1945 年 8 月 6 日大约 8 点 15 分，美国陆军航空队（USAAF）第 509 混合飞行大队指挥官保罗·蒂贝茨上校驾驶“埃诺拉·盖伊”（Enola Gay）的 B-29 “超级飞行堡垒”战略轰炸机（序列号44-86292），在日本广岛上空9400米高空投下人类历史上第一颗实战使用的原子弹——“小男孩”。
轰炸前一天，机组人员站在“埃诺拉盖伊”轰炸机前合影留念。照片中的男人是 Paul Tibbetts，嘴里叼着烟斗
经过44.4秒的平抛动作，“小男孩”在广岛市中心“志摩医院”（Island Hospital）上方约580米的高度爆炸。根据1945年公布的数字，“小男孩”原子弹造成6.6万人当场死亡，6.9万人受伤（截至1945年12月，死亡人数已上升至9万至1.2万人0）。
《小男孩》爆炸后的蘑菇云盛开
来自“小男孩”原子弹
“小男孩”原子弹是一种具有“枪爆”设计的铀弹，即一块铀235通过原子弹爆炸产生的推进力射向另一块铀235。推进剂。当两片处于低临界状态的铀235碰撞在一起时，它们会达到超临界状态，引发连锁反应，产生核爆炸。
“小男孩”原子弹（战后模型）
在“小男孩”弹丸的尾部，有一块重39公斤，长17.8厘米，直径15.9厘米，内径10厘米它由9层环形铀235组成的空心圆柱体，又称“子弹”；在弹丸的前部，有一个直径10厘米、长18厘米的圆柱体，由6层圆盘状铀235组成，又称“靶子”。当“子弹”后部的无烟推进剂（由65%的硝酸纤维素、30%的硝酸甘油、3%的凡士林和3%的氨基甲酸酯组成）引爆时，会产生280,000 kPa的压力，将“子弹”推向子弹“穿过一个内径为16.5厘米、长度为1.8米的“桶”，以每秒300米的速度与“目标”相撞。
“小男孩”的构造
正在组装的“小男孩”原子弹，可以看到它的部分内部结构
“枪爆”的设计其实并不是第一次出现在《小男孩》上。在此之前，美国还设计了一种具有“枪爆”设计的核武器。那是被称为“瘦人”的原子弹，但由于种种原因失败了。今天我们来说说“小男孩”的大哥——“瘦子”原子弹。
优先研究计划——“枪爆”钚弹
“原子弹之父”朱利叶斯·罗伯特·奥本海默
1942年6月至7月，朱利叶斯·罗伯特·奥本海默，后来被称为“原子弹之父”，在芝加哥大学和加利福尼亚大学召开会议，与许多理论物理学家和实验物理学家进行了讨论原子弹的设计等问题。虽然在会上，物理化学家 Richard Chace Tolman 提出了“内爆”设计的想法，但最终大多数人更倾向于“枪爆”设计，原因是“枪爆”设计不是不仅结构更简单，而且不确定性也更少。另外，有资料显示，当时人们认为，一旦“枪爆”钚弹出了问题，换成同样原理的铀弹，也就是原子弹，会更容易一些。代号“小男孩”。
“内爆”设计的“胖子”原子弹
1943 年初，在代号为“Skinny”的“枪击”设计成为研究重点后，奥本海默还研究了另一种“Fat Man”内爆设计，并在洛斯阿拉莫斯实验室，由物理学家Seth Neddermeyer领导，他的工作是对“内爆式”设计进行更深入的了解。虽然在上一次会议上也提出了“小男孩”的设计方案，但研究水平排在“胖子”。
埃德温·麦克米兰
奥本海默组建了一个设计团队，其中包括物理学家 Edwin McMillan、Charles Critchfield 和 Joseph Hirschfelder，专门从事“枪爆”原子弹的设计。 1943 年 4 月，“瘦”方案的设计工作开始了。 1944年初，“瘦身”方案的设计工作大致完成。同年4月，制作出全尺寸“Skinny”模型。
查尔斯·克里奇菲尔德（中），奥本海默在右边
“瘦”设计
“Skinny”采用了与上述“小男孩”相同的设计，即位于弹体尾部的一颗钚239“子弹”通过所产生的推进力射向位于弹头内的子弹。推进剂的爆炸。另一块钚 239，也被称为达到超临界状态的“目标”，引发核爆炸。
“枪爆”（上）和“内爆”（下）示意图
在核武器的设计中，有一个术语叫做“预爆炸”，即处于低临界状态的两片材料（铀 235 或钚 239） 速度不足以碰撞，仅导致碰撞）达到超临界状态（导致部分裂变反应），导致核爆炸比常规炸药更强大，但低于预期的 TNT 当量，并在低临界状态下炸毁大部分其他材料状态。
爆炸前示意图，仅在碰撞现场达到超临界状态
发生预爆主要是由于设计问题。为了避免预爆，克里奇菲尔德率领“E-6”小组，赫希菲尔德率领“E-8”小组，通过反复计算，确定了两片钚239达到超临界状态的时间。所需的压力和速度。即引爆时，让推进剂在“枪管”内产生52万千帕的压力（可以理解为驱动力），推动“子弹”在“枪管”内加速到每秒910米的速度。桶”。
从上到下分别是“gadget”、“skinny”和“little boy”
通过计算装药量可以达到所需的推进剂压力，但“子弹”的速度与“枪管”的长度密切相关。这个原理类似于枪管的直径，即“子弹”在“枪管”中的时间越长，受推进剂气体影响的时间越长，枪口初速就越高。这里的初速相当于两块处于低临界状态的物质碰撞时的速度。
“瘦”原子弹线图
为了满足要求，“Skinny”真的又瘦又长。弹体长度5.2米，弹头直径97厘米，弹体中部至尾部直径58厘米（不含尾部），重量3600公斤。做这么久，是为了让“子弹”获得足够的速度。
英国“兰开斯特”轰炸机10米长的弹舱
当时，为了能够挂载“瘦身”，军方首先准备使用英国“兰开斯特”轰炸机进行投掷，因为它有一个10米长的大型炸弹舱。后来复仇者式鱼雷轰炸机，考虑到机组人员再培训的需要等原因，B-29“超级堡垒”轰炸机的弹舱进行了改造，即拆除了主翼梁下方的舱壁和两个弹舱。在氧气罐之间安装原子弹。
“小男孩”原子弹准备挂载在“埃诺拉盖伊”的前弹舱，可以看到这个弹舱后面还有另一个弹舱
“瘦”的问题
1944 年 7 月，奥本海默得出结论，钚 239 不能使用“枪爆”设计，并选择了“内爆”设计。同年8月，他对洛斯阿拉莫斯实验室进行了大修，重点研发“内爆”或“胖子”原子弹。
温多弗军用机场的“Skinny”测试体，后面可见“Fat Man”测试体
plutonium-239之所以不能使用“枪爆”设计，主要是因为以下两个问题：
1.“Skinny”的身体较长，稳定性较差。 1943年8月至1944年3月，在弗吉尼亚州的美国海军达尔格伦试验场（Dahlgren），美国海军使用TBF“复仇者”鱼雷轰炸机进行了24次发射“瘦身”比例模型的试验。测试结果表明，模型在离开弹舱后多次侧身旋转。 1944年6月，改装后的B-29“超级堡垒”轰炸机在“瘦身”（此时为全尺寸试验体）改装后投入测试。高速照片显示复仇者式鱼雷轰炸机，尾翼在压力下变形，导致不稳定。
“瘦”原子弹的五观
2. 自发裂变率太高。这个问题其实早在1942年就提出来了，但当时解决这个问题的方法是提高核材料的纯度。在钚239中，难免含有一定量的钚240，因为钚240的自发裂变率很高，所以是必须去除的污染物。在用于核武器的钚中，钚240的含量不得超过7%。
“瘦”测试弹
自发裂变的高速率使其极有可能发生预爆炸。但在当时的技术条件下，如果使用“枪爆式”，则只能通过提高钚239“子弹”与“目标”之间的撞击速度来降低预爆概率。所以在这种情况下，使用 plutonium-239 的唯一方法是“内爆”设计。
结束
准备装入“埃诺拉盖伊”弹舱的“小男孩”原子弹，照片右上角可以看到B-29弹舱门的一部分
1944年7月17日，在一次会议上，与会人员一致决定取消“枪爆钚弹”的研制。此后，奥本海默重组了洛斯阿拉莫斯实验室，将几乎所有的人力物力投入到“内爆”钚弹的研究上。
弗朗西斯·伯奇
“枪爆”钚弹的工作取消后，“枪爆”铀弹的研究在弗朗西斯·伯奇为首的“O-1”小组开始，最终的结果是使用了第一颗原子弹在人类历史上的实战中，著名的“小男孩”。
