原子爆弾の歴史と物理学

1945年8月6日、日本の都市広島の上空に爆弾が爆発した。まばゆい閃光、そして耳をつんざくような衝撃音。街全体が数秒のうちに粉々に砕け散った。こうして核時代の幕開けとなった。最初の原子爆弾が炸裂してから80年が経った今も、広島は私たちの記憶に深く刻まれ、新たな大惨事への恐怖を抱かせている。

核爆弾は広島と3日後の長崎でわずか二度しか使用されていないにもかかわらず、その存続は重大な危険を伴います。今日、軍縮への努力と数々の国際条約にもかかわらず、世界には依然として1万2000発以上の核弾頭が存在します。

アイデアから原子へ

1933年、アドルフ・ヒトラーがドイツ首相に就任し、第三帝国が樹立されました。ナチズムは瞬く間に全体主義体制へと変貌を遂げました。ナチズムの影響は瞬く間に国際的なものとなり、1939年には第二次世界大戦の勃発とともに世界規模へと拡大しました。1933年にはもう一つの出来事がありました。ナチス政権から逃れるためにイギリスに亡命したユダヤ系ハンガリー人科学者、レオ・シラードが、あるアイデアを思いつきました。原子に中性子を衝突させ、その過程で原子が分裂し、2つ以上の中性子を放出すれば、自己持続的な核分裂反応の連鎖が生じるというものです。それぞれの反応は膨大なエネルギーを放出します。これを兵器に転用できる可能性は明らかでした。

1938年、ファシズムから逃れてニューヨークに亡命したイタリアの物理学者エンリコ・フェルミは、この種の反応が起こる物質、ウランを発見しました。ナチスもこの元素の連鎖反応能力を発見するのではないかと懸念し、1940年にマンハッタン計画が発足しました。これはアーサー・コンプトンが率いる核兵器開発のための秘密計画です。コンプトンはフェルミとシラードを含む研究グループを結成し、核連鎖反応の実験を継続しました。理論物理学者のジュリアス・ロバート・オッペンハイマーもチームの一員でした。

1942年12月2日、シカゴ大学のフットボール場の地下で、最初の実実験が行われました。物理学者たちはスカッシュコートに「シカゴ・パイル1」という愛称の原子炉を建設し、人類史上初の持続的な核反応を実現しました。これはシラードの構想を裏付けるものでした。1943年、オッペンハイマーはニューメキシコ州ロスアラモス研究所のプロジェクトマネージャーに就任し、そこで史上初の真の核兵器が設計・製造されることになりました。1945年7月16日、アメリカ合衆国はニューメキシコ州の砂漠でこの核兵器を爆発させました。20日後の8月6日、同様の爆弾が日本の広島市に、そして8月9日には長崎市に投下され、数日後には日本の降伏と第二次世界大戦の終結につながりました。

核の問題

学校で習うように、原子は中性子と陽子からなる原子核で構成され、その周りを電子が回っています。原子核は結合してより大きな原子を形成することも、分裂してより小さな原子を形成することもできます。前者は核融合と呼ばれ、恒星で起こるプロセスであり、今日の研究者たちはエネルギーを生成する手段として実験室で再現しようとしています。猛烈な熱と圧力の下で、原子は融合してより重い原子を形成します。例えば、太陽のような恒星では、水素の原子核が融合してヘリウムの原子核を形成します。このプロセスによってエネルギーが放出され、太陽系に放射され、地球に居住可能な環境を作り出しています。

しかし、原子核が分裂する現象は核分裂と呼ばれ、原子力発電所では制御された形で、また核爆弾では意図的に制御されていない形で利用されています。この場合、重くて不安定な原子がより軽い原子に分裂し、この過程でエネルギーも放出されます。エネルギーに加えて過剰な中性子も放出され、まさにシラードが考案した核分裂連鎖反応が引き起こされます。しかし、連鎖反応を持続させるためには、核分裂性物質が臨界、つまり十分な数の中性子が放出され、それが他の原子に衝突してさらなる原子の分裂を継続的に引き起こす状態に達する必要があります。原子炉では臨界を達成することが目的ですが、原子爆弾では臨界を超えること、つまり1つの反応がさらに複数の反応を引き起こし、プロセスをエスカレートさせる必要があります。

核分裂から核融合へ

これまで議論してきた兵器は、核分裂をベースとした「古典的な」原子爆弾です。通常、原子爆弾は化学爆発によって起爆し、ウランまたはプルトニウムの塊を臨界を超えるまで圧縮します。しかし、この研究分野のその後の発展により、核融合爆弾と呼ばれる別のタイプの核装置が開発されました。これらは熱核爆弾と呼ばれ、2つの爆発の連続が発生します。最初の爆発は核分裂爆弾に相当し、前述の化学爆発と核分裂連鎖の連続が発生します。最初の爆発によって放出されたエネルギーは、水素原子の核融合を誘発するために使用される二次爆発につながります。これまでに設計およびテストされたこのタイプの最も強力な装置は、1961年にソビエト連邦によって北極で爆発された有名なツァーリ爆弾です。

爆発が起こる仕組み

誰もがキノコ雲のイメージを思い浮かべるでしょう。しかし、それはどのようにして発生するのでしょうか？原子爆弾が爆発すると、最初の1秒以内に自由中性子とガンマ線の形でエネルギーが突然放出されます。爆発は、起爆点から数十キロメートルまで広がる炎の球体として現れます。この炎の爆発は大気圏に上昇し、典型的なキノコ雲を形成します。熱閃光が発生し、放出された熱によって、爆発の中心から数キロメートル離れた場所でも火災や火傷を引き起こす可能性があります（爆弾の威力によって異なります）。

爆発は急速に拡大し、衝撃波（気圧の急激な変化）を発生させます。この衝撃波が、原子爆弾に伴う破壊の大部分を引き起こします。しかし、原子爆弾の特異性は放射性降下物にあります。これは、爆発の周囲に広がる核分裂生成物の雨であり、数十年にわたって放射性元素で汚染される可能性があります。

この記事はもともとWIRED Italiaに掲載されたもの で、イタリア語から翻訳されています。