核武器的四种杀伤因素
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2005年2月26日
核爆炸瞬间产生的巨大能量，形成光辐射、冲击波、早期核辐射和放射性沾染四种杀伤破坏因素。前三种因素的作用时间，均在爆炸的几秒至几十秒之内，故称为瞬时杀伤因素(instantaneous killing factor)。放射性沾染的作用时间长，可持续几天，几周或更长时间，以其放射性危害人员健康，因此称为剩余核辐射(recidual unclear radiation)。此外，由核爆炸释放的γ射线，使空气分子电离，形成核电磁脉冲(nuclear electro-magnetic pulse)，它的作用时间不到一秒钟。主要是破坏或干扰电子和电气设备，尚未发现对人畜有杀伤作用。
在30km高度以下大气层中的核爆炸，上述四种杀伤破坏因素在爆炸总量所占比例大致为：光辐射35%，冲击波50%，早期核辐射5%，放射性沾染10%。但由于核武器种类、当量和爆炸环境的不同，能量分配的比例会有很大的差异。例如中子弹的早期核辐射(主要是高能中子)的能量比例可高达40%～80%，其它杀伤因素的能量比例则显著降低。
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一、光辐射
(一)光辐射的形成
光辐射(light radiation)是核爆炸瞬间产生的几千万度的高温火球，向四周辐射的光和热、光辐射也称热辐射(thermal radiaion)。
(二)光辐射的主要性质
1.能量释放：光辐射能量释放有两个脉冲。第一脉冲为闪光阶段，持续时间极短，所释放的能量仅为光辐射总能量的1%～2%，主要是紫外线。这阶段不会引起皮肤损伤，但有可能引起视力障碍。第二脉冲为火球阶段，持续时间可达几秒至几十秒，所释放的能量占光辐射总量的98%～99%，主要是红外线和可见光，是光辐射杀伤破坏作用的主要阶段。
2.光冲量：光冲量(radiant exposure)是徇衡量光辐射杀伤破坏作用的主要参数。光冲量是指火球在整个发光的时间内，投射到与光辐射传播方向相垂直的单位面积上的能量，单位是焦耳·每平方米或焦耳·每平方厘米(J·m-2、J·cm-2)。
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3.光辐射的传播：光辐射具有普遍光的特性，在大气中是以光速(3×108m·s-1)呈直线传播。传播中，受到大气中各种介质的反射、散射和吸收、强度逐渐被削减，但能透过透明物体发生作用。
二、冲击波
(一)冲击波的形成
核爆炸形成的高温高压火球，猛烈向外膨胀，压缩周围的空气层，形成一个球形的空气密度极高的压缩区。随着压缩压的迅速向外运动，其后形成一个球形的低于正常大气压的稀疏区。两个区域紧密相连，在介质中迅速传播，形成了核爆炸的冲击波(blast wave)。
(二)冲击波的主要性质
1.冲击波的压力：冲击波的压力有超压(overpressure)、动压(dynamic pressure)以及负压(underpressure，negative pressure)三种。压缩区内超过正常大气压的那部分压力称为超压；高速气流运动所产生的冲击压力称为动压。波阵面上的超压和动压最大，分别称为超压峰值和动压峰值。以单位面积所承受的压力表示，其单位是帕斯卡(简称帕，符号Pa，1Pa＝1N·m2，1kPa＝7.501mmHg)。稀疏区内低于正常大气压的那部分压力称为负压。冲击波的杀伤破坏作用主要是由超压和动压造成的，而负压的作用较小。
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2.冲击波的传播：冲击波传播的规律与声波相同。压力越大，传播越快，最初速度可达每秒数公里。以后随着传播距离渐远，压力渐小，则速度渐慢，当压力降至正常大气压时，冲击波就变成声波而消失。
3.冲击波的作用时间：冲击波到达某一距离所需的时间，称为冲击波的到达时间。冲击波到达某一点，压力从开始上升至达峰值所需的时间，称为压力上升时间。超压持续作用的时间，称为正压作用时间。压力上升时间越短，正压作用时间越长，则杀伤破坏作用就越强，反之则越弱。
三、早期核辐射
(一)早期核辐射的形成
早期核辐射(initial unclear radiation)是核爆炸特有的一种杀伤因素，又称贯穿辐射(penetrating radiation)，是核爆炸后最初十几秒钟内产生的γ射线和中子流。
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(二)早期核辐射的主要性质
1.传播速度快：γ射线以光速传播；中子传播速度由其能量决定，最大可接近光速。
2.作用时间短：核裂变和聚变中子以及氮俘获产生的γ射线。作用时间不到半秒钟；裂变碎片γ射线，因碎片多为半衰期短，衰变快，又随火球、烟云上升，因此不论当量大小，早期核辐射对地面目标的作用，时间多为十几秒钟以内。
3.能发生散射：早期核辐射最初基本上呈直线传播，但在传播过程中与介质相碰撞可发生散射，运动方向呈杂乱地射向目标物。
4.贯穿能力强，但能被介质减弱：早期核辐射的贯穿能力强，但在通过各种介质时均会不同程度地被吸收而减弱，各种物质对早期核辐射的减弱能力通常用物质的半减弱层表示。半减弱层是指早期核辐射减弱一半所需的物质的层厚度。从表2-2中可见14cm厚的土层，能将早期核辐射减弱50%。另外不同物质对不同种类射线的减弱能力是不同的。
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表2-2 某些物质对早期核辐射的半减弱层
辐射 半减弱层(cm)
土壤 混凝土 木材 水 铁
γ射线 14.0 10.0 30.0 20.0 3.2
中子 13.8 10.3 11.7 5.0 4.7
5.产生感生放射性：土壤、兵器、含盐食品及药品中某些稳定性核素的原子核，俘获慢中子形成放射性核素。这种放射性核素称为感生放射性核素，这种放射性叫感生放射性。
6.早期核辐射量：通常以吸收剂量表示，单位是戈瑞(Gy)，中子量有时用中子通量表示，中子通量是指单位面积(m-2或cm-2)上的中子数。
四、放射性沾染
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(一)放射性沾染的形成
核爆炸时产生的大量放射性核素，在高温下气化，分散于火球内，当火球冷却成烟云时，与烟云中微尘以及由地面上升的尘土凝对成放射性微粒。受重力作用向地面沉降，称放射性落下灰(radioactive fallout)，简称落下灰。由此造成空气、地面、水源、各种物体和人体的沾染称为放射性沾染(radioactive contamination)。
(二)放射性沾染的主要性质
1.组成成分：放射性落下灰由核裂变产物、感生放射性核素和未裂变的核装料三部分组成。落下灰主要发射β、γ射线。
2.理化特性
(1)状态：落下灰粒子呈球形或椭圆形微粒，粒内放射性物质分布均匀。颜色与爆区土壤有关，可呈黑色、灰色或其它颜色。粒径大小与爆炸方式有关，地爆的粒径较大，自几微米至几毫米；空爆的粒径较小，仅为几微米至几十微米。
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(2)溶解度：溶解度与落下灰的粒径大小，放化成分以及溶剂的酸碱度有关。水中溶解度较低，仅为10%左右。在酸性溶液中溶解度较高，如在0.1N的盐酸溶液中溶解度为35%～60%。
(3)比活度：落下灰的比活度，随其粒子径的增大而减小。爆后1小时的落下灰，地爆的比活度为107～1010Bq·g-1。
3.落下灰的衰变规律：试验证明，在爆后1～5000小时内，地面辐射级(即剂量率)的衰变可用“六倍规律”粗略计算，即时间每增加6倍，辐射级降至原来的1/10。如某处爆后1小时辐射级为80cGy·h-1；爆后6小时降到8cGy·h-1；爆后36小时降到0.8cGy·h-1。
4.放射性沾染量
(1)地面沾染：用距地面0.7～1m高度的辐射级表示，单位是戈瑞(或厘戈瑞)每小时(Gy·h-1、cGy·h-1)。
通常将0.5cGy·h-1的地域定为沾染边界。将地面沾染的严重程度划分为四级：0.5～10cGy·h-1的地域为轻微沾染区；10～50cGy·h-1的地域为中等沾染区；50～100cGy·h-1的地域为严重沾染区；大于100cGy·h-1的地域为极严重沾染区。(2)人体或物体表面沾染：用单位面积上的放射性活度表示，单位是贝可·每平方米或贝可·每平方厘米(Bq·m-2、Bq·cm-2)。
(3)物质污染：用比活度表示，单位是贝可·每千克或贝克·每克(Bq·kg-1、Bq·g-1)。
(4)空气或液体污染：用放射性浓度表示，单位是贝可·每升或贝可·每毫升(Bq·L-1、Bq·ml-1)。, http://www.100md.com
在30km高度以下大气层中的核爆炸，上述四种杀伤破坏因素在爆炸总量所占比例大致为：光辐射35%，冲击波50%，早期核辐射5%，放射性沾染10%。但由于核武器种类、当量和爆炸环境的不同，能量分配的比例会有很大的差异。例如中子弹的早期核辐射(主要是高能中子)的能量比例可高达40%～80%，其它杀伤因素的能量比例则显著降低。
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一、光辐射
(一)光辐射的形成
光辐射(light radiation)是核爆炸瞬间产生的几千万度的高温火球，向四周辐射的光和热、光辐射也称热辐射(thermal radiaion)。
(二)光辐射的主要性质
1.能量释放：光辐射能量释放有两个脉冲。第一脉冲为闪光阶段，持续时间极短，所释放的能量仅为光辐射总能量的1%～2%，主要是紫外线。这阶段不会引起皮肤损伤，但有可能引起视力障碍。第二脉冲为火球阶段，持续时间可达几秒至几十秒，所释放的能量占光辐射总量的98%～99%，主要是红外线和可见光，是光辐射杀伤破坏作用的主要阶段。
2.光冲量：光冲量(radiant exposure)是徇衡量光辐射杀伤破坏作用的主要参数。光冲量是指火球在整个发光的时间内，投射到与光辐射传播方向相垂直的单位面积上的能量，单位是焦耳·每平方米或焦耳·每平方厘米(J·m-2、J·cm-2)。
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3.光辐射的传播：光辐射具有普遍光的特性，在大气中是以光速(3×108m·s-1)呈直线传播。传播中，受到大气中各种介质的反射、散射和吸收、强度逐渐被削减，但能透过透明物体发生作用。
二、冲击波
(一)冲击波的形成
核爆炸形成的高温高压火球，猛烈向外膨胀，压缩周围的空气层，形成一个球形的空气密度极高的压缩区。随着压缩压的迅速向外运动，其后形成一个球形的低于正常大气压的稀疏区。两个区域紧密相连，在介质中迅速传播，形成了核爆炸的冲击波(blast wave)。
(二)冲击波的主要性质
1.冲击波的压力：冲击波的压力有超压(overpressure)、动压(dynamic pressure)以及负压(underpressure，negative pressure)三种。压缩区内超过正常大气压的那部分压力称为超压；高速气流运动所产生的冲击压力称为动压。波阵面上的超压和动压最大，分别称为超压峰值和动压峰值。以单位面积所承受的压力表示，其单位是帕斯卡(简称帕，符号Pa，1Pa＝1N·m2，1kPa＝7.501mmHg)。稀疏区内低于正常大气压的那部分压力称为负压。冲击波的杀伤破坏作用主要是由超压和动压造成的，而负压的作用较小。
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2.冲击波的传播：冲击波传播的规律与声波相同。压力越大，传播越快，最初速度可达每秒数公里。以后随着传播距离渐远，压力渐小，则速度渐慢，当压力降至正常大气压时，冲击波就变成声波而消失。
3.冲击波的作用时间：冲击波到达某一距离所需的时间，称为冲击波的到达时间。冲击波到达某一点，压力从开始上升至达峰值所需的时间，称为压力上升时间。超压持续作用的时间，称为正压作用时间。压力上升时间越短，正压作用时间越长，则杀伤破坏作用就越强，反之则越弱。
三、早期核辐射
(一)早期核辐射的形成
早期核辐射(initial unclear radiation)是核爆炸特有的一种杀伤因素，又称贯穿辐射(penetrating radiation)，是核爆炸后最初十几秒钟内产生的γ射线和中子流。
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(二)早期核辐射的主要性质
1.传播速度快：γ射线以光速传播；中子传播速度由其能量决定，最大可接近光速。
2.作用时间短：核裂变和聚变中子以及氮俘获产生的γ射线。作用时间不到半秒钟；裂变碎片γ射线，因碎片多为半衰期短，衰变快，又随火球、烟云上升，因此不论当量大小，早期核辐射对地面目标的作用，时间多为十几秒钟以内。
3.能发生散射：早期核辐射最初基本上呈直线传播，但在传播过程中与介质相碰撞可发生散射，运动方向呈杂乱地射向目标物。
4.贯穿能力强，但能被介质减弱：早期核辐射的贯穿能力强，但在通过各种介质时均会不同程度地被吸收而减弱，各种物质对早期核辐射的减弱能力通常用物质的半减弱层表示。半减弱层是指早期核辐射减弱一半所需的物质的层厚度。从表2-2中可见14cm厚的土层，能将早期核辐射减弱50%。另外不同物质对不同种类射线的减弱能力是不同的。
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表2-2 某些物质对早期核辐射的半减弱层
辐射 半减弱层(cm)
土壤 混凝土 木材 水 铁
γ射线 14.0 10.0 30.0 20.0 3.2
中子 13.8 10.3 11.7 5.0 4.7
5.产生感生放射性：土壤、兵器、含盐食品及药品中某些稳定性核素的原子核，俘获慢中子形成放射性核素。这种放射性核素称为感生放射性核素，这种放射性叫感生放射性。
6.早期核辐射量：通常以吸收剂量表示，单位是戈瑞(Gy)，中子量有时用中子通量表示，中子通量是指单位面积(m-2或cm-2)上的中子数。
四、放射性沾染
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(一)放射性沾染的形成
核爆炸时产生的大量放射性核素，在高温下气化，分散于火球内，当火球冷却成烟云时，与烟云中微尘以及由地面上升的尘土凝对成放射性微粒。受重力作用向地面沉降，称放射性落下灰(radioactive fallout)，简称落下灰。由此造成空气、地面、水源、各种物体和人体的沾染称为放射性沾染(radioactive contamination)。
(二)放射性沾染的主要性质
1.组成成分：放射性落下灰由核裂变产物、感生放射性核素和未裂变的核装料三部分组成。落下灰主要发射β、γ射线。
2.理化特性
(1)状态：落下灰粒子呈球形或椭圆形微粒，粒内放射性物质分布均匀。颜色与爆区土壤有关，可呈黑色、灰色或其它颜色。粒径大小与爆炸方式有关，地爆的粒径较大，自几微米至几毫米；空爆的粒径较小，仅为几微米至几十微米。
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(2)溶解度：溶解度与落下灰的粒径大小，放化成分以及溶剂的酸碱度有关。水中溶解度较低，仅为10%左右。在酸性溶液中溶解度较高，如在0.1N的盐酸溶液中溶解度为35%～60%。
(3)比活度：落下灰的比活度，随其粒子径的增大而减小。爆后1小时的落下灰，地爆的比活度为107～1010Bq·g-1。
3.落下灰的衰变规律：试验证明，在爆后1～5000小时内，地面辐射级(即剂量率)的衰变可用“六倍规律”粗略计算，即时间每增加6倍，辐射级降至原来的1/10。如某处爆后1小时辐射级为80cGy·h-1；爆后6小时降到8cGy·h-1；爆后36小时降到0.8cGy·h-1。
4.放射性沾染量
(1)地面沾染：用距地面0.7～1m高度的辐射级表示，单位是戈瑞(或厘戈瑞)每小时(Gy·h-1、cGy·h-1)。
通常将0.5cGy·h-1的地域定为沾染边界。将地面沾染的严重程度划分为四级：0.5～10cGy·h-1的地域为轻微沾染区；10～50cGy·h-1的地域为中等沾染区；50～100cGy·h-1的地域为严重沾染区；大于100cGy·h-1的地域为极严重沾染区。(2)人体或物体表面沾染：用单位面积上的放射性活度表示，单位是贝可·每平方米或贝可·每平方厘米(Bq·m-2、Bq·cm-2)。
(3)物质污染：用比活度表示，单位是贝可·每千克或贝克·每克(Bq·kg-1、Bq·g-1)。
(4)空气或液体污染：用放射性浓度表示，单位是贝可·每升或贝可·每毫升(Bq·L-1、Bq·ml-1)。, http://www.100md.com