关于原子弹爆炸的一个小课题展示

利用爆炸时产生的冲击波的参数
利用产生的光辐射
根据不同时间烟云顶高求当量
多次核试验的结果表明：核爆 炸烟云的上升速度，与核爆炸 当量的关系十分密切。 在相同的气象条件下，当量越大， 烟云上升的速度越快，
其方法是：核爆炸后，核观测哨利用 核爆观测仪或其他光学器材测出爆后 某一时刻烟云顶高仰角，再利用下式 求出烟云顶高
Di为冲击波波阵面的传播速度；
1 p Di c0 1 2 p0
c0为声速， γ为比热容比，
p0为标准大气压，
△p是超压值。
Conclusion
1 p Di c0 1 2 p0
0.67 p 3 0.1 Z
Z r /Q
1/ 3
各种不同的测量方法
利用爆炸时产生的蘑菇云的形状、高度
例如，中子弹的梯恩梯当量（简称“当量”）1kt，是指中子弹爆 炸时放出的总能量是4.19x1012J，与1kg梯恩梯炸药爆炸时放出 的能量相当。
“比高”的定义
“比高”时比例爆高的简称。 比高可用下式表示
“超压”的定义
若已知最小照度出现时间 求核爆炸当量，则
“TNT当量”的定义
核武器的威力，通常以核武器爆炸时释放的能量多少来衡量。 例如：1kg铀235全部裂变释放的能量约8.4x1013J，是1kg TNT 炸药爆炸释放能量4.19x106J的2000万倍。为了衡量核武器的威力 大小，可用TNT当量表示。
TNT当量是指核武器爆炸时释放出的能量 TNT当量是指核武器爆炸时释放出的能量相 相当于多少质量的TNT炸药爆炸时所放出 当于多少质量的TNT炸药爆炸时所放出的能 的能量。 量。
数据处理&测量结果：
一篇给中学生看的文章
1945年7月16日早晨， 在美国新墨西哥州南部一望无际的沙漠上， 世界上第一颗原子弹试爆成功。
——引自江苏教育新闻网
原子弹爆炸是一种剧烈的原子核裂变过程，在这个过程中释放出来的巨大能量，理 论上是可以精确计算的。但是，技术上能做到哪一步，一个原子弹实际爆炸时产生 的威力到底有多大，需要依靠精密仪器来测定。为此，科学研究人员设计了几十种 测量方法。爆炸之后，人们在掩体里欢呼实验成功的同时，又迫切地等待着测量的 结果。 突然，有一个身穿笨重防护服的人，从掩体里冲出，迎着试爆的方向奔去。这个人 去干什么呢?只见他一边跑，一边把事先准备好的许多小纸片举在头上，迎风撒去， 纸片立即随着气流飘动起来。这时，他又转过身子，注视着小纸片的飘落，并跟着 小纸片的飘动跑起来，一边跑，一边数着自己的步子。等他拾起落在地上的纸片， 气喘吁吁地回到掩体时，大家才看清他是著名的物理学家费米。 只见他十分兴奋地说：“大家听着，第一颗原子弹爆炸的威力，大约相当于2万吨普 通军用炸药爆炸时所释放出来的能量。” 要不是他在物理学界非常有威望，大家都会认为他是在说胡话。即使由于他的威望， 用小小几张纸片竟能测出原子弹爆炸时释放的能量，大家也感到疑惑不解、半信半 疑。没有想到，两小时后，经过精密仪器测定的结果，与费米的纸片测定结果大致 相同。从此，人们不由得对费米更加崇敬了。 物理学家费米是如何利用纸片推算出原子弹爆炸的威力的呢?
这里再提出一个概念“比例距离”
Z r /Q
1/ 3
由于经验公式过多（大概有七八个），就不一一展示了。
Pso

0.67 0.1 3 Z 0.0975 0.1455 0.585 0.0019 2 3 Z Z Z
Pso 1 0.01 Pso 1
ห้องสมุดไป่ตู้
小纸片的运动
小纸片质量若忽略不计，则它将随冲击波的波面以 相同速度运动，换句话说，测得小纸片离手后的水 平漂移速度，就得到在该位置的冲击波的传播速度； 再运用下式：
原子弹内部的构造（武器内各要素的布置、品种）。 因此，在这里的讨论中，就认为核爆发生在近地面，而且其内部构造属于较 为“一般”的。
1 Q波 Q 2
由于两者的近似关系较为简单， 所以后面的一些关系式也直接用Q代 替Q波。
描述冲击波的参量
上述几个问题，显然都是与“冲击波”密切相关的。 但是，由于时间以及水平有限，这里对“冲击波”的介绍是非常简单的。 高爆炸药在空气中爆炸时,形 成了一团瞬间占据炸药原有空间 的高温高压气体。这团气体猛烈 地推动周围静止的空气,同时产生 一系列的压缩波向四周传播,各个 压缩波最终叠加成冲击波。 右图压缩区即气体压强高于标准大气 压的区域； 也可以理解为冲击波覆盖的区域； 小纸片就是在压缩区中受力运动的， 只不过由于冲击波的最大压强，随距 离已衰弱很多。
t为测得烟云顶高的爆后 时间（S）。
稳定烟云参数：稳定时间
核爆炸后几分钟，烟云上升到若干千米的高空时， 烟云内的温度已与周围环境温度相等，较平滑的顶部开始起 毛，烟云即稳定下来不再上升，此时的烟云称为稳定烟云。 稳定烟云稳定的时间、顶高、底高和宽度都与核爆炸当量有 关，故可用这些参数来估算核爆炸当量。
所谓的原因
原子弹爆炸时巨大的能量以三种形式释放出来： 第一是爆炸中心产生极高的温度，辐射大量的热；
第二是附近空气受热膨胀，产生强大的冲击波；
第三是产生相当多的放射性粒子。 费米计算了三种形式的能量之间的关系，据此，只要 测出一种能量，就可算出全部能量。 费米选择了测量冲击波的能量。这种能量，即强大气 流的能量最容易测量。气流的能量正比于气流的速度， 而气流的速度可以看作纸片飘动的速度。 纸片的速度为纸片飘过的距离除以飘动的时间。只要 事先练习好每一步的准确距离和计算出跨一步的精确 时间，在跟随小纸片奔跑时，记下小纸片落地时已跑 了多少步，又记下跑到小纸片落地处一共是多少步， 这样就能求得小纸片飘过的距离和飘动的时间，纸片 的速度就知道了。
因此测出爆后你某一时刻烟云顶上 升达到的高度，便可算出核爆炸当 量。
一般认为，小当量核爆炸烟云在爆 后40～240s间的上升速度很有规律 性；而大当量核爆炸烟云在爆后 40～120s间较有规律性。
具体计算公式
式中
的单位均为km。 估计核爆炸当量Q≤10kt时， 用下式
若估计核爆炸当量Q＞10kt，则
下图可以理解为：距离爆炸中心的某一定点的气体压强随 时间变化的关系图。 在冲击波到达之前, 该处的压力等于标准大气压 ,冲击波到达 该处后,压力在短时间内由一个标准大气压突跃至最大值。压 力最大值与标准大气压的差值, 就是所谓的超压Pos。波阵面 （峰值等压面）通过后，压力即迅速下降,经过时间t，压力经 指数速率衰减到大气压力并继续下降,直至出现负超压峰值 （可对应上一张图的“稀疏区”）, 在一定时间内又逐渐地回 升到大气压力。
自由空气中的理想冲击波 波形,即P - t曲线。
再来看两组关系
随着距离r的增加，处于 冲击波影响区域的某定 点所受冲击波的影响时 间变长。 同时，压强的降低也 更为缓和。
这为下一步的计算提供了 可以简化的地方。
Q表示原子弹的当量， 当量越大，冲击波超压就越大， 冲击波影响时间t，也越大。
冲击波的传播公式
烟云稳定时间
稳定烟云顶高&底高
稳定烟云顶高 HT和比高 HB 若
若
根据最小照度出现时间求当量
从核试验的经验，知道光辐射的几个极 值都与核爆炸当量有密切的关系， 因此从理论上说只要测出任一极值出现 时间，均可推算出核爆炸当量，但由于 第一脉冲极大值很难测准，亮度最小值 和亮度第二最大值时间所测的数据精度 不高，故通常以最小照度时间来判定当 量。 通过多次核试验取得的最大 数据，可以得出用近红外宽 波段响应的硅光电二极管测 量时，最小照度出现时间
费米“纸片法”的原理（进一步的探求）
Problems arising
各种能量转化（比例）的关系？ 冲击波的传播公式？ 在冲击波作用下的小纸片的运动？
…… …………
冲击波能量在核爆能量中所占比例
显然，冲击波的能量在爆炸总能量中所占的比例并非恒定。
如，核爆所发生的地点（可以是空中、近地、远地、地面、水下、太空）
测量原子弹爆炸时所产生的威力 测量原子弹爆炸时所产生的威力
——热工测量技术课课题展示
10161201班 Team One Created by 果冻豆人忻 2012年3月12日
明确测量的几个要素
测量对象：爆炸后的原子弹
被测量：原子弹爆炸后释放的能量 测量单位：TNT当量 测量环境：理想的平坦地面、标准的大气环境 测量方法： 测量资源： **** **** **** **** **** ****