¿Por qué exactamente explotan las bombas atómicas?

No entiendo por qué exactamente conduce a una poderosa explosión en lugar de solo un estallido de radiación ionizante.

Esta radiación, que representa la mayor parte de la producción de energía inicial de un arma nuclear, es rápidamente absorbida por la materia circundante. Este último, a su vez, se calienta casi instantáneamente a una temperatura extremadamente alta, por lo que tiene la creación casi instantánea de una bola de plasma de energía cinética extremadamente alta. Esto a su vez significa un aumento prodigioso de la presión, y es esta presión la que da origen a la onda expansiva.

El mismo argumento se aplica a los neutrones y otros fragmentos de fisión/productos de fusión producidos inmediatamente por la reacción. Pero es el estallido inicial de radiación lo que crea abrumadoramente la bola de fuego en una detonación atmosférica, y la bola de fuego la que se expande para producir la mayor parte de la onda expansiva.

En una bomba de fisión de implosión, la mayor parte de las reacciones nucleares (100 GJ) ocurren en el microsegundo final; es una enorme cantidad de energía.$10^{17}$vatios. Esta energía se vierte en el pozo de Pu comprimido, que es de unos pocos kilogramos con una densidad de 100 g/cm^3, es pequeño.

El material nuclear se calienta a una temperatura extremadamente alta, decenas de millones de K--su cuerpo negro irradia (rayos X) al material más cercano: los componentes "fríos" de la bomba (entre comillas porque acaban de estar involucrados en una bomba convencional). explosión). Se calientan a una temperatura menor, que el cuerpo negro irradia isotrópicamente, calentando el material más lejos de la bomba. Tenga en cuenta que la atmósfera es opaca a estos rayos X, por lo que el proceso de difusión radiativa continúa durante varios cientos de metros. Esto se llama bola de fuego: se trata de fotones y difusión radiativa. A medida que se difunde hacia el exterior, en algún momento se vuelve más lento que una onda de choque, de modo que una onda de choque se separa de la bola de fuego, que ahora es del orden de unos cientos de miles de K. (En fotografías de la bola de fuego en los primeros milisegundos, cuando son 100'

La onda de choque calienta el aire a su paso, pero no es tan caliente como la bola de fuego. Tiene al menos 50 000 K, quizás 100 000 K, por lo que es al menos tan radiante como un rayo, pero no es transitorio y podría subtender un ángulo sólido mucho mayor, de ahí el fenomenal daño térmico. Sin embargo, es significativamente más frío que el material detrás de él.

A medida que la onda de choque se propaga, se debilita y finalmente ya no calienta el aire hasta alcanzar la luminancia; en este punto, la bola de fuego tradicional ha alcanzado su tamaño máximo. (Digo tradicional, porque es lo que vemos en las imágenes de prueba, pero debe distinguirse de la bola de fuego inicial que está difundiendo radiativamente fotones con algo de plasma arrojado, y la radiación es el modo dominante de transferencia de energía, aunque la carcasa de la bomba puede tener velocidades hipersónicas.)

Ahora, para una ráfaga de aire, la onda de choque que se refleja desde el suelo se mueve a través del aire caliente y, por lo tanto, es más rápida que la onda de choque directa: se pone al día y las dos se combinan para generar una descarga más poderosa, llamada tallo Mach. Esto continúa produciendo daño por explosión, ya que las fuerzas flotantes levantan la bola de fuego, produciendo la infame nube de hongo.

Para pruebas como Starfish Prime, que ocurrió en el espacio, los rayos X iniciales (rayos X muy duros) de los componentes de la bomba no son absorbidos por el aire, continúan hacia la atmósfera superior donde la dispersión Compton a gran escala produce un enorme y corriente repentina, que conduce a EMP de escala continental.

Un punto de aclaración: dado que el OP preguntó sobre la formación de ondas de choque, como señalaron otros, el aumento de temperatura conduce a una gran presión, lo que conduce a una onda de choque, pero no se forma en la bola de fuego, la difusión radiativa es al principio mucho más rápido, y solo cuando la bola de fuego se apaga, la onda de choque se separa de ella.

La forma más fácil de responder esto es dirigirte a una explicación de los productos de la fisión nuclear y sus componentes energéticos. Tiene razón al pensar que se libera radiación ionizante. Sin embargo, es solo una pequeña parte de la liberación de energía. Para el U235, la energía liberada en una sola fisión es de unos 195 MeV. De eso, 170 MeV están en la energía cinética de los dos fragmentos de fisión (la física es amable al limitar las cosas a dos fragmentos la mayor parte del tiempo). Otros 12 MeV están en la energía cinética de los neutrones liberados que pueden causar la reacción en cadena que se perpetúa a sí misma. Solo se encuentran alrededor de 8 MeV en la radiación gamma liberada. El calor generado se debe entonces a la transferencia de energía cinética en las colisiones con otra materia. Dado que la mayor parte de la liberación de energía inicial ocurre dentro de los 10E-12 segundos de la absorción del neutrón inicial, y las colisiones comienzan poco después, la generación de calor comienza en fracciones de segundo. Siguen la expansión del plasma, el aumento de la presión y la onda expansiva.

La onda de choque se crea cuando las altas temperaturas de la explosión vaporizan el material circundante, lo que provoca su rápida expansión.