Warum genau explodieren Atombomben?

Ich verstehe nicht, warum genau es zu einer starken Explosion führt, anstatt nur zu einem Ausbruch ionisierender Strahlung.

Diese Strahlung, die den größten Teil der anfänglichen Energieabgabe einer Atomwaffe ausmacht, wird schnell von der umgebenden Materie absorbiert. Letztere wiederum erwärmt sich fast augenblicklich auf eine extrem hohe Temperatur, sodass Sie fast augenblicklich eine Kugel aus Plasma mit extrem hoher kinetischer Energie erzeugen. Dies wiederum bedeutet einen ungeheuren Druckanstieg, und dieser Druck ist es, der die Druckwelle entstehen lässt.

Das gleiche Argument gilt für die Neutronen und andere Spaltfragmente / Fusionsprodukte, die unmittelbar durch die Reaktion erzeugt werden. Aber es ist der anfängliche Strahlungsausbruch, der den Feuerball in einer atmosphärischen Detonation überwältigend erzeugt, und der Feuerball, der sich ausdehnt, um den größten Teil der Druckwelle zu erzeugen.

In einer Implosionsspaltungsbombe findet der Großteil der Kernreaktionen (100 GJ) in der letzten Mikrosekunde statt – es ist eine enorme Energiemenge –$10^{17}$Watt. Diese Energie wird in die komprimierte Pu-Grube geleitet – die wenige Kilogramm wiegt und eine Dichte von 100 g/cm^3 hat – sie ist klein.

Das nukleare Material wird auf eine extrem hohe Temperatur erhitzt, zig Millionen K--es strahlt ein schwarzer Körper (Röntgenstrahlen) auf das nächste Material: die "kalten" Bombenkomponenten (Luftzitate, weil sie gerade an einer konventionellen beteiligt waren Explosion). Sie werden auf eine niedrigere Temperatur erhitzt, die der schwarze Körper isotrop ausstrahlt und Material weiter von der Bombe entfernt erhitzt. Beachten Sie, dass die Atmosphäre für diese Röntgenstrahlen undurchlässig ist, sodass der Prozess der Strahlungsdiffusion mehrere hundert Meter weitergeht. Dies wird Feuerball genannt – es dreht sich alles um Photonen und Strahlungsdiffusion. Wenn es nach außen diffundiert, wird es irgendwann langsamer als eine Stoßwelle, so dass sich eine Stoßwelle vom Feuerball löst, die jetzt in der Größenordnung von einigen hunderttausend K liegt. (Auf Fotos des Feuerballs in den ersten paar Millisekunden, wenn es ist 100'

Die Stoßwelle erwärmt Luft, wenn sie vorbeizieht, aber sie ist nicht so heiß wie der Feuerball. Es ist mindestens 50.000 K, vielleicht 100.000 K – es ist also mindestens so strahlend wie ein Blitz – aber es ist nicht vorübergehend und könnte einen viel größeren Raumwinkel umfassen – daher der phänomenale thermische Schaden. Trotzdem ist es deutlich kälter als das Material dahinter.

Während sich die Stoßwelle ausbreitet, schwächt sie sich ab und erwärmt die Luft schließlich nicht mehr bis zur Leuchtdichte – an diesem Punkt hat der traditionelle Feuerball seine maximale Größe erreicht. (Ich sage traditionell, weil es das ist, was wir in Testaufnahmen sehen, aber es sollte von dem anfänglichen Feuerball unterschieden werden, der Photonen mit etwas eingeworfenem Plasma strahlend streut - und Strahlung ist die dominierende Art der Energieübertragung, obwohl das Bombengehäuse können Hyperschallgeschwindigkeiten haben.)

Bei einem Luftstoß bewegt sich nun die vom Boden reflektierte Stoßwelle durch erhitzte Luft und ist daher schneller als die direkte Stoßwelle: Sie holt sie ein und die beiden kombinieren sich zu einem stärkeren Stoß, der als Mach-Stamm bezeichnet wird. Dies führt zu Explosionsschäden, da Auftriebskräfte den Feuerball anheben und die berüchtigte Pilzwolke erzeugen.

Bei Tests wie Starfish Prime, die im Weltraum stattfanden – die anfänglichen Röntgenstrahlen (sehr harte Röntgenstrahlen) von den Bombenkomponenten werden nicht von der Luft absorbiert – gehen sie weiter in die obere Atmosphäre, wo die weiträumige Compton-Streuung eine riesige erzeugt und plötzliche Strömung, die zu EMP im kontinentalen Maßstab führt.

Ein Punkt zur Klarstellung: Da das OP nach der Bildung von Stoßwellen gefragt hat - wie andere betonten, führt der Temperaturanstieg zu einem enormen Druck, der zu einer Stoßwelle führt, die sich jedoch nicht im Feuerball bildet -, ist die Strahlungsdiffusion zunächst stark schneller – und erst als der Feuerball versickert, trennt sich die Schockwelle von ihm.

Der einfachste Weg, dies zu beantworten, besteht darin, Sie zu einer Erklärung der Produkte der Kernspaltung und ihrer Energiekomponenten zu verweisen. Sie haben recht mit der Annahme, dass ionisierende Strahlung freigesetzt wird. Es ist jedoch nur ein kleiner Teil der Energiefreisetzung. Für U235 beträgt die bei einer einzelnen Spaltung freigesetzte Energie etwa 195 MeV. Davon sind 170 MeV in der kinetischen Energie der beiden Spaltfragmente enthalten (die Physik ist gut darin, die Dinge meistens auf zwei Fragmente zu beschränken). Weitere 12 MeV stecken in der kinetischen Energie der freigesetzten Neutronen, die die sich selbst aufrechterhaltende Kettenreaktion hervorrufen können. In der freigesetzten Gammastrahlung sind nur etwa 8 MeV zu finden. Die erzeugte Wärme entsteht dann durch die Übertragung kinetischer Energie bei Kollisionen mit anderer Materie. Da der größte Teil der anfänglichen Energiefreisetzung innerhalb von 10E-12 Sekunden nach der Absorption des anfänglichen Neutrons erfolgt, und die Kollisionen kurz darauf beginnen, beginnt die Wärmeentwicklung innerhalb von Sekundenbruchteilen. Die Plasmaexpansion, der Druckanstieg und die Druckwelle folgen.

Die Schockwelle entsteht, wenn die hohen Temperaturen der Explosion umgebendes Material verdampfen, was zu einer schnellen Ausdehnung führt.