核当量

核武器当量是指核武器爆炸后释放出的能量，通常用释放出相同能量的三硝基甲苯的吨位来衡量。常见的单位有千吨（kt）和百万吨（Mt），有时也用太焦耳（TeraJoules）。因为测量TNT爆炸产生的能量具有一定主观性，加之试验误差，精确测定很困难（特别是在核武器研发初期）。因此，一千吨TNT爆炸的能量约定俗成的定为1012大卡，相当于4.184太焦耳。当量-重量比是指核武器的当量与其重量的比值。对于聚变武器（热核武器），当量-重量比的理论极限是每吨位炸弹6百万吨TNT，相当于25太焦耳/千克。1960年代曾报道过当量在5.2百万吨／吨，甚至更高的单弹头核武器。但从那时起，为了增加打击效率，多弹头核武器受到青睐。因此，核武器开始小型化，现代单弹头核武器的当量-重量比开始走下坡路。从上往下当量递增（大部分数据为近似值）：作为比较，美国GBU-43 大型空爆炸弹（MOAB，戏称为“炸弹之母”）的当量只有11吨TNT；俄克拉何马城爆炸案中案犯使用的硝铵炸药只相当于2吨TNT。即使跟最小的核武器相比，常规爆炸也难以企及。理论上，裂变核武器所能达到的最高当量-重量比约为每吨位炸弹六百万吨TNT，相当于25太焦耳/千克。迄今达到的最高值略小于这个极限。现代小巧核武器的当量-重量比更低，因为需要考虑载具的运载能力。现代核武库中已经很少有大型单弹头。取而代之的是多目标重返大气层载具运载的多弹头系统。在当量或者载荷相近时，后者的破坏力远远超出前者。单个弹头的破坏力是其当量的2/3。在多弹头系统中，虽然每个弹头的破坏力相对小些，但是整体上多弹头的破坏力不但能够补偿失去的当量数，反而会因为更好的当量-重量比而具有更大的破坏力。核爆炸的当量有时很难计算，误差较大。当量的计算有几种方式，比如通过爆炸的范围、亮度、地震数据和冲击波的强度来确定。恩里科·费米曾用过一种非常粗略的方法来估计三位一体核试的当量。他在爆炸冲击波到来时扔出一把碎纸片，然后测量纸片飞了多远，以此估计爆炸的强度。1950年，英国物理学家杰弗里·泰勒曾利用简单的量纲分析和对极热空气热容的估计，估算了圣三一核试验的当量。他得到的近似值精度颇佳。起初泰勒的工作是严格保密的。1950年代，当前苏联爆炸了同类核弹之后，圣三一核试验被解密。泰勒于是发表了一篇文章，其中包括对圣三一核试验中火球的分析。泰勒指出，开始时火球的大小R仅仅依赖于爆炸产生的能量E、引爆后的时间t和空气的密度ρ。唯一能得到长度量纲的计算公式为：R = S ( E t 2 ρ ) 1 5 {displaystyle R=Sleft({frac {{E{t}}^{2}}{rho }}right)^{frac {1}{5}}}S是一个无量纲的常数，是热容比（γ = Cp/Cv，或者称作绝热指数）的低阶函数，因此在任何条件下都近似为1。泰勒观察了圣三一核试验中的火球随时间的变化后发现，R5/t2对核试验是一个常数，特别是时间在0.38毫秒（冲击波刚刚形成）和1.93毫秒（大量能量以辐射热的形式散失）之间。泰勒选择了爆炸后t=25毫秒，这时火球半径为140米。爆炸当天圣三一的空气密度为1千克/立方米。用这些值代入以上公式，泰勒得到圣三一核试验爆炸当量为二万二千吨TNT（90太焦耳）。值得注意的是，圣三一核试验中的火球是半个火球，而不是一个完整的球。但是这个简单的计算得到的结果同官方数据（二万吨TNT）相差仅10%。当热容比γ小于2时，泰勒的常数S可以用下式来估计：S = 1/5完全解离空气分子的热容比为1.67；极热的未解离空气分子的热容比为1.20。在核弹火球中的空气与标准状态下的空气恰好有同样的热容比：1.40。根据这个数据，泰勒的常数S在绝热冲击波区为1.036。许多核爆未公布数据，因此其当量均有争议，特别是涉及到政治的时候。比如，在广岛和长崎爆炸的原子弹设计相当不同。事后估计它们的当量很困难。投掷于广岛的“小男孩”的当量估计为一万二千到一万八千吨TNT（误差20%），投掷于长崎的“胖子”估计为一万八千到二万三千吨TNT（误差10%）。这样的数据可以用来评估其它炸弹在实战中的性能。比如“常春藤麦克”热核武器相当于867或578个广岛核弹。其它受到争议的还包括“沙皇炸弹”的当量。不同的政治人物使用不同的数值。有的说“只有五千万吨”，另外的则说“五千七百万吨”。