Fermi7
Определение мощности ядерного взрыва. Метод Энрико Ферми.
История про клочки бумаги, бросаемые при прохождении ударной волны, стала визитной карточкой Ферми. Ниже вы можете увидеть кадры из фильма "Бесконечность" (Infinity, другое название на русском: "Бесконечная любовь". Реж. Мэттью Бродерик. 1996г. 119 мин.) Вообще-то фильм про Р. Фейнмана.
Друг Э.Ферми Э.Сегре, который на испытаниях был рядом с ним, пишет:
«Ферми встал и начал сыпать маленькие обрывки бумаги. Он подготовил простой эксперимент для измерения энергии взрыва: в спокойном воздухе обрывки бы упали к его ногам, а когда через несколько секунд после взрыва придет фронт ударной волны, они упадут несколькими сантиметрами (метрами?) дальше в направлении распространения ударной волны. По расстоянию до точки взрыва и смещению воздуха под воздействием ударной волны можно вычислить энергию взрыва. Эти вычисления Ферми проделал заранее, подготовив таблицу, по которой он мог сразу же определить энергию в результате такого грубого, но простого измерения… Этот случай настолько характерен для Ферми… Не менее характерно, что его ответ оказался очень близким к результату аккуратно проведенных официальных измерений. Но последний появился через несколько дней изучения записей, а Ферми получил свой через несколько секунд…» Сегре1973p194
Перед первым испытанием атомной бомбы 16 июня 1945г. на полигоне Тринити (штат Нью-Мексико) оценки ее мощности варьировались от 0 (если бомба не сработает) до 45000 тонн тротилового эквивалента.
Теллер поставил на 45 тыс. тонн, Ганс Бете - 8 тыс., Кистяковский - 1400, Оппенгеймер - 300. Норман Рамсей указал 0. Исидор Раби - 18 тыс. тонн. Rhodes2012p656
Rhodes2012: Richard Rhodes The Making of the Atomic Bomb. The 25th Anniversary Edition. - New York: Simon & Schuster Paperback, 2012. - 838p.
Ферми ставит вопрос иначе: "Не воспламенит ли бомба земную атмосферу? И если да, то сгорит при этом только американский штат Нью-Мексико или вся планета?" Мания_История2012p331
Ферми пишет в своем отчете Fermi1945:
Утром 16 июля я занял позицию в базовом лагере на расстоянии около 10 миль от места взрыва. Взрыв был произведен около 5:30...Примерно через сорок секунд после взрыва взрывная волна настигла меня. Я попытался оценить мощность взрыва, бросая маленькие кусочки бумаги с высоты 6 футов до, во время и после прохождения взрывной волны. Так как в этот момент не было ветра, я смог четко измерить действительное перемещение кусочков бумаги во время их падения под действием взрывной волны. Их смещение составило около 2.5 метров, что должно было быть при взрыве по моей оценке 10 тысяч тонн тринитротолуола (ТНТ).
Расчеты с использованием более сложного оборудования, проведенные коллегами Ферми в течении нескольких дней, оценили мощность взрыва в 18.6 килотонн.
Критика метода Ферми не заставила себя ждать:
С двухметровой высоты Ферми бросает в воздух свои бумажные обрезки — до, во время и после прохождения ударных волн. Поскольку ветра в это время нет, то по дистанции между захваченными ударной волной бумажками и теми, что были брошены раньше, можно будет заключить о взрывной силе бомбы. Однако этот кустарный метод, похоже, следовало проработать лучше. Полученный результат в десять тысяч тонн тротила заметно отличается от полученных позднее, уточненных 18 600 тонн.
[Мания_История2012p342]
Мания_История2012: Мания Х.: История Атомной бомбы.- Пер. с нем. Набатниковой. - М.: Текст, 2012. - 349с.
Остается вопрос: Как все-таки Ферми определил мощность взрыва? В общем, требуется оценить, какой метод использовал сам Ферми =:) По-видимому, у Ферми была подготовлена таблица или простая формула с зависимостью мощности взрыва от дальности полета кусочков бумаги. Мы теперь знаем, что смещению на 2.5 м соответствовало 10 килотонн мощности взрыва. Что-нибудь вроде этого:
Карта полигона Тринити [wiki]. Можно заметить отметку базового лагеря (Квадратик - Место нахождения Э.Ферми во время взрыва) на десятимильной окружности.
Вид сверху через 28 часов после взрыва [wiki].
На следующем сайте обсуждаются вопрос как раскрыть метод, которым пользовался Ферми при определении мощности первого атомного взрыва: Quora
Еще один подход предложен в Weinstein2012p169-171. Здесь мощность взрыва оценивается в 1-4 кт.
Оценка мощности исходя из работы взрыва против атмосферного давления приведена в Исакович1973p108-109. Результат оценки, по мнению автора, совпадает с реальными данными для бомб данного типа. Однако, надо отметить, что первоначальные данные Ферми несколько отличаются от американских источников. В частности, бумажки улетели на 2.5 метра, а не 1, и Ферми находился в 16 км от эпицентра, а не в 10. Пересчет в соответствии с новыми данными приводит к мощности в 100 кт, что не соответствует оценке Ферми.
Также можно предположить использование для сравнения экспериментального неядерного взрыва, проведенного несколько ранее.
100-Tonn Test. Пробный взрыв, проведенный 7 мая 1945г. для исследования эффектов взрыва и настройки измерительных приборов. Состоял в подрыве 110 тонн ТНТ на башне высотой 20 футов. Разбрасывал ли Ферми свои листочки во время этого взрыва? И на каком расстоянии от эпицентра он при этом находился? Высоту башни можно проверить по среднему росту людей, стоящих на площадке, или по высоте ступенек лестницы на первом плане. http://www.lanl.gov/newsroom/picture-of-the-week/pic-week-16.php
http://tutankanara.livejournal.com/404864.html Встретился старый советский плакат по данной теме. Первый взрыв в Тринити имел слишком малую мощность и не попал в данную таблицу.
Определение мощности ядерного взрыва. Метод Джефри Тейлора.
Geoffrey Ingram Taylor (1886-1975) оценил мощность взрыва в 17 кт, не имея данных об американских измерениях и обладая только фотографиями взрыва, опубликованными в 1947г. How Big was the Bomb?//Irish Times.2014 https://thatsmaths.com/2014/09/18/how-big-was-the-bomb/
Не путать с Бруком Тейлором (Brook Taylor) (1685—1731) (Ряд Тейлора в математике) и Фредериком Тейлором (Frederick Taylor)(1856-1915)(НОТ - научная организация труда).
Deakin_Taylor2011: Deakin, Michael A.B. (2011) G.I. Taylor and the Trinity test// International Journal of Mathematical Education in Science and Technology, 42:8, 1069-1079, DOI: 10.1080/0020739X.2011.562324 http://dx.doi.org/10.1080/0020739X.2011.562324
Taylor2011: G.I. Taylor, The formation of a blast wave by a very intense explosion: I. Theoretical discussion. Proc. Roy. Soc. A 201 (1950), pp. 159-74 [Reprinted in The Scientific Papers of Sir Geoffrey Ingram Taylor, Vol. 3, G.K. Batchelor, ed., Cambridge University Press, Cambridge, pp. 493–509]. http://www3.nd.edu/~powers/ame.90931/taylor.blast.wave.I.pdf
Taylor2011: G.I. Taylor, The formation of a blast wave by a very intense explosion: II. The atomic explosion of 1945. Proceedings of the Royal Society A 201, 1950, pp. 175-86 [Reprinted in The scientific papers of Sir Geoffrey Ingram Taylor, G.K. Batchelor. ed., Vol. 3, Cambridge University Press, pp. 510–521]. http://www3.nd.edu/~powers/ame.90931/taylor.blast.wave.II.pdf
Итого: 16.8 тыс. тонн, не считая радиации.
Mack1947: Mack, J. E. 1947 Semi-popular motion picture record of the Trinity explosion. PlIDDC221. U.S. Atomic Energy Commission. 44 pages https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015074121206;view=1up;seq=1
Эти фотографии использовал Тейлор, если судить по источникам в его статье.
Бэрроу2014: Джон Бэрроу: История науки в знаменитых изображениях. - Пер. с англ. М: Эксмо, 2014. - 384с. Ориг. назв.: John D. Barrow: Cosmic Imaginery: Key Images in the History of Science.
Эта чудовищная сила. Ядерный гриб. Расчет Тейлора. Снимки взрыва тоже присутствуют.[Бэрроу2014p318-320_377]
Гровс1964: Гровс Л. Теперь об этом можно рассказать. - Сокращенный перевод с английского О.П. Бегичева - М.: Атомиздат, 1964. - 304c. (Глава 21. Аламогордо) Leslie R. Groves: NOW IT CAN BE TOLD. The story of Manhattan project. - New York: Harper & Brothers Publishers, 1963. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гровс,_Лесли
Взрыв произошел сразу же после отсчета "ноль" в 5 часов 30 минут 16 июля 1945 г. Моим первым впечатлением было ощущение очень яркого света, залившего все вокруг, а когда я обернулся, то увидел знакомую теперь многим картину огненного шара. Первой моей, а также Буша и Конэнта реакцией, пока мы еще сидели на земле, следя за этим зрелищем, был молчаливый обмен рукопожатиями. Вскоре, буквально через 50 секунд после взрыва, до нас дошла ударная волна. Я был удивлен ее сравнительной слабостью. На самом деле ударная волна была не такой уж слабой. Просто вспышка света была так сильна и так неожиданна, что реакция на нее снизила на время нашу восприимчивость.
Ферми в тайне от всех приготовил очень простое приспособление для измерения силы взрыва -- клочки бумаги. Когда подошла ударная волна, я видел, как он выпустил их из руки. У земли ветра не было, поэтому ударная волна подхватила и отбросила их. Ферми отпускал их с определенной высоты, которую он заранее измерил, поэтому ему нужно было теперь только знать, на каком расстоянии они упали на землю. Он еще раньше вычислил зависимость силы взрыва от расстояния до него. Теперь, смерив расстояние до места, где упали клочки бумаги, он тотчас объявил, Какова была мощность взрыва. Его расчет совпал с данными, полученными позднее на основе показаний сложных приборов.
Накануне вечером я был несколько раздражен поведением Ферми, когда он вдруг предложил своим коллегам заключить пари -- подожжет ли бомба атмосферу или нет, и если подожжет, то будет ли при этом уничтожен только штат Нью-Мексико или весь мир. "Не так уже важно, -- говорил он, -- удастся взрыв или нет, все равно это интересный научный эксперимент, так как в случае неудачи будет установлено, что атомный взрыв невозможен".
