. Masse critique est la masse minimale de matière fissile requise pour entretenir une réaction de fission nucléaire. Pensez à nouveau à l'analogie avec le marbre. Si le cercle de billes est trop éloigné l'un de l'autre - masse sous-critique - une réaction en chaîne plus petite se produira lorsque la "bille à neutrons" touchera le centre. Si les billes sont placées plus près les unes des autres dans le cercle - masse critique - il y a plus de chances qu'une grande réaction en chaîne se produise.
Conserver le combustible dans des masses sous-critiques séparées entraîne des problèmes de conception qui doivent être résolus pour qu'une bombe à fission fonctionne correctement. Le premier défi, bien sûr, rassemble les masses sous-critiques pour former un supercritique Masse, qui fournira plus qu'assez de neutrons pour entretenir une réaction de fission au moment de la détonation. Les concepteurs de bombes ont proposé deux solutions, que nous aborderons dans la section suivante.
Prochain, des neutrons libres doivent être introduits dans la masse supercritique pour déclencher la fission. Les neutrons sont introduits en faisant un générateur de neutrons . Ce générateur est une petite pastille de polonium et de béryllium, séparés par une feuille à l'intérieur du cœur du combustible fissile. Dans ce générateur :
Finalement, la conception doit permettre la fission de la plus grande partie possible du matériau avant que la bombe n'explose. Ceci est accompli en confinant la réaction de fission dans un matériau dense appelé un altérer , qui est généralement fait d'uranium-238. Le bourroir est chauffé et dilaté par le noyau de fission. Cette expansion du bourreur exerce une pression en retour sur le noyau de fission et ralentit l'expansion du noyau. Le sabotage réfléchit également les neutrons dans le noyau de fission, augmenter l'efficacité de la réaction de fission.
Le moyen le plus simple de rassembler les masses sous-critiques est de fabriquer un pistolet qui tire d'une masse sur l'autre. Une sphère d'U-235 est formée autour du générateur de neutrons et une petite balle de U-235 est supprimé. La balle est placée à une extrémité d'un long tube avec des explosifs derrière elle, tandis que la sphère est placée à l'autre extrémité. Un capteur de pression barométrique détermine l'altitude appropriée pour la détonation et déclenche la séquence d'événements suivante :
Petit garçon , la bombe larguée sur Hiroshima, était ce type de bombe et avait un rendement de 14,5 kilotonnes (égal à 14, 500 tonnes de TNT) avec un rendement d'environ 1,5 %. C'est-à-dire, 1,5 pour cent de la matière a été fissurée avant que l'explosion ne l'emporte.
La deuxième façon de créer une masse supercritique nécessite de comprimer les masses sous-critiques ensemble dans une sphère par implosion. Homme gros , la bombe larguée sur Nagasaki, était l'un de ces soi-disant bombes à implosion . Ce n'était pas facile à construire. Les premiers concepteurs de bombes ont été confrontés à plusieurs problèmes, en particulier comment contrôler et diriger l'onde de choc uniformément à travers la sphère. Leur solution consistait à créer un dispositif d'implosion composé d'une sphère d'U-235 servant de sabotage et d'un noyau de plutonium-239 entouré d'explosifs puissants. Quand la bombe a explosé, il avait un rendement de 23 kilotonnes avec une efficacité de 17 pour cent. C'est ce qui s'est passé:
Les concepteurs ont pu améliorer la conception de base déclenchée par implosion. En 1943, Le physicien américain Edward Teller a inventé le concept de boosting. Booster fait référence à un processus par lequel des réactions de fusion sont utilisées pour créer des neutrons, qui sont ensuite utilisés pour induire des réactions de fission à un taux plus élevé. Il a fallu encore huit ans avant que le premier test ne confirme la validité du boosting, mais une fois la preuve venue, c'est devenu une conception populaire. Dans les années qui suivirent, près de 90 pour cent des bombes nucléaires construites en Amérique utilisaient la conception boost.
Bien sûr, les réactions de fusion peuvent être utilisées comme source principale d'énergie dans une arme nucléaire, trop. Dans la section suivante, nous examinerons le fonctionnement interne des bombes à fusion.
Les bombes à fission ont fonctionné, mais ils n'étaient pas très efficaces. Il n'a pas fallu longtemps aux scientifiques pour se demander si le processus nucléaire opposé - la fusion - pourrait mieux fonctionner. La fusion se produit lorsque les noyaux de deux atomes se combinent pour former un seul atome plus lourd. A des températures extrêmement élevées, les noyaux des isotopes d'hydrogène deutérium et tritium peuvent facilement fusionner, libérant d'énormes quantités d'énergie dans le processus. Les armes qui profitent de ce processus sont appelées bombes à fusion , thermonucléaire bombes ou bombes à hydrogène . Les bombes à fusion ont des rendements en kilotonnes plus élevés et une plus grande efficacité que les bombes à fission, mais ils présentent quelques problèmes qui doivent être résolus :
Les scientifiques surmontent le premier problème en utilisant du deutérate de lithium, un composé solide qui ne subit pas de désintégration radioactive à température normale, comme principal matériau thermonucléaire. Pour surmonter le problème du tritium, les concepteurs de bombes s'appuient sur une réaction de fission pour produire du tritium à partir du lithium. La réaction de fission résout également le problème final. La majorité du rayonnement émis lors d'une réaction de fission est rayons X , et ces rayons X fournissent les températures et les pressions élevées nécessaires pour initier la fusion. Donc, une bombe à fusion a une conception en deux étapes - un composant de fission primaire ou de fission renforcée et un composant de fusion secondaire.
Pour comprendre cette conception de bombe, imaginez qu'à l'intérieur d'une enveloppe de bombe vous ayez une bombe à fission à implosion et une enveloppe cylindrique d'uranium-238 (falsification). Dans le bourreur se trouve le deutérure de lithium (combustible) et une tige creuse de plutonium-239 au centre du cylindre. Séparant le cylindre de la bombe à implosion est un bouclier d'uranium-238 et de mousse plastique qui remplit les espaces restants dans le boîtier de la bombe. La détonation de la bombe provoque la séquence d'événements suivante :
Tous ces événements se produisent en environ 600 milliardièmes de seconde (550 milliardièmes de seconde pour l'implosion de la bombe à fission, 50 milliardièmes de seconde pour les événements de fusion). Le résultat est une immense explosion avec un 10, Rendement de 000 kilotonnes - 700 fois plus puissant que l'explosion de Little Boy.
Une bombe atomique du type « Little Boy » qui a explosé au-dessus d'Hiroshima Japon MPI/Getty Images C'est une chose de construire une bombe nucléaire. C'en est une autre de livrer l'arme à sa cible et de la faire exploser avec succès. Cela était particulièrement vrai des premières bombes construites par les scientifiques à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Écrivant dans un numéro de 1995 de Scientific American, Philippe Morrison, membre du Projet Manhattan, a dit ceci à propos des premières armes :« Les trois bombes de 1945 - la bombe d'essai [Trinity] et les deux bombes larguées sur le Japon - étaient plus des pièces d'équipement de laboratoire complexes improvisées qu'elles n'étaient des armes fiables.
La livraison de ces bombes à leur destination finale était presque autant improvisée que leur conception et leur construction. L'USS Indianapolis a transporté les pièces et le combustible à l'uranium enrichi de la bombe Little Boy vers l'île Pacifique de Tinian le 28 juillet 1945. Les composants de la bombe Fat Man, porté par trois B-29 modifiés, est arrivé le 2 août. Une équipe de 60 scientifiques a volé de Los Alamos, N.M., à Tinian pour aider à l'assemblage. La bombe Little Boy -- pesant 9 700 livres (4, 400 kilogrammes) et mesurant 10 pieds (3 mètres) du nez à la queue - était prêt en premier. Le 6 août, un équipage a chargé la bombe dans l'Enola Gay, un B-29 piloté par le colonel Paul Tibbets. L'avion a parcouru les 750 milles (1, 200 kilomètres) voyage au Japon et larguer la bombe dans les airs au-dessus d'Hiroshima, où il a explosé à exactement 8h12 le 9 août, les presque 11, 000 livres (5, 000 kilogrammes) La bombe Fat Man a fait le même voyage à bord du Bockscar, un second B-29 piloté par le major Charles Sweeney. Sa charge utile mortelle a explosé au-dessus de Nagasaki juste avant midi.
Aujourd'hui, la méthode utilisée au Japon - les bombes à gravité transportées par avion - reste un moyen viable de livrer des armes nucléaires. Mais au fil des années, comme les ogives ont diminué en taille, d'autres options sont devenues disponibles. De nombreux pays ont stocké un certain nombre de missiles balistiques et de croisière armés de dispositifs nucléaires. Plus missiles balistiques sont lancés à partir de silos terrestres ou de sous-marins. Ils sortent de l'atmosphère terrestre, parcourir des milliers de kilomètres jusqu'à leurs cibles et rentrer dans l'atmosphère pour déployer leurs armes. Missiles de croisière ont des portées plus courtes et des ogives plus petites que les missiles balistiques, mais ils sont plus difficiles à détecter et à intercepter. Ils peuvent être lancés depuis les airs, des lanceurs mobiles au sol et des navires de guerre.
Armes nucléaires tactiques , ou TNW , est également devenu populaire pendant la guerre froide. Conçu pour cibler des zones plus petites, Les TNW comprennent des missiles à courte portée, obus d'artillerie, mines terrestres et grenades sous-marines. TNW portables, comme le fusil Davy Crockett, permettre à de petites équipes d'un ou de deux hommes de lancer une frappe nucléaire.
Une photographie montre le premier essai de bombe atomique le 16 juillet, 1945, à 5h30, sur le site de Trinity au Nouveau-Mexique. Joe Raedle/Getty Images La détonation d'une arme nucléaire provoque d'énormes destructions, mais les ruines contiendraient des preuves microscopiques de l'origine des matériaux des bombes. L'explosion d'une bombe nucléaire au-dessus d'une cible telle qu'une ville peuplée cause d'immenses dégâts. Le degré de dégâts dépend de la distance du centre de l'explosion de la bombe, qui s'appelle le hypocentre ou point zéro . Plus vous êtes proche de l'hypocentre, plus les dégâts sont importants. Les dégâts sont causés par plusieurs choses :
A l'hypocentre, tout est immédiatement vaporisé par la température élevée (jusqu'à 500 millions de degrés Fahrenheit ou 300 millions de degrés Celsius). En dehors de l'hypocentre, la plupart des victimes sont causées par des brûlures dues à la chaleur, les blessures causées par les débris volants des bâtiments effondrés par l'onde de choc et l'exposition aiguë au rayonnement élevé. Au-delà de la zone d'explosion immédiate, les victimes sont causées par la chaleur, le rayonnement et les incendies engendrés par la canicule. À long terme, les retombées radioactives se produisent sur une zone plus large en raison des vents dominants. Les particules radioactives des retombées pénètrent dans l'approvisionnement en eau et sont inhalées et ingérées par des personnes éloignées de l'explosion.
Les scientifiques ont étudié les survivants des bombardements d'Hiroshima et de Nagasaki pour comprendre les effets à court et à long terme des explosions nucléaires sur la santé humaine. Les radiations et les retombées radioactives affectent les cellules du corps qui se divisent activement (cheveux, intestin, moelle, organes reproducteurs). Certains des problèmes de santé qui en résultent comprennent :
Ces conditions augmentent souvent le risque de leucémie, cancer, infertilité et malformations congénitales.
Les scientifiques et les médecins étudient toujours les survivants des bombes larguées sur le Japon et s'attendent à ce que d'autres résultats apparaissent au fil du temps.
Dans les années 1980, les scientifiques ont évalué les effets possibles de la guerre nucléaire (de nombreuses bombes nucléaires explosant dans différentes parties du monde) et ont proposé la théorie selon laquelle un Hiver nucléaire Pourrait se produire. Dans le scénario d'hiver nucléaire, l'explosion de nombreuses bombes soulèverait de grands nuages de poussière et de matières radioactives qui se rendraient haut dans l'atmosphère terrestre. Ces nuages bloqueraient la lumière du soleil. Le niveau réduit d'ensoleillement abaisserait la température de surface de la planète et réduirait la photosynthèse des plantes et des bactéries. La diminution de la photosynthèse perturberait la chaîne alimentaire, provoquant une extinction massive de la vie (y compris les humains). Ce scénario est similaire à l'hypothèse de l'astéroïde qui a été proposée pour expliquer l'extinction des dinosaures. Les partisans du scénario d'hiver nucléaire ont pointé du doigt les nuages de poussière et de débris qui ont parcouru toute la planète après les éruptions volcaniques du mont St. Helens aux États-Unis et du mont Pinatubo aux Philippines.
Les armes nucléaires ont des propriétés incroyables, puissance destructrice à long terme qui se déplace bien au-delà de la cible d'origine. C'est pourquoi les gouvernements du monde essaient de contrôler la propagation de la technologie et des matériaux de fabrication de bombes nucléaires et de réduire l'arsenal d'armes nucléaires déployées pendant la guerre froide. C'est aussi pourquoi les essais nucléaires menés par la Corée du Nord et d'autres pays suscitent une réaction si forte de la communauté internationale. Les attentats d'Hiroshima et de Nagasaki datent peut-être de plusieurs décennies, mais les images horribles de ce fatidique matin d'août brûlent toujours aussi claires et lumineuses.
