小男孩原子弹

小男孩（）是一颗原子弹，它于1945年8月6日投放在日本广岛市，成为第二次世界大战期间人类首次使用核武器的事件。该原子弹由B-29超级堡垒轰炸机「艾诺拉·盖」运载，机上由第509混合飞行大队的指挥官保罗·蒂贝茨上校和机长上尉驾驶。这颗原子弹的爆炸能量约相当于15千吨爆炸当量（63 TJ），造成广泛的伤亡和广岛市区毁灭性的破坏。成为人类历史上第二次人造核爆炸，仅次于三位一体核试验。
小男孩原子弹是由曼哈顿计划的洛斯阿拉莫斯实验室于第二次世界大战期间由中校领导的小组开发，这是他们对瘦子原子弹的改进版本。和瘦子一样，小男孩是一种枪式裂变武器，但其爆炸能力来自于铀-235的核裂变，而瘦子则基于钚-239的裂变。透过使用硝酸纤维素火药驱动，将一个空心圆筒（子弹）射击到一个相同材料的实心圆筒（目标）上，造成整块超临界质量的铀，引发核裂变。该原子弹含有64公斤（141磅）高度浓缩铀，但仅不到一公斤的铀进行核裂变。其组件在三个不同的工厂制造，以确保没有任何一家拥有完整的设计复制品。与需要精密协调成型爆炸装药的内爆设计不同，枪式设计被认为几乎可以确保有效，因此于首次在广岛使用之前并未经过测试。
战争结束后，人们原本不认为效率低下的小男孩会再次使用，因此许多计划和图纸被摧毁。然而到了1946年中期，汉福德区开始受到维格纳效应（由中子辐射引起的固体原子的位错）的严重影响，使得钸变得稀缺。为了解决这个问题，生产了六个小男孩装置。1947年，为P-2海王星巡逻机部署另外25个小男孩装置，这些飞机可以从中途岛级航空母舰上起飞。所有的小男孩装置在1951年1月底之前全部退役。
命名.
在第二次世界大战期间，物理学家罗伯特·瑟伯尔根据两种原子弹的外形，分别取名为「瘦子」（Thin Man）和「胖子」（Fat Man）。其中「瘦子」是一个又长又瘦的装置，它的名称来自达许·汉密特的侦探小说《》和1934年上映的，而「胖子」是一个又圆又胖的装置，得名自汉密特在1930年小说《马耳他之鹰》中登场的角色卡斯帕·古特曼（Kasper Gutman），该角色在1941年的电影版本中由悉尼·格林斯特里特饰演。而「小男孩」之名则由他人所取，是暗指「瘦子」，因为它是根据其设计来命名的。
开发.
由于得知铀-235可以发生裂变，因此它成为原子弹开发的首要材料。作为第一种成功开发并在战争中使用的原子弹设计，通常这被称为马克I（Mark I）。其中大部分的工作均涉及对铀进行同位素分离，以获得武器所需的铀-235，因为天然铀中只有140份之1是铀-235。浓缩工作则在田纳西州橡树岭的电磁分离厂，即Y-12国家安全大楼进行，最后于1944年3月完全投入营运。第一批高度浓缩的铀则于该年6月运送到洛斯阿拉莫斯实验室。
制造原子弹所需的大部分铀，则来自比属刚果的，这得益于的CEO的深谋远虑。他在1940年将约1,200短吨（1,100吨）的铀矿运往纽约的史泰登岛仓库保存。在1944年和1945年期间，至少有一部分1,200短吨的和氧化铀在阿尔索斯任务中送往橡树岭进行浓缩。此外，在1945年德国投降后，试图向大日本帝国运送氧化铀和武器技术的上的1,232磅（559公斤）氧化铀，在被捕获后也被送至橡树岭浓缩。
小男孩是先前的枪式分裂核武器「瘦子」（Thin Man）的简化版本。原本「瘦子」的长度是17英尺（约5.2公尺），并且设计用于使用钸，因此同样适用于使用浓缩铀。然而，在洛斯阿拉莫斯的埃米利奥·塞格雷和他的P-5小组对奥克里奇和汉福德核反应堆产生的新型钸进行实验后，发现其中含有同位素钸-240形式的杂质，因此放弃「瘦子」的设计。相较于回旋加速器产生的钸，钸-240具有更高的自发裂变率和辐射活性，而这些原始测量结果显示它被包含在反应堆培育的钸中（制造原子弹所需的大量钸），而这似乎是不可避免的。这意味著钸的背景裂变率非常高，在形成临界质量的初期，钸很有可能会提前引爆并自行。
1944年7月，洛斯阿拉莫斯的几乎所有研究都转向内爆型钸武器的开发。铀枪式武器的整体责任归给了上尉的军械（O）部门。所有设计、开发和技术工作由的小组统筹。相较于钸内爆型核武器和钸枪式裂变武器，铀枪式武器的设计更直截了当，甚至可以说是简单的。这个概念的追求是为了万一开发钸弹失败，仍然可以使用枪式原理。因此，枪式设计之后只需使用浓缩铀，这使得「瘦子」设计大大简化。不再需要高速炮，可以用更简单的武器代替。简化后的武器长度足够短，可以轻易放入B-29轰炸机的炸弹舱中。
设计规格于1945年2月完成，并在签订了建造各部件的合约后使用了三个不同的工厂进行制造，以确保没有任何一家拥有完整的设计复制品。炮和炮膛由华盛顿哥伦比亚特区的华盛顿海军工厂制造，目标外壳和其他一些部件由的海军军械厂制造，尾部罩和安装支架由底特律的专家工具和模具公司制造。炸弹（除了铀载荷）在1945年5月初已经准备好。曼哈顿区工程师肯尼斯·尼科尔斯预计在1945年5月1日之前将拥有足够浓缩铀：「在8月1日之前制造一枚武器，并在12月份某个时候制造第二枚」，假设第二枚武器将是枪式；也曾考虑过为浓缩铀设计一枚内爆弹，以增加生产速度。浓缩铀弹头于6月15日完成，目标于7月24日完成。目标和炸弹部件（部分组装的炸弹，但未装填裂变材料）于7月16日从加利福尼亚州启程，经由印第安纳波利斯号重型巡洋舰于7月26日抵达。目标插件则于7月30日通过航空运送。
尽管所有部件都经过了测试，但在小男孩投放广岛之前，并未对枪式核武器进行实际试验。关于核武器概念的唯一核试验是使用钸作为裂变材料的内爆型装置，在1945年7月16日的三位一体核试验中进行。没有对类似小男孩的装置进行测试有几个原因。首先，相较于预期可以由汉福德核反应堆生产的相对较大量的钸，浓缩铀很少。此外，这种武器设计如此简单，只需对枪式组件进行实验室测试即可。与内爆设计不同，内爆设计需要对成型炸药进行复杂的协调，而枪式设计几乎可以确保有效。
尽管「小男孩」装置中包含了各种安全机制，但意外引爆仍然是可能的。举例来说，若携带此装置的轰炸机发生坠毁，「瘦子」状的中空子弹可能会撞入「目标」圆筒，引爆炸弹或至少释放大量辐射。然而，测试显示这需要极不可能的500倍重力的碰撞力 。另一个担忧是坠毁和火灾可能会引发炸药。若装置沉入水中，铀组件会受到中子减速剂效应，这并不会引起爆炸，但会释放放射性污染。因此，飞行员被建议在发生坠毁时选择降落在陆地上而非海上。
设计.
小男孩长，直径，重约。这个设计采用枪式方法，通过将一个中空的亚临界浓缩铀块和一个固体的目标圆筒强行压在一起，形成一个超临界质量，引发核连锁反应。
这是透过四个装填黑索爆药粉末的圆柱形丝袋实现的，则将一块铀块射击到另一块铀上。其中黑索是一种广泛使用的无烟推进剂，由65％硝化纤维素、30％硝化甘油、3％石蜡和2％氨基甲酸酯混合物制成，并挤成管状颗粒。这使其表面积大且燃烧速度快，能够产生高达每平方英寸的压力。
战时的「小男孩」使用的黑索来自加拿大；战后的版本则来自。炸弹内含有64公斤（约141磅）的浓缩铀。其中大部分的铀经过89％的浓缩，但部分只有50％的铀-235，平均浓缩度为80％。在核裂变过程中，不到一公斤的铀中只有）被转化为几种形式的能量，主要包括动能、热能和辐射。
装配细节.
武器内部的铀-235材料按照枪式原理被分为两个部分：「弹头」和「目标」。弹头是一个中空圆柱体，占总质量的60%（约38.5公斤或85磅）。它由九个铀环组成，每个环的直径为6.25英寸（约159毫米），中心有4英寸（约100毫米）孔径，总长度为7英寸（约180毫米），被压紧放置在一个薄壁弹头的前端，该弹头长16.25英寸（约413毫米）。填补弹头内这些环后方的空间的是一个碳化钨物圆盘，带有钢背板。当弹头点火时，它沿著长72英寸（约1,800毫米），宽6.5英寸（约170毫米）的光滑膛炮管被推进42英寸（约1,100毫米）。弹芯「插入物」是一个4英寸的圆柱体，长7英寸，带有1英寸（约25毫米）的轴向孔。插入物占总裂变质量的40％（约25.6公斤或56磅）。插入物是由六个厚于弹头环的洗衣机状铀圆盘组成，这些圆盘滑过一根直径1英寸的棒子。然后，这根棒子通过钨碳化物垫塞、吸收冲击的铁砧、以及鼻塞止垫等部件向前伸出，最终突出弹壳前端。整个目标组件的两端都用锁紧螺母固定。
当中空前端的弹头抵达目标并滑过目标插入物时，铀的超临界质量将完全被钨碳化物和钢的减压器和中子反射器所包围，这两种材料的总质量为。。组件内部的会因弹头撞击目标而被激活。
反直觉系统.
在1945年之后的前五十年里，所有关于「小男孩」机制的出版描述和图纸都预设一个小型实心弹头射入一个更大的固定目标中心。然而考虑重要的质量，使得在「小男孩」中，更广泛的中空部分应该是在弹头部分。装配的裂变核心则包含超过两个铀-235的临界质量。这要求两个部分中的一个拥有超过临界质量，而较大的部分通过形状和与中子反射的钨碳化物减压器的最小接触，在组装之前避免临界。
较大部分的中心有一个孔，使质量分散并增加表面积，从而允许更多裂变中子逃逸，防止预期之外的连锁反应。但是，为了使这个更大的中空部分与减压器接触最少，它必须是弹头，因为只有弹头的后端在爆炸之前与减压器接触。其余的钨碳化物包围著亚临界质量的目标圆筒（设计师称之为「插入物」），两者之间有一个气隙。这种排列方式使最大量的裂变材料可以载入枪式组装设计之中。
引信系统.
引信系统的设计旨在在最具破坏性的高度引爆，根据计算，这个高度是。它采用了三级互锁系统：
排练.
小男孩的预组装元件分别被编号为L-1、L-2、L-3、L-4、L-5、L-6、L-7和L-11。其中，L-1、L-2、L-5和L-6被用于测试投放。第一次投放测试使用L-1，于1945年7月23日在天宁岛附近海域进行，目的是通过后来被称为「大臭」的B-29轰炸机测试雷达高度计，该飞机由第509混合飞行大队的指挥官上校保罗·W·蒂贝茨驾驶。
之后的两次海上测试分别于7月24日和25日进行，使用L-2和L-5装置以测试所有元件。蒂贝茨也是这两次任务的飞行员，但这次使用的轰炸机是随后被称为「」的一架B-29轰炸机。L-6在7月29日用作彩排，轰炸机使用「」，由查尔斯·W·斯威尼少校驾驶，飞往硫磺岛，并进行装载炸弹到待命飞机的紧急程序练习。这次排演后来在7月31日重复进行，但这次L-6被重新装载到一架不同的B-29轰炸机，艾诺拉·盖，由蒂贝茨驾驶，并在天宁岛附近进行炸弹测试投放。
至于L-11，则是用于广岛的原子弹装置编号。
广岛引爆.
艾诺拉·盖号轰炸机的武器专家帕森斯，曾对于飞机在起飞时坠毁导致「小男孩」意外引爆的可能性感到担忧，因此他决定在飞行中才将四个火药袋装入枪膛。起飞后，帕森斯和他的助手第二中尉莫里斯·杰普森沿著左侧的狭窄人行道进入炸弹舱。杰普森拿著手电筒，帕森斯则断开了引信线取下了枪膛盖，并插入了火药袋，重新安装了枪膛盖，重新连接了引信线。在接近目标时攀升高度之前，杰普森将内部电池和引爆机构之间的三个安全插头，从绿色换成红色，这样炸弹就完全武装了起来。杰普森则监控著炸弹的电路。
1945年8月6日，炸弹在日本标准时间08时15分左右投下。下落了44.4秒后，时间和气压触发器启动了引爆机构。爆炸发生在的高度。它的威力比投在长崎市的胖子原子弹要小，但广岛的损坏和受害者数量则比长崎要高得多，因为广岛位于平坦地带，而长崎的原爆点位于一个小山谷中。
根据1945年公布的数据，有66,000人直接死于广岛爆炸，69,000人受伤程度不等。后来的估算将死亡人数提高到高达140,000人。美国战略轰炸调查报告估计，广岛爆炸时有24,158名大日本帝国陆军士兵，其中6,789人因爆炸而死亡或下落不明。
关于炸弹的爆炸能量确切测量具有困难，因为这种武器从未进行过测试。哈里·S·杜鲁门总统正式宣布炸弹的能量为。这是基于帕森斯对比起他在三位一体核试验中所见的爆炸更大的视觉评估。由于特里尼蒂蒂的估算为，演说稿作了四舍五入的20千吨。之后的讨论被压制，以免减少炸弹对日本的影响。路易斯·阿尔瓦雷茨、和在观察机大艺术家号轰炸机上收集了数据，但当时这些数据未用于计算爆炸能量。
战争结束后，曼哈顿计划的一个调查小组被派往广岛评估爆炸的影响，小组成员包括、罗伯特·瑟伯和。他们进行了对受影响物体和结构的评估，并得出炸弹的威力为12 ± 1千吨。随后，根据焦炭现象进行的计算指出威力为13至14千吨。到了1953年，弗雷德里克·莱因斯计算出炸弹的威力为，并且这个数字成为官方公认的威力数据。
物理效果.
1945年4月选定广岛作为原子弹的目标后，该城市被避免遭受常规的轰炸，以成为原始的目标，这样可以观察到核弹对一座未受损城市的影响。尽管损坏可以稍后研究，但未经测试的「小男孩」设计的能量产出只能在爆炸时刻确定，使用由一架与投弹飞机形成队形的飞机降落伞投放的仪器来进行测量。这些仪器传输的无线电数据显示威力约为15千吨。
将此威力与观察到的损害进行比较则得到了一个粗略估计的法则，称为5磅力每平方英寸（34千帕斯卡）致死区域法则。在冲击波带有这样的超压或更大的区域内，几乎所有人都会丧生。在广岛，这个区域的直径为。
损害主要来自三个主要影响：冲击波、火灾和辐射。
冲击波.
核弹爆炸所产生的冲击波或压力波是由X射线加热的空气（称为火球）在所有方向上传播，其初始速度超过音速，类似于雷电引起的雷声。关于城市爆炸破坏的了解主要来自对广岛「小男孩」核弹的研究。虽然长崎的建筑物在相似的距离上遭受了相似的破坏，但长崎的核弹在离市中心的地方爆炸，而该地区的地形部分裸露，缺乏建筑物。
在广岛，距离爆炸点正下方的几乎所有物体都被完全摧毁，除了约50栋严重加固、抗震的钢筋混凝土建筑物，它们仅剩下外表，而内部几乎被完全挖空。窗户、门、窗框等都被撕裂。严重爆炸破坏的范围周围大致遵循距离爆炸点处的5磅每平方英寸（34千帕）等压线。
后来在核武器试验中，透过与房屋和其他结构物靠近的爆炸测试，确认了5磅每平方英寸的超压阈值。一般城市建筑受到这种压力的影响时，会被压碎、推倒或内部被挖空。结构性破坏的主要效应之一是在严重破坏区域内同时引发了多处火灾，因为燃料被点燃。
火灾.
核弹爆炸的第一个效应是刺眼的光芒，伴随著火球散发出的辐射热。广岛爆炸时，火球的直径达到，表面温度高达，几乎与太阳表面的温度相同。靠近原爆点的地方，所有易燃物几乎在瞬间被引燃。有一个著名但不知名的广岛受害者，坐在距离爆心260米（850英尺）的石阶上，只留下了一个人的影子，因为吸收了火球的热量，永远地漂白了周围石阶的表面。该石日后被称为人影之石。
与此同时，由于火球的高温和被撞倒的炉灶、炉子、电器短路等原因，火灾在爆炸损坏区域内不断爆发。爆炸发生后20分钟，这些火灾合并成了一股火风暴，从各个方向将地面上的空气拉入，形成了一片吞噬所有易燃物的地狱。
广岛的火风暴直径约为3.2公里（2.0英里），与严重爆炸损坏区域基本吻合。爆炸损坏的建筑物为火灾提供了燃料，结构木材和家具被粉碎和散落。瓦砾阻碍了道路，妨碍了消防队的行动。破裂的煤气管释放出燃料，而断裂的水管使消防栓无效。相比之下，长崎的火灾没有合并成一个单一的火风暴，火灾损坏面积仅为广岛的四分之一，部分原因是受到西南风的影响，将火灾推离城市。
另外，广岛的火风暴跳过了自然的防火带（河道），以及预先设置的防火带。火灾的蔓延仅在达到爆炸损坏区域边缘时停止，因为可用的燃料减少。根据《曼哈顿计划》对广岛的报告估计，60％的直接死亡是由火灾造成的，但是要注意，「在爆炸中心附近的许多人因为受到炸弹效应的多重伤害而死亡」。
辐射.
放射性落下灰是指含有放射性裂变产物的炸弹坑灰尘和灰烬，它们被风吹向坑口下风处，仅靠辐射就能产生比爆炸和火灾造成的致命区域大得多的范围。然而，在「小男孩」核弹的情况下，由于是在距离地面580米（1900英尺）的空中爆炸，裂变产物因而上升到平流层消散并成为全球环境的一部分，因此并没有任何的炸弹坑，也没有地方性的放射性沉降。
然而，核弹爆炸产生的大量中子辐射和伽马射线直接来自于铀的裂变。其致命半径约为，覆盖了大约一半的火风暴区域。估计30％人口的直接死亡是因为受到致命剂量的辐射，但是在火风暴中死亡之前，他们的辐射伤害还不明显。尽管超过6,000人在爆炸和火灾中幸存下来，但最终均死于辐射伤害。在受伤的幸存者中，约有30％的人有辐射伤害，虽然他们康复了，但终生的癌症风险却大幅增加了。迄今为止，尚未观察到被爆者子女之间与辐射相关的遗传疾病的证据。
日本投降确定后，曼哈顿计划的科学家立即开始对广岛进行调查，以更好地了解损害情况，并与日本医生交流，特别是关于辐射影响的知识。这个合作计划在1946年成为「」，是一个美国和日本联合项目，用于追踪被爆者中的辐射伤害。1975年，其工作由接替。
1962年，洛斯阿拉莫斯的科学家创建了一个名为「一番计划」的「小男孩」模型，以解答有关该炸弹的辐射输出的一些未解之谜，这将有助于设定诠释辐射暴露与后续健康结果之间关系的基准。然而，该模型未能解决所有问题。后在1982年，洛斯阿拉莫斯再次制作了一个与原始图纸和规格相符的「小男孩」复制品。然后，他们在安全配置下使用浓缩铀进行测试，以防止核爆炸发生。使用液压升降机移动砲弹，并进行实验以评估中子的放射。
常规武器当量.
尽管小男孩的爆炸产生了相当于16000吨TNT的能量，根据美国战略轰炸调查团的估算，相同的爆炸和火灾效应可以由2100吨常规炸弹引起：「220架B-29轰炸机携带了1200吨燃烧弹，400吨高爆弹和500吨破片弹。」由于目标分布在二维平面上，单个球形核爆炸的垂直成分在很大程度上被浪费了。一个由较小爆炸组成的集束弹药模式将更有效地达到目标。
根据「一番计划」的数据以及大艺术家号轰炸机所提供的压力波数据，估计核弹的产量在1960年代为16.6 ± 0.3千吨。在考虑了许多估算方法后，一份1985年的报告得出的结论是，该核弹的产量是 ± 20％。
战后.
战争结束后，人们原本不期望再次需要效率低下的「小男孩」设计，因此许多计划和图表都被销毁。然而，到了1946年中期，汉福德核反应堆受到维格纳效应的严重影响。面对无法再为新核心生产钋和为已生产核心的启动装置提供铅的前景，曼哈顿计划主任莱斯利·理查德·格罗夫斯少将下令准备一些「小男孩」作为一个临时措施，直到找到解决方案。然而，当时并无可用的「小男孩」装置，也找不到完整的「小男孩」的图表，仅有各种零件的图纸和备用零件仍存。
在桑迪亚基地，三名陆军军官，艾伯特·贝瑟尔上尉、理查德·迈耶上尉和鲍比·格里芬上尉，试图重新制造「小男孩」。他们受到了「小男孩」专家哈洛·W·拉斯的监督，他曾在天宁岛的中服役，现在是洛斯阿拉莫斯实验室Z部门（Z Division）Z-11小组的负责人。他们逐渐找到了正确的图纸和零件，并弄清了它们的组装方式。最终共制造了六个「小男孩」装置。尽管外壳、枪管和零件都经过了测试，但未提供浓缩铀用于装置。到了1947年初，由于威格纳效应引起的问题已经在解决中，这三名军官最后被重新分配。
在1947年制造了25个「小男孩」装置，用于具有核能力的P-2海王星巡逻机（可以从中途岛级航空母舰进行发射，但无法降落该级航空母鉴）。这些零件由爱达荷州波卡特洛和肯塔基州路易维尔的海军军械厂生产。到了1948年，已经有足够的裂变材料可以制造十个弹头和靶核，尽管只有足够的启动装置可以制造六个。所有的「小男孩」装置都在1951年1月底前从服役中撤回。
史密森尼学会曾展示了一个「小男孩」（除了浓缩铀之外都仍是完整的组件），直到1986年。美国能源部从博物馆取出该武器的内部组件，以防止炸弹被偷窃并使用裂变材料引爆。政府于1993年将空壳还回给史密森尼学会。目前美国境内还有三枚解除武装的「小男孩」核弹展示品，而另一枚则在伦敦的帝国战争博物馆展出。