長崎原子彈：第二顆也是迄今為止最後一顆實戰原子彈

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文共6252字，66圖。預計閱讀時間：50分鐘。

公元1945年8月9日，上午11時02分，一架B-29轟炸機在日本長崎上空投下了人類歷史上第二顆用於實戰的原子彈「胖子」。

這是一顆使用鈈239的鈈彈，而且是人類首次採用內爆式工作原理來激發一顆實戰型原子彈，因此，無論是其研製還是投放的細節，都具有比較大的工程技術意義和歷史意義。

研製

有關曼哈頓計劃的事情，或許其他人講得已經足夠多了，小火箭準備換一個角度來講，排除掉該計劃中所有政治和管理相關的因素，只看技術發展脈絡，努力還原一個技術發展史層面的曼哈頓計劃。

1942年8月，奧本海默博士被任命為研製原子彈的「曼哈頓計劃」的實驗室主任，籌建洛斯阿拉莫斯國家實驗室。上圖為奧本海默博士與愛因斯坦博士討論基本粒子理論相關問題時的照片。

奧本海默博士是格勞維斯少將力排眾議任命的。因為他的一句話說服了格勞維斯將軍：「你們如果想要原子彈，就必須集中世界上一流的科學家和最好的設備，把事情交給科學家和工程師來做，而不是由軍隊來組織。」

奧本海默博士很快在新墨西哥州沙漠建成了洛斯阿拉莫斯國家實驗室，這是曼哈頓計劃的核心。整個計劃的經費是20億美元，總工作人數達15萬。

這其中，有一位華裔科學家小火箭覺得必須得提一下：

吳健雄博士，1940年6月博士畢業於加州大學伯克利分校，是勞倫斯博士的學生。她被調入曼哈頓計劃，主攻鈾濃縮的氣化擴散項目。在曼哈頓計劃的工程實施階段，32歲的吳健雄博士設計了多種監測放射性元素的設備。（因她的造詣，後來她被尊稱為原子核物理女王）

讀過小火箭該系列公號文章前面一篇《廣島原子彈：人類歷史上第一次實戰使用核武器》的好友或許還記得，廣島那顆名叫小男孩的原子彈用掉了美國當時生產的和從其他各種渠道得到的幾乎所有的鈾235。

那麼，第二枚原子彈是以什麼為原料生產的呢？

說來話長了。

這張照片忠實地記錄上上世紀40年代的著名的六博士閑談。他們正在討論新建一座巨型回旋加速器的方案。從左到右：勞倫斯博士、亞瑟·康普頓博士、范尼瓦爾·布希博士、康納博士、卡爾·康普頓博士和羅密士博士。

回旋加速器是個好東西，能夠幫助科學家獲得夢寐以求的高純度鈾235。在不考慮愛因斯坦的狹義相對論時，由於在磁場中迴旋半徑與速度成正比。

勞倫斯博士發明了電磁分離法，根據鈾235與鈾238的質量差異，通過巨大的電磁鐵產生的磁場來加速鈾蒸汽。

按洛倫茲力來計算，鈾238比較重，其圓周運動的半徑比較輕的鈾235大1.29%。如果設備足夠精密的話，就可以通過這個半徑差來分別收集鈾235與鈾238。

這個過程要耗費大量的能量和時間。

讀過小火箭的廣島原子彈的好友應該還記得，勞倫斯博士還是成功了。1945年6月，勞倫斯博士的團隊終於提煉出了50公斤純度在99%以上的鈾235（從剛果得到了1250噸鈾礦石）。這些鈾235跨過了科學家團隊認定的一枚鈾彈所用鈾元素的質量門檻。

本文，小火箭補充上勞倫斯博士團隊為了生產這50公斤鈾235所付出的代價：橡樹嶺15萬人中，有2.5萬人直接被調用來生產鈾235，分離鈾235與鈾238用的電磁性回旋加速同位素分離機共製造了1100台。

為了能夠在當時的技術條件下產生足夠強大的磁場，所有分離機的線圈不是用的銅線，而全部是用純銀導線繞制的。為了製造分離機，橡樹嶺向美國政府索要了1.5萬噸純銀！（令人吃驚的是，1年內這些純銀就全部到位了。）即使是這樣，1100台分離機剛開始工作的時候，每天總共也只能生產出不到10克鈾235。

勞倫斯博士生產鈾235的方法是可行的，但是，整個曼哈頓計劃如果耗盡1年時間才能生產1枚原子彈的話，產量實在是太低了。必須找到能夠大量生產原材料的方法。

於是，曼哈頓計劃的物理學家們分成了3組：

勞倫斯博士繼續改進鈾的電磁分離法；

默弗里博士研究鈾的氣體擴散法；

阿伯爾森博士研究鈾的熱擴散法；

後來，又有另一個團隊開始主攻重水方向（因為有消息顯示德國當時正在琢磨重水），這成為了第4組。

再後來，亞瑟·康普頓博士（就是發現了康普頓散射的那個康普頓，在六博士閑談照片中，排左數第二個）另闢蹊徑，成為第5組。

他認為，搞鈾235的濃縮和提純雖然思路直接，但是核原料又不僅僅是鈾235一種，不必非得弔死在這一棵樹上。

1942年初，康普頓博士搞定了鈈和石墨反應堆的理論研究工作。然後，他把相關成果和9000萬美元的預算請求（5400萬用於工程建設、3100萬用於深入的理論研究、500萬用於應對緊急情況）直接提交給了白宮。

1942年3月9日，時任美國總統羅斯福看了這份報告，立即批准，並加大投入爭取立即工程化。上圖為用電解法精鍊的武器級鈈元素環狀物。環狀物重5.3公斤，直徑約11厘米，足夠製作一枚核彈了。它精鍊出來之後被製成這個形狀有助於維持臨界安全狀態。

於是，以鈈239為原料的製造原子彈的另一扇大門被打開了。

難題

即使是小火箭手裡的這本《原子物理學》也較為明確地指出了鈾235和鈈239蘊含的強大能量。

而鈈239，雖然看似和鈾235的性質很相似，但是在核裂變的鏈式反應中，鈈239在臨界狀態下的反應要快一些。

這一點，在今天看來，或許沒什麼大不了的。但是，在當時，是個要命的問題。

在設計第一枚原子彈，也就是小男孩的時候，用的槍式方案。

工程師們設計的槍式引爆方案：用傳統炸藥來讓3塊鈾235製成的圓環飛速射向1根鈾235製成的圓柱體。在圓柱體插入圓環的過程中，鏈式反應被啟動。

這是針對鈾235燃料的。如果用鈈239的話，槍式方案也是可行的。只不過要把這個「槍」做得比較長。小男孩鈾彈長3米，而如果改成鈈彈的話，經過計算，原子彈的長度至少要為5.7912米。

具體來說，為什麼需要那麼長呢？

為了避免提前爆炸，「鈈子彈」至少要加速到910米/秒。如果達不到的話，鈈就會在完全壓縮之前開始核裂變，過早地把自己炸成碎片。好友們如果有興趣計算的話，或許可能找到更好的方案吧！

3米長的鈾彈放入B-29的彈艙就已經很不容易了，而5.79米的原子彈，是無論如何也裝不進B-29的彈艙的。（其實硬改改也是可以的，不過曼哈頓計劃項目組把5.79米這個數據報給陸軍航空隊的時候，得到的是堅決的反對。）

不過，曼哈頓是難不住的。住在這裡的可是15萬科學家和工程師啊。

這是小火箭幾經努力找到的曼哈頓計劃實施過程中，大家用來討論設計方案的一張手稿。

從上到下的4個方案，小火箭大概看明白了一點。第1個和第4個方案依然類似小男孩的槍式引爆方案。只不過鈈被加工成了球狀，以便縮短長度。

這兩個方案後來被否了。因為鈈239快速反應後，會產生大量的熱。充當子彈的一小塊鈈239會因為球狀鈈239缺口內的空氣急速膨脹而像一個桃核那樣被鈈球吐出來。

第2個方案是半球設計，但也面臨著從中間快速分開而來不及進行下一步鏈式反應的風險。

方案3後來被確定為最終方案。

這也就是鈈彈的內爆式設計。多塊低於臨界質量的鈈239呈同心圓狀分布在一個堅固球殼內。在球殼內部靠近殼體的地方是傳統炸藥，引爆後，內層的鈈239被擠壓到一起，瞬間達到臨界條件，引發鏈式反應。

整個結構有點兒像個橙子。（邢強攝於世界500強排名第1位的一家超市內。）

由於原子彈內部由細長的「槍管」結構變為了球狀結構，從外形上看，第二枚原子彈肥碩了不少，因此得名：胖子。

上圖為胖子原子彈的結構示意圖。

小火箭風格：

1：AN-129型引信，總共有4個；

2：雷達天線；

3：電池組；

4：電器元件組；

5：鉸接結構；

6：鈈239內爆球；

7：計時器；

8：氣壓高度計；

9：鋁合金穩定尾翼（由5.1毫米厚的鋁合金板製成）。

內爆式原子彈需要精確設計每一部分的起爆時刻，併合理計算殼體厚度和裝藥量，這個在當時的條件下能實現么？難道那個時候就有計算機了？

可以的，因為曼哈頓計劃的15萬名科學家和工程師中，有一位叫馮·諾依曼博士的人。

這是馮·諾依曼博士在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的證件照。（哈，不要問小火箭是從哪位好友那裡要來的。）

他是出生於匈牙利的美國籍猶太人數學家，是現代計算機與博弈論的重要創始人。我們今天用的電腦，大部分依然是基於馮·諾依曼博士的設計，也就是馮·諾依曼結構。

這是馮·諾依曼博士當年的手稿。這個結構就是現代計算機的架構雛形。他指出了現代計算機硬體系統的五大組成部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。

試驗

鈾彈能夠產生鏈式反應，這一點，科學家們已經形成了共識，而且當時鈾235實在太珍貴了，捨不得拿來做試驗。

因此，美國軍方選擇了完全相信科學家們說的話，把沒有經過試驗的鈾彈，也就是小男孩扔到了廣島。

但是，鈈239的內爆式引爆方案始終還是讓人不太放心。於是，名為「三位一體」的試驗項目啟動了。

一顆裝有鈈239的內爆式核裝置被放到了一座鐵塔的頂部。

1945年7月16日，新墨西哥州索科羅縣的托立尼提沙漠，三位一體核試驗啟動25毫秒後的樣子。

這是人類啟動的首次核爆炸，從此內爆式的方案被肯定，人類也正式開啟了核時代。虎兕出於柙！

這是小火箭拿到的早期內爆式原子彈引爆試驗的X射線拍攝圖像。可以清楚地看到多點起爆之後，能量匯聚在圓心處的過程。

這是三位一體試驗之後，部分科研人員和基地領導腳踩原子彈鐵塔殘餘物的合影。

（小火箭查證，這是一張補拍的照片，為了給老百姓一個交代。三位一體核試驗之後，大家並沒有立刻去那裡合影，畢竟輻射還比較強。這是給長崎扔完胖子原子彈幾個星期之後拍的照片。戴淺色帽子，左腳踩在地面隆起部分的，就是奧本海默博士。）

於是，鈈（Plutonium），這個以冥王星（Pluto）也就是冥界之神的名字命名的元素，開始成為量產型原子彈的重要材料。

目標：小倉！

1945年8月6日的那顆在廣島投下的原子彈並未帶來日本無條件投降的消息，於是，第二顆原子彈胖子，開始踏上征程。

這是出征前的胖子原子彈。

胖子原子彈長3.25米（僅比小男孩長20厘米），直徑1.52米（小男孩直徑為71厘米），果然這一枚比較胖。

不過，胖子鈈彈並沒有採用小男孩鈾彈那樣堆積大量核原料的設計理念。由於對經過試驗的內爆法有充足了信心，設計師只給胖子鈈彈填充了6.4公斤鈈239。而小男孩鈾彈裡面足足有60多公斤的鈾235。

為什麼不扔在東京？

答：之前小火箭講述廣島原子彈的文章已經指出了當初的選址標準。

選擇原子彈的打擊目標很有講究，當時的選擇標準是：

第一：目標有直徑超過3英里（4.8公里）的城市區域；

第二：在此爆炸會造成有效的大規模傷害；

第三：目標直到1945年8月之前都未遭到大規模空襲。

而東京顯然不符合第三條標準。

在「火系大魔法師」李梅將軍的策划下，東京早已被燃燒彈燒得不成樣子了。上圖為攝於1945年3月10日的日本東京。幾乎所有的木質房屋都已被焚毀，只剩下少量磚石結構和鋼筋混凝土結構的建築。

長崎投彈

與廣島投彈類似，這次投彈也是動用了多架B-29轟炸機。只不過，因為廣島這個目標已投，這次就沒有派遣飛往廣島的氣象觀測機。

第二次原子彈投放任務，共出動6架B-29轟炸機。其中2架為氣象觀測機，分別飛往小倉市和長崎市。

值得一提的是，飛往小倉市的那架氣象觀測機正是3天前在廣島投下小男孩鈾彈的艾諾拉·蓋號轟炸機。

另外4架B-29分別是1架載有胖子鈈彈的投彈機，1架備份機，1架測量機和1架攝影機。配置和廣島原子彈小組類似，這裡不再贅述。

正在裝配中的胖子鈈彈。注意鈈球球壁上密布的引爆引線。

胖子鈈彈正準備被裝入B-29轟炸機的彈艙內。

注意，胖子鈈彈的頭部四周有4個凸起，這就是引信。而他頭頂那個3，表示這是Mk 3型核彈。

1945年8月9日凌晨，斯文尼少校（執行投彈任務的「大貨櫃」B-29轟炸機的飛行員）接到地勤人員報告，轟炸機內一個2000升容量的油箱的閥門出現問題。

斯文尼少校簡單計算後，認為不會影響任務，而如果要拆解機身尾部來排查故障的話，會錯過此次投彈任務。

1945年8月9日凌晨2點45分，斯文尼少校駕駛B-29轟炸機從天寧島起飛，並未理會油箱的事情。

胖子的首選目標是日本小倉市。

投彈小組在8月9日上午9點44分飛到小倉市上空。按計劃，他們應該把胖子鈈彈空投到小倉市陸軍大本營的正上方，並在550米高度引爆。

但是，小倉市上空再次陰雲密布，投彈手實在難以瞄準小倉市陸軍大本營。整個小組嘗試了3次，都沒有瞄上。

這時，已經是上午10點29分了，也就是說，整個機組努力了45分鐘，也沒能瞄準目標。

無線電靜默被打破了：確認有10架零式戰鬥機已緊急起飛，向小倉市上空飛來！

10名機組成員商議後，決定放棄在小倉市的投彈。

10點30分，燃料已經不充裕的B-29轟炸機掉頭，向長崎市飛去。

上午10時50分，B-29轟炸機到達長崎市上空。

也是陰雲密布！80%到90%的積雲覆蓋了1800米至2400米的高空。根本無法目視瞄準。

「請求帶彈返航，重複，帶彈返航。無法目視瞄準目標，燃油已不足。」

「否定！否定！不得帶彈返航！嚴禁帶彈返航！建議使用雷達輔助瞄準！」

那時候的B-29轟炸機已經裝備了AN/APQ-7雷達系統。

但斯文尼少校不準備依賴雷達，他認為目視看到的街道才是最好的轟炸參照。

正在苦惱之際，天空突然吹來一陣強風！

長崎上空的雲層突然出現一個洞。

經驗十足的領航員立刻認出了長崎市的街道，並立刻在航圖上做上標記。

投彈手從他的位置說出一句話：目標鎖定！

公元1945年8月9日，上午11時02分，這架B-29轟炸機在日本長崎上空投下了人類歷史上第二顆用於實戰的原子彈「胖子」。

多山的長崎市

日本長崎市的石橋

胖子原子彈爆炸前一瞬間的日本長崎市浦上區

胖子原子彈爆炸後的日本長崎市浦上區

經伴飛的B-29測量機測定，胖子鈈彈的爆炸當量為2.1萬噸TNT，約是小男孩鈾彈的1.5倍。但是，長崎市多山，衝擊波經山丘阻隔，其殺傷力被局限在了地勢較為平坦的浦上區。

上圖為長崎市最為繁華的浦上區。胖子鈈彈爆炸後，滿目瘡痍，彷彿這裡從來沒有什麼建築，原本就是一片荒野似的。

攝於1946年的長崎市浦上區天主堂。

攝於1945年9月8日的浦上區天主堂

長崎投彈6周後，攝於1945年9月24日的長崎市的被摧毀的廟宇廢墟之上。佛像還算完整。

長崎市在1945年8月，有居民20萬人。美軍估算，胖子原子彈造成約4萬人直接死亡，6.4萬人受傷。爆心周圍7011平方米的絕大多數建築被瞬間夷為平地。

胖子的衝擊波摧毀了長崎市19588座房屋。算上隨之而來的大火的話，城區60%的房子被焚毀。

神社只剩下一個門

遭受核爆之後的長崎醫學院

被摧毀的長崎市火車站

長崎核爆後，推著自行車走的長崎市民。

長崎與廣島離得並不遠，有些廣島市的市民在8月6日的核爆之後，逃難來到長崎市，經歷了人生中的第二次核爆。

上上圖紅框里的神社一根柱子，如今已是重建後的長崎市的一個紀念碑了。

位於長崎原爆點下方的「原爆落下中心地碑」。

廣島與長崎兩次實戰原子彈的爆炸，算上輻射的話，到底造成了多少人死亡呢？具體的數據一直是有爭議的。

小火箭在這裡給出日本厚生省在1985年核爆40周年的時候給出的統計數據：

廣島市201990人, 長崎市93966人, 兩市合計295956人。

其中廣島市當天死亡人數佔總死亡人數的比例為23.5%，長崎市的這個比例為20.1%。

爆炸第二天到爆炸後一年的這段時間內的死亡人數比例，廣島市為16%，長崎市為10.5%。

這是迄今為止有關核武器用於實戰給城市帶來的殺傷效果的僅有的兩個樣本。當然，小火箭並不期待出現第三個樣本，無論是在哪個國家。

小火箭原子彈系列文章的第3篇接近完成。在第1篇《鈹：洲際彈道導彈與核武器的關鍵材料》中，給出了原子彈殼體的關鍵材料介紹，在第2篇給出了廣島鈾彈的細節，本篇給出了長崎鈈彈的情況介紹，在第4篇中，將努力給出兩次實戰核爆後續相關事情的敘述。

版權聲明：

本文已由邢強博士獨家授權小火箭在騰訊刊發，歡迎朋友圈轉發。

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