32
1 The Physics of Nuclear Weaponry By Matthew Agdanowski & Roberto Gonzalez

The Physics of Nuclear Weaponry

Embed Size (px)

DESCRIPTION

In this term paper, we travel through the early beginnings of nuclear research, leading to the Manhattan Project and the development of the first nuclear weaponry. From there, we conclude with the devastating effects that can occur resulting from the misuse of this deadly and highly energetic branch of physics.

Citation preview

Page 1: The Physics of Nuclear Weaponry

  1  

                         

The  Physics  of  Nuclear  Weaponry        By  

 Matthew  Agdanowski    &  

Roberto  Gonzalez                                                

Page 2: The Physics of Nuclear Weaponry

  2  

   

Table  Of  Contents:    

     Introduction  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  3    History:  World  War  II  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  3    Mass-­‐Energy  Equivalence  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  7      The  Strong  Nuclear  Force  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  10    Nuclear  Fission  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  14    Types  of  Nuclear  Bomb  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  15    Nuclear  Fusion  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  17    Blast  Effects  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .19    Weak  Nuclear  Force  &  Particle  Decay  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  22    Health  Effects  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  26    Conclusion  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  28    Works  Cited  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  29  

           

Page 3: The Physics of Nuclear Weaponry

  3  

Science  has  no  biases,  no  agendas;  its  only  ulterior  motive  is  that  of  the  truth.  This  knowledge  can  be  used  for  good  and  evil,  but  is  not  inherently  either  one.  We  are  the  ones  who  decide  how  to  use  this  knowledge.  It  is  us  humans  that  give  science  both  its  positive  and  negative  connotations.  Over  the  course  of  its  evolution,  from  primates  beginning  to  classify  objects  in  their  environment  to  the  nanotechnology  of  today,  science  has  been  used  for  both  the  betterment  of  mankind  and  responsible  for  some  of  its  darkest  moments.  

In  1918,  Fritz  Haber  earned  the  Nobel  Prize  in  Chemistry  for  the  Haber-­‐Bosch  process  for  Synthetic  Nitrogen  Fixation.  His  process  was  originally  researched  to  create  ammonia,  a  precursor  to  nitric  acid  used  in  the  explosive  munitions  that  were  crucial  to  Germany  in  World  War  I.  Today  453  billion  kilograms  of  fertilizer  is  manufactured  for  food  production  each  year  by  this  process,  boosting  the  world’s  population.  

  A  parallel  can  be  drawn  for  the  case  with  Nuclear  Technology  in  the  fact  that  the  ideas  it  encompasses  were  also  accelerated  by  the  drive  of  all  out  world  war.  While  the  early  beginnings  of  nuclear  physics  began  with  the  discovery  of  radioactive  elements  in  the  early  20th  century,  it  was  not  until  the  late  1930’s  when  nuclear  fission  was  discovered.    It  was  around  this  time  that  physicists  around  the  world  petitioned  to  their  respective  governments  to  invest  and  support  nuclear  fission  research  just  on  the  brink  of  World  War  II.  In  1945  “Trinity,”  code  name  of  the  first  nuclear  test  was  tested  with  unknown  repercussions.  Later  in  the  1950’s,  yielded  the  nuclear  power  era,  as  many  countries  including  Russia  and  the  United  States  committed  to  the  field  in  order  to  sustain  their  growing  power  grids.    

  Living  in  the  age  of  nuclear  technology  has  its  advantages  and  its  disadvantages.  After  the  conclusion  of  World  War  II,  the  Soviet  Union  and  the  United  States  engaged  in  a  40-­‐year  arms  race  know  as  the  Cold  War.  Over  the  course  the  war,  thousands  of  nuclear  weapons  were  stockpiled,  and  citizens  of  each  country  lived  in  constant  fear  of  world  destruction;  nuclear  war,  power-­‐plant  meltdowns  and  deadly  fallout  lasting  decades  to  just  name  a  few.  These  dangers  also  have  their  counterparts  however,  nuclear  technology  has  given  us  a  potential  of  never-­‐ending  energy  source,  as  well  as  life-­‐saving  cures  through  nuclear  medicine.    

  The  culmination  of  humanities  hopes  and  dreams  for  nuclear  technology  can  all  be  traced  back  to  a  group  of  men,  working  under  total  secrecy  to  try  to  bring  an  end  to  the  bloodiest  war  in  history.  These  men  would  become  superstars,  not  only  among  the  scientific  community,  but  to  ordinary  citizens  as  well.  This  project  would  become  know  as  The  Manhattan  Project.    

   In  January  of  the  year  1939,  two  German  chemists,  Otto  Hahn  and  Fritz  Strassman  

in  the  peer-­‐reviewed  scientific  journal,  Naturwissenschaften,  proposed  the  process  of  nuclear  fission.  This  publication  furthered  the  research  of  Physicist,  Enrico  Fermi  and  his  team,  started  in  1934.  Over  the  course  of  their  research,  atoms  of  Uranium-­‐235  were  bombarded  with  streams  of  neutrons,  creating  Barium  atoms  with  roughly  half  of  the  atomic  mass  that  Uranium  had,  showing  how  an  atom’s  nucleus  can  be  split  in  half.  These  revelations  set  off  frenzy  around  the  scientific  community.    As  a  result  of  this  discovery,  Germany  launched  the  Uranverein,  or  the  “Uranium  Club.”  This  project  was  disbanded  in  

Page 4: The Physics of Nuclear Weaponry

  4  

August  of  1939  as  Germany  prepared  for  World  War  II  with  the  invasion  of  Poland  in  September  of  the  same  year.  The  project  was  renewed  on  the  very  day  that  war  broke  out,  when  German  Army  Ordnance  established  the  program  headed  by  army  physicist  Kurt  Diebner.  The  goal  for  this  revitalization  in  German  nuclear  research  was  to  investigate  military  applications  for  fission.    

  Not  all  scientists  were  enthusiastic  by  the  discovery  of  nuclear  fission  with  some  fearing  the  worst.  Among  these  scientists  were  the  likes  of  Albert  Einstein,  Leó  Szilárd  and  Eugene  Wigner.  On  August  2,  1939  Dr.  Leó  Szilárd,  with  the  aid  of  fellow  Hungarian  physicists  Edward  Teller,  and  Eugene  Wigner,  along  with  supervision  from  Albert  Einstein,  wrote  what  would  become  known  as  the  Einstein-­‐Szilárd  letter.  Addressed  to  President  Franklin  Delano  Roosevelt,  the  letter  urged  that  because  of  the  potentially  catastrophic  power  of  atomic  weaponry,  the  United  States  should  begin  its  own  nuclear  research  program.  The  letter  went  on  to  say  that:    

It  may  become  possible  to  set  up  a  nuclear  chain  reaction  in  a  large  mass  of  uranium,  by  which  vast  amounts  of  power  and  large  quantities  of  new  radium-­‐like  elements  would  be  generated.  Now  it  appears  almost  certain  that  this  could  be  achieved  in  the  immediate  future.  This  new  phenomenon  would  also  lead  to  the  construction  of  bombs,  and  it  is  conceivable  —  though  much  less  certain  —  that  extremely  powerful  bombs  of  a  new  type  may  thus  be  constructed  (The  Letter  from  Albert  Einstein).  

This  letter  presented  President  Roosevelt  with  a  difficult  decision.  The  implications  of  German  nuclear  capability  were  dire;  if  they  were  able  to  develop  this  technology  first,  the  world  would  most  certainly  fall  under  its  fascist  rule.    

  In  a  quick,  but  cautious  response  to  these  scientists’  call   to  arms,  Roosevelt  “appointed  Lyman  J.  Briggs,  of  the  National  Bureau  of  Standards  to  head  the  new  Advisory  Committee   on   Uranium,  which   first  met   on   October   21,   1939”   (The  Manhattan   Project).    This  committee  included  both  civilian  and  military  personal  working  together  cohesively  to  determine  the  United  States’  stand  on  Uranium  research.    The  committee’s   first  course  of  action  was  a  recommendation  for  limited  funding  on  Uranium  Isotope  research  along  with  funding   Enrico   Fermi’s   and   Leo   Szilard’s   research   on   nuclear   chain   reactions   being  conducted  at  Columbia  University.    

The  research  towards  this  nuclear  chain  reaction  was  slow  at  first;  it  was  not  until  the  Kaiser  Wilhelm   Institute   in  Germany  began   the  undertaking  of   an  extensive   research  program  involving  uranium  that  the  United  State’s  research  really  gained  momentum.  The  first  meeting  of  the  Advisory  Committee  on  Uranium  was  held  on  October  21,  1939  and  a  little   over  one  week   later,   on  November  1,   the   committee   released   a   statement   that   said  that   “If   the   reaction   turns   out   to   be   explosive   in   character,   it   would   provide   a   possible  source  of  bombs  with  a  destructiveness  vastly  greater  than  anything  now  known  [and]  we  recommend  adequate  support  for  a  thorough  investigation”  (Atomic  Heritage  Foundation).    

Page 5: The Physics of Nuclear Weaponry

  5  

In   June  of  1940,   the  National  Defense  Research  Committee,  with  Bush  as   its  head,  reorganized   the   Uranium   Committee   into   a   scientific   body   and   eliminated   military  membership.  Not  dependent  on  the  military  for  funds,  as  the  Uranium  Committee  had  been,  the  National  Defense  Research  Committee  had  more   influence   and  more  direct   access   to  money   for   nuclear   research.   The   Uranium   Committee   was   renamed   and   given   the  codename:  S-­‐1,  holding  its  first  meeting  on  December  18,  1941,  less  than  two  weeks  after  the   Japanese  attacked  the  United  States  naval  base  at  Pearl  Harbor,  Hawaii.  This  meeting  pulled   together   the  nations  brightest  minds;   include   the   likes   of  Harold  Urey   and  Ernest  Lawrence.  The  goal  was  to  explore  several  techniques  for  extracting  the  uranium,  as  well  as  work  toward  several  designs  for  the  reactors.  

  Over  the  course  of  their  research,  it  became  evident  that  in  order  to  continue,  the  project  would  require  several  large  facilities.  Working  alongside  the  US  Army  Corps  of  Engineers,   several   sites   were   established   in   the   locations   of   Hanford,   Washington   Los  Alamos,  New  Mexico.  The  workhorse  of  the  again  newly  named  “Manhattan  Project”  was  its  principle  facility  in  Oak  Ridge,  Tennessee,  where  59,000  acres  of  farmland  was  purchased  and  within   a  matter   of   several  months,   it   became   the   states  5th   largest   city;   but   it  was   a  secret  city.    

     

 The  research  was  divided  up  between  each  of  the  locations,  enabling  the  project  to  

excel   rapidly.   “Oak   Ridge   and   Hanford   focused   on   uranium   enrichment   and   plutonium  

Page 6: The Physics of Nuclear Weaponry

  6  

production”   while   locations   such   as   Los   Alamos,   headed   by   project   leader   Robert  Oppenheimer,   focused   more   on   bomb   development   (World   War   II).   As   a   result,   on  December  2,  1942  at  the  University  of  Chicago,  Enrico  Fermi  and  his  team  constructed  the  world’s   first   nuclear   reactor,   which   successfully   sustained   an   artificial   nuclear   chain  reaction.  The  research  continued  progressing  under  total  secrecy  as,  Oppenheimer  and  his  team  finished  up  the  designed  for  the  atomic  bomb:  

Early   work   focused   "gun-­‐type"   designs,   which   fired   one   piece   of   uranium   into  another   to   create   a  nuclear   chain   reaction.  While   this   approach  proved  promising  for  uranium-­‐based  bombs,   it  was   less  so   for   those  utilizing  plutonium.  As  a  result,  the  scientists  at  Los  Alamos  began  developing  an  implosion  design  for  a  plutonium-­‐based  bomb,  as  this  material  was  relatively  more  plentiful  (World  War  II).  

By   July  1944,   the  uranium  gun-­‐type  bomb  was   less  of  a  priority   the  bulk  of   the   research  was  dedicated  to  plutonium  designs.    

Because  the  implosion-­‐type  device  produced  was  more  complex  than  the  uranium  gun-­‐type,   Oppenheimer   believed   that   a   test   was   needed   before   the   bomb   could   be  approved.  Thus,  on  July  16,  1945  at  5:30am,  codenamed  “Trinity,”  a  test  bomb  nicknamed  “The   Gadget”   was   dropped   from   a   100ft-­‐tall   constructed   tower   in   the   middle   of   New  Mexico’s  Jornada  del  Muerto  desert  and  humanity  entered  the  nuclear  age.    

 The   bomb   exploded   with   the   power   equivalent   of   20   kilotons   of   TNT,   or   84  

terajoules   of   energy,   releasing   a   shockwave   felt   over   100   miles   away   and   producing   a  mushroom  cloud  stretching  almost  eight  miles  into  the  sky.  Following  the  explosion,  after  the   euphoria   had   faded,   Oppenheimer  was   famously   reciting   a   verse   from   the   scripture  Bhagavad  Gita,  saying  “Now  I  am  become  death,  the  destroyer  of  worlds”.  

  Following   the  death   of   President  Roosevelt,   his   successor,  Harry   S  Truman  was  left  with  a  hard  decision  to  make.  After  long  consideration,  taking  into  the  time  needed  and  potential  casualties  as  a  result  of  a  US  invasion  of  Japan  he  agreed  to  the  use  of  atomic  weapons  on  the  Japanese  mainland.  Tow  weeks  after  the  Trinity  test,  on  August  6th  and  9th  of  1945,   two  bombs,  Fat  Man  and  Little  Man  were  dropped  on   Japan,  marking  the  end  of  World  War   II.   Little  Boy,   a  Uranium  gun-­‐type  bomb  developed  at   the  Los  Alamos   facility  

Page 7: The Physics of Nuclear Weaponry

  7  

with  his  brother,  the  Plutonium  bomb  Fat  Man,  was  dropped  on  Hiroshima,  Japan  by  the  US  B-­‐29  bomber,  the  Enola  Gay;  Fat  Man  was  dropped  on  Nagasaki,  Japan,  forcing  the  Japanese  to   surrender.   The   total   casualties   could   not   be   fully   calculated,   but   was   estimated   at  between  150  and  250  thousand,  lower  than  the  250  to  500  thousand  estimated  for  a  non-­‐nuclear  conflict.    

  Over   the   course   of   ten   years,   and   numerous   name   changes,   the  Manhattan  project  cost  an  estimated  $2  billion  US  dollars  and  employing  over  130,000  people,  making  it  the  United  States  largest  endeavor.    It  was  not  until  1949,  when  the  USSR  detonated  their  first   nuclear   weapon   that   the   project   closed,   making   room   for   a   new   world   of   atomic  possibilities.    

   All  this  talk  of  nuclear  technology  and  splitting  atoms  would  not  have  been  

possible  if  it  were  not  for  the  work  of  thousands  of  scientists  who  contributed  immense  bodies  of  knowledge  to  the  scientific  communities.  One  of  these  important  discoveries  was  the  idea  that  the  mass  and  energy  of  an  object  could  be  related  to  each  other  by  a  factor  of  the  speed  of  light  squared,  E=MC2.  This  mass-­‐energy  equivalence  theorem  would  become  not  only  crucial  for  the  all  future  nuclear  ventures,  but  also  has  become  perhaps  the  most  famous  physics  equation  in  the  world.  

For  centuries,  the  concept  mass  and  energy  equivalence  had  puzzled  the  world’s  greatest  minds.  Starting  with  his  work  Opticks,  published  in  1704,  Isaac  Newton  speculated  that  light  particles  and  matter  particles  were  inter-­‐convertible.  Building  upon  Newton’s  work,  Swedish  scientist  Emanuel  Swedenborg,  in  1734,  postulated  that  all  matter  is  ultimately  composed  of  dimensionless  points  of  “pure  and  total  motion”  (E.  Swedenborg).    With  each  new  generation  of  physicists  working  toward  fully  explaining  the  universe,  much  scientific  knowledge  was  accumulated  over  the  span  of  a  few  hundred  years.    

It  took  an  Einstein  however  to  unify  this  mass-­‐energy  equivalence  theory;  actually  it  took  the  Albert  Einstein.  The  work  of  James  Clerk  Maxwell  in  the  1850’s,  that  unified  the  seemly-­‐unrelated  phenomena  and  equations  from  electricity,  magnetism  and  optics  into  one  single  theory,  was  crucial  to  Einstein’s  derivations.  From  Maxwell  we  have  learned  that  photons,  particles  of  light,  have  momentum  yet  no  mass.  We  know  from  classical  physics,  that  momentum,  illustrated  by  the  letter  “p”  is  equal  to  an  objects  mass,  “m”  times  its  velocity,  “v”  according  to  the  expression:    

   This  left  Einstein  with  a  quandary;  how  can  a  photon  have  momentum,  yet  no  

mass.  To  reconcile  this,  Einstein  believed  that  “the  energy  of  a  photon  must  be  equivalent  to  a  quantity  of  mass”  and  therefor  could  be  related  (The  Derivation).    

To  test  this  hypothesis,  Albert  Einstein  set  up  a  thought  experiment  that  involved  a  stationary  box,  sitting  inside  a  vacuum.  At  a  given  moment,  a  photon  of  light  is  emitted  

Page 8: The Physics of Nuclear Weaponry

  8  

from  inside  the  box.  Due  to  the  conservation  of  momentum,  as  the  photon  moves  across  the  box,  from  left  to  right,  the  box  must  also  move  from  right  to  left.  Eventually  the  photon  hits  the  opposite  side  of  the  box,  transferring  all  its  momentum  to  the  box,  therefore  stopping  the  box  from  further  moving  to  the  left,  and  the  total  momentum  of  the  system  if  conserved.  This  only  lead  to  further  complications;  because  there  was  no  external  forces  acting  on  the  box,  its  center  of  mass  must  remain  unchanged,  yet  the  box  has  clearly  moved.  To  resolve  this,  Einstein  proposed  that  there  must  be  a  “mass  equivalent”  to  energy  of  the  photon,  which  is  the  same  as  the  mass  moving  from  left  to  right  inside  the  box.  Furthermore,  the  mass  must  be  large  enough  that  its  center  of  mass  remains  stationary.  

From  these  parameters,  Einstein  was  able  to  successfully  derive  the  theorem  using  Maxwell  equations  for  light.  If  the  energy  of  a  photon,  “E”  and  the  speed  of  light  is  “c,”  using  the  electrostatic  wave,  we  get:  

     The  box  from  which  the  photon  is  contained  has  a  mass  of  “M”  and  it  moves  in  the  

opposite  direction  of  the  photon  with  some  velocity,  “v,”  then  the  boxes  momentum  is  given  by:        

   If  the  photon  moves  a  distance,  x,  or  dt  in  an  amount  of  time  dt,  then  the  boxes  

velocity  can  be  rewritten  as:  

                                                                                                To  this  we  can  apply  the  conservation  of  momentum,  equating  the  

momentum  of  the  box  and  that  of  the  photon  into  a  single  equation  that  can  be  manipulated  to  solve  for  wanted  variables:  

                                 If  the  box  has  a  mass  of  “L,”  the  photon  thus  travels  “L”  distance  in  “t”  amount  of  

time.  If  we  substitute  this  into  our  previous  equation  and  rearrange  our  variables  we  get:                 In  order  to  effectively  take  into  account  the  center  of  mass  of  an  object  not  

moving,  we  have  to  imagine  that  hypothetically  the  photon  has  a  mass  of  “m.”  This  allows  us  to  calculate  the  center  of  mass  for  the  entire  system  assuming  that  the  box  starts  at  

Page 9: The Physics of Nuclear Weaponry

  9  

position  x1  and  the  photon  as  the  position  x2.  To  accommodate  for  the  center  of  mass  not  moving,  we  can  equate  the  center  of  mass  at  the  start  to  the  center  of  mass  at  the  end:  

          The  original  starting  position  of  the  photon  can  be  written  as  zero,  and  by  

substituting  in  for  M(dx),  we  get:                                                                                                                          As  you  can  thus  see,  the  length’s  of  the  box  cross  out  and  a  simple  rearrangement  

bring  us  to  our  final  answer:    

   

This  theory  was  very  controversial  at  first.  In  fact,  it  took  a  few  decades  and  many  variations  of  this  derivation,  both  by  Einstein  and  by  his  peers,  until  this  theory  became  fully  recognized.  Even  today  people  are  coming  up  with  odd  derivations  in  special  cases.  University  of  Pittsburg  professor,  Dr.  John  D.  Norton  came  up  his  own,  quick  method.  In  this  

he  uses  just  two  equations  and  a  little  bit  of  manipulation.  If  we  input  equation  two  into  equation  one  for  force,  we  get:  

The  first  equation  is: Energy  gained  =  Force  x  Distance  through  which  force  acts.  

 The  energy  gained  is  labeled  E.  Since  the  body  moves  very  close  to  c, the  distance  it  moves      in  unit  time  is  c  or  near  enough. The  first  equation  is  now:    

E  =  Force  x  c    

The  second  equation  is:  

Momentum  gained =  Force x  Time  during  which  force  acts  The  unit  time  during  which  the  force  acts,  the  mass  increases  by  an  amount  labeled  m  and  the  velocity  stays  constant  at  very  close  to  c.    Since  momentum  =  mass  x  velocity,  the  momentum  gained  is  m  x  c.  The  second  equation  is  now:    

Force  =  m  x  c  

Page 10: The Physics of Nuclear Weaponry

  10  

 E  =  Force  x  c  =  (m  x  c)  x  c  

Simplified,  this  becomes:    

E  =  mc2    Now,  Dr.  Norton  acknowledges  his  critics  by  going  on  to  say  that  this  derivation  is  

a  very  special  case  and  a  further  argument  is  needed  to  show  this  is  true  for  all  cases.  It  has  been  roughly  100  years  since  the  publication  of  Einstein’s  papers  on  Special  

Relativity,  where  he  outlined  this  important  derivation  in  a  different  way  than  described,  which  involved  using  Lorentz  transforms.  This  is  because  he  had  used  Maxwell’s  Equations  in  the  prior  derivation,  which  relied  on  implicit  assumptions.  Through  this  new  derivation,  Einstein  showed  this  equation  “suggested  a  new  way  of  describing  the  origins  of  chemical  energy  and  suggested  another  source  of  energy  that  at  that  point  was  unknown  in  history  –  nuclear  energy”  (Energy  Tribune).    

   After  proving  that  is  it  possible  relate  energy  to  mass,  the  next  step  for  the  nuclear  

research  team  was  to  turn  their  attention  to  the  internuclear  forces  that  would  have  to  be  overcome  in  order  to  unlock  all  this  stored  energy;  they  first  turned  to  the  strong  force.  Of  all  the  fundamental  forces  of  physics,  the  Strong  Force  is  the  strongest,  hence  its  name.  While  it  may  not  be  something  that  you  interact  with  on  a  daily  basis,  it  is  the  force  that  is  holding  every  atom  in  the  entire  universe  together.  The  Strong  Force  is  complicated  because  it  does  this  in  two  ways:  It  holds  the  atoms  nucleus  together  as  well  as  the  protons  and  neutrons  together  as  well.  

  The  term  “Nucleons”  is  commonly  used  when  referring  to  protons  and  neutrons  because  those  two  subatomic  particles  are  what  make  up  an  atoms  nucleus.  Protons  and  Neutrons  are  both  classified  as  a  type  of  particle  known  as  a  Hadron.  A  certain  

type  of  hadron,  which  protons  and  neutrons  fall  under,  are  composed  of  three  quarks,  which  are  a  fundamental  constituent  of  matter;  they  cannot  be  broken  down  further  into  smaller  particles.    

Among  their  many  traits,  quarks  have  a  property  that  physicists  call  “color.”  This  is  not  the  type  of  color  that  most  people  associate  with  that  word  

Page 11: The Physics of Nuclear Weaponry

  11  

because  we  are  not  able  to  see  quarks.  To  illustrate  how  small  quarks  are,  they  have  an  order  of  magnitude  of  10-­‐15m,  and  our  strongest  microscope  can  only  make  out  atoms  or  molecules  which  have  an  average  diameter  in  the  magnitude  of  10-­‐12m.  Instead,  we  refer  to  the  individual  quantum  states  that  a  quark  can  exist  in.  We  call  these  states  the  colors:  Red,  Blue,  and  Green.  “The  property  can  be  considered  something  like  a  "color  charge"  with  three  distinct  values,  with  only  color  neutral  particles  allowed”  (Color  Force).  

Now  the  color  force  is  by  no  means  an  arbitrary  invention,  there  has  even  been  experimental  evidence  for  the  existence  of  color.  “Both  the  rate  at  which  [pi]0  decays  into  two  photons  and  the  probability  that  electrons  and  positrons  will  create  hadrons  when  they  collide  indicate  that  there  are  three  times  as  many  quarks  as  would  be  expected  if  color  did  not  exist”  (The  Color  Force).    

Another  important  characteristic  of  quarks  is  that  they  have  something  that  we  call  “flavors.”  Again,  it  is  not  the  flavor  in  a  typical  sense,  rather  descriptions  of  the  type  of  quark  they  are.  The  flavors  are  as  follows,  from  smallest  mass  to  largest:  Up,  Down,  Charm,  Strange,  Top,  and  Bottom.  

 The  most  common  types  are  the  Up  and  Down  quarks.  This  is  because  the  rarer,  

heavier  quarks  quickly  decay  into  Up  and  Down  quarks.  Quarks  also  the  property  of  charge,  where  “an  'up'  quark  has  a  charge  of  +2/3  and  a  'down'  quark  has  a  charge  of  -­‐1/3”  (Jefferson  Lab).    A  proton  is  made  up  of  two  Up  quarks  and  one  Down  quark.  When  we  do  the  math,  we  see  that  get  when  we  multiple  the  fractional  charge  of  an  up  quark  by  two  and  add  it  to  the  fractional  charge  of  the  down  quark  we  get  a  total  unit  charge  of  one.  This  charge  is  equal  to  1.6x10-­‐19  Coulombs.  The  same  can  be  done  for  the  charge  of  a  neutron,  which  consists  of  one  up  quark  and  two  down  quarks.  This,  when  added  up  gives  us  the  neutral  charge  that  neutrons  hold.  

The  tie  between  these  two  seemingly  unrelated  characteristics  of  quarks  comes  from  the  need  for  color  in  order  for  any  calculation  to  occur;  without  color,  we  would  not  be  able  talk  about  the  composition  of  protons  and  neutrons,  even  atoms  would  be  defeated.  

Page 12: The Physics of Nuclear Weaponry

  12  

It  all  stems  from  a  postulate  made  by  Austrian  physicist  Wolfgang  Pauli  known  as  the  Pauli  Exclusion  Principle.  This  principle  states:  

No  two  electrons  can  have  the  same  four  quantum  numbers.  We  are  aware  that  in  one  orbital  a  maximum  of  two  electrons  can  be  found  and  the  two  electrons  must  have  opposing  spins.  That  means  one  would  spin  up  (  +1/2)  and  the  other  would  spin  down  (-­‐1/2).  (UC  Davis).    

This  can  be  tied  into  color  force  by  relating  the  spins  of  electrons  inside  orbitals  to  the  color  of  quarks  inside  a  hadron.  Since  there  are  two  up  quarks,  as  well  as  a  down  quark,  inside  a  proton,  those  quarks  need  to  have  different  colors  in  order  to  not  violate  this  principle.    

The  Strong  Force  is  able  to  bind  these  hadrons  together  by  a  process  we  call  Color  Force.  I  will  be  using  the  example  of  a  proton  to  illustrate  this  color  interaction.  Inside  of  a  proton,  there  are  two  up  quarks  and  one  down  quark,  each  with  a  different  color  as  explained  above.  What  makes  this  force  special  is  that  each  quark  inside  the  hadron  is  changing  its  color  constantly.  The  process  that  allows  the  quarks  to  do  that  is  also  the  process  that  holds  the  quarks  together.  

The  process  occurs  by  the  exchange  of  the  Strong  Force  carriers  known  as  Gluons.  Force  carriers  are  exchanged  between  particles  that  are  controlled  by  that  force.  Gluons  have  no  mass  and  no  charge,  but  they  do  have  color,  which  is  how  quarks  are  able  to  change  their  color.  This  whole  thing  happens  as  the  gluons  pass  from  quark  to  quark  inside  this  hadron.  As  they  leave  a  quark,  they  change  its  color,  and  as  they  come  in  contact  with  a  new  one,  they  change  that  quarks  color  as  well;  always  the  colors  add  up  to  white,  or  neutral  color.  

You  can  imagine  this  gluon  movement  as  a  rubber  band  that  has  been  wrapped  around  all  the  quarks.  Quarks  are  allowed  to  move  around  inside  the  hadron  but  are  unable  to  leave.  If  the  quark  strays  too  far  away,  the  color  attraction  due  to  gluon  exchange  pulls  the  quark  back  into  the  hadron.  This  explains  why  we  quarks  are  not  observed  floating  around  on  their  own;  the  only  way  to  isolate  quarks  or  other  particles  is  to  smash  atoms  together  at  immense  speeds.  These  collisions,  like  the  ones  preformed  at  the  Large  Hadron  Collider  operated  by  CERN  National  Laboratories  in  Geneva,  Switzerland  send  these  fundamental  constituents  of  matter  in  all  directions  and  are  measured  by  supercomputers  and  extremely  calibrated  machinery.    

  A  residual  effect  of  this  color  interaction  is  the  ability  to  hold  the  atom’s  nucleus  together.  This  force  is  most  commonly  referred  to  as  the  Nuclear  Force,  and  is  probably  the  one  most  people  are  familiar  with.  An  atom’s  nucleus  is  composed  of  protons  and  neutrons,  but  the  most  important  thing  to  remember  is  that  protons  are  identical  and  positively  changed.  Because  like  charges  repel  and  opposite  charges  attract,  the  like-­‐charged  protons  want  to  be  as  far  away  from  each  other  as  possible;  but  for  some  reason  they  are  jammed  into  the  smallest  place  imaginable.  This  reason  is  the  immense  strength  of  the  nuclear  force.    

Page 13: The Physics of Nuclear Weaponry

  13  

 This  nuclear  force  is  the  second  form  of  the  Strong  Force  with  the  other  being  the  Color  Force,  responsible  for  holding  hadrons  together.  The  nuclear  force  is  important  for  two  main  reasons:  

1. The  nuclear  force  is  repulsive  at  extremely  small  distances,  roughly  about  0.7fm  from  center  to  center.  

 This  keeps  the  protons  and  neutrons  away  from  each  other,  which  helps  give  atomic  nuclei  their  size.  This  force  occurs  even  though  neutrons  are  electronically  neutral  and  “do  not  care”  who  they  are  next  to,  be  it  a  proton  or  another  neutron.    

2. The  nuclear  force  is  attracted  at  slightly  larger  distances,  between  0.7fm  to  0.9fm  from  center  to  center  

 If  the  protons  and  neutrons  exceed  a  distance  of  0.7fm  from  each  other,  the  nuclear  force  pulls  them  back  together.  If  however,  the  distances  exceed  0.9fm,  the  force  of  attraction  drops  off  exponentially  until  at  a  distance  of  2.0fm  apart,  the  force  is  so  small  that  is  becomes  negligible.  

  During  the  color  interaction,  where  gluons  exchange  color  between  three  different  color  quarks,  pions,  made  of  two  quarks  are  out  side  the  proton  on  neutron.  These  pions  are  exchanged  from  hadron  to  hadron.  Since  there  is  color  force  being  exerted  between  quarks  inside  the  pion,  and  the  pions  are  being  exchanged  between  protons  and  neutrons,  then  the  pions  essentially  make  it  possible  for  color  force  to  be  exerted  across  hadrons.  This  color  force  they  exert  however,  can  be  described  as  a  “watered  down”  version.    

  There  is  so  much  energy  involved  in  the  strong  force,  using  Einstein’s  Mass-­‐Energy  Equivalence  theorem,  we  see  that  the  energy  release  by  one  atom  of  Uranium-­‐235  can  potentially  produce  roughly  2.12x1019  joules  of  energy.  That  is  just  a  single  atom;  imagine  an  entire  uranium  bomb’s  worth  of  energy.  This  potential  is  what  drew  scientists  to  nuclear  technology.  Thanks  to  Einstein’s  famous  equation  and  the  Strong  Force,  a  new  horizon  for  science  had  become  very  realistic.    

     

Page 14: The Physics of Nuclear Weaponry

  14  

Nuclear  bombs  involve  the  strong  force,  which,  as  previously  stated  is  integral  to  holding  an  atom  together.    These  weapons  are  particular  in  which  type  of  atoms  work  best  for  the  release  of  high  amounts  of  energy;  atoms  with  unstable  nuclei,  specifically  atoms  from  isotopes  are  the  most  efficient  for  this  process.  Both  Fission  and  Fusion  reactions  release  large  amounts  of  energy  from  relatively  small  amounts  of  matter.  For  example  the  first  nuclear  fission  bomb  test  released  an  amount  of  energy  equivalent  to  twenty  thousand  tons  of  trinitrotoluene,  better  known  as  TNT.    This  is  attributed  to  the  properties  of  the  particular  isotope  being  used.  For  instance  Uranium  238  is  one  of  very  few  materials  that  can  undergo  induced  fission  and  is  used  as  the  primary  fuel  in  fission  weapons  rather  than  Uranium  235  because  of  its  nuclear  properties  more  specifically  it’s  higher  probability  of  capturing  a  neutron  as  it  passes  by.  

Nuclear  fission  is  the  process  by  which  a  nucleus  of  an  atom  is  split  into  smaller  fragments.    The  key  to  this  reaction  is  using  isotopes  of  uranium  specifically  U-­‐238  as  stated  above.  The  reason  for  this  is  because  the  binding  energy  of  this  isotope  is  so  low  that  when  a  neutron  is  absorbed  the  energy  that  is  released  during  rearrangement  exceeds  it  (Sublette).    It  takes  about  7  to  8  million  electron  volts  (MeV)  to  overcome  the  strong  force,  which  is  holding  the  nucleus  of  a  U-­‐238  atom  together.  This  amount  of  input  energy  is  supplied  by  the  binding  of  an  extra  neutron  to  the  heavy  nucleus  of  the  isotope.  This  relatively  small  amount  of  input  energy  is  converted  to  output  energy  immediately  after  the  fission  process  is  complete.  All  of  this  output  energy  is  released  to  the  environment  in  the  form  of  kinetic  energy  making  it  an  exothermic  process.    Below  is  a  statistical  breakdown  of  the  amount  of  energy  released  (output  energy)  during  fission.  

  MeV Kinetic energy of fission fragments 165 +/- 5 Instantaneous gamma rays 7 +/- 1 Kinetic energy of neutrons 5 +/- 0.5 Beta particles from product decay 7 +/- 1 Gamma rays from product decay 6 +/- 1 Neutrinos from product decay 10 TOTAL 200 +/- 6  The  release  of  approximately  200  million  electron  volts  (MeV)  is  incredibly  large  in  

comparison  to  the  amount  of  energy  it  actually  took  to  break  apart  the  atom.  Some  of  the  fission  products  release  their  decay  energy  immediately  while  other  unstable  products  take  longer  to  decay  and  their  energy  shows  up  over  time  as  nuclear  fallout  (Sublette).      

  On  the  following  page  the  figure  shows  the  fission  process  along  with  a  step-­‐by-­‐step  interpretation.  What  the  figure  doesn’t  show  are  the  electrons  that  were  not  absorbed  by  the  neighboring  atoms.  The  sum  of  the  neutrons  and  the  new  fission  fragments  is  not  equal  to  the  original  mass  of  the  original  nucleus.  They  are  slightly  less  heavy  than  the  original  nucleus  because  some  of  the  original  mass  is  converted  into  energy.  

         

Page 15: The Physics of Nuclear Weaponry

  15  

   Step1:    When  a  U-­‐235  atom  is  struck  by  and  absorbs  the  moving  neutron,  that  

neutron  splits  the  atom  into  two  lighter  atoms  and  knocks  off  2-­‐3  neutrons.        Step  2:  The  two  lighter  atoms  then  settle  into  their  new  states  while  emitting  

gamma  radiation.    Step3:  After  the  first  collision,  the  three  now  free-­‐moving  neutrons  ignite  a  chain  

reaction  which  is  set  off  in  the  nucleus  of  the  surrounding  U-­‐235  atoms,  as  they  also  absorb  these  free-­‐moving  neutrons  then  become  unstable  and  split  immediately.    

The  design  of  a  fission  bomb  is  critical  in  the  functionality  of  the  weapon  itself.  Designers  involved  in  production  of  the  first  bomb  had  a  handful  of  issues  that  they  had  to  overcome.  One  big  issue  was  how  they  were  going  to  house  the  nuclear  fuel  itself.  The  resolution  to  the  problem  was  a  rather  simple  one,  which  will  be  further  discussed.    There  are  two  types  of  fusion  bombs,  first  a  gun-­‐triggered  assembly  and  second  an  implosion  triggered  assembly.  

Within  a  gun-­‐triggered  fission  bomb  the  nuclear  fuel  must  be  stored  in  what  is  known  as  “separate  subcritical  masses.”  Subcritical  mass  is  the  smallest  amount  of  nuclear  matter  that  will  not  support  fission.  This  is  important  because  it  prevents  premature  detonation.    The  next  step  is  bringing  these  subcritical  masses  together  to  form  a  supercritical  mass,  which  provides  enough  neutrons  to  support  a  fission  reaction.    This  is  accomplished  by  making  a  small  bullet  made  of  Uranium-­‐235,  which  is  then  shot  at  a  sphere  also  made  of  Uranium-­‐235  bringing  together  the  masses.  The  third  step  is  producing  free  neutrons  using  a  neutron  generator  which  is  composed  of  polonium  and  beryllium  separated  by  foil.  Once  the  subcritical  masses  join  to  form  the  supercritical  mass  the  foil  breaks  causing  polonium  to  produce  alpha  particle  emissions.  These  alpha  particles  

Page 16: The Physics of Nuclear Weaponry

  16  

then  collide  with  beryllium-­‐9  then  producing  beryllium-­‐8  neutrons  that  initiate  the  fission  reaction.    

   Sequence  of  Events  

1. Small  explosives  launch  the  Uranium  bullet  down  the  barrel  towards  the  Uranium  sphere.  

2. The  bullet  strikes  the  sphere  initiating  the  fission  reaction  within  the  sphere  itself.  

3. Fission  reaction  begins  and  the  bomb  explodes.      

 This   type   of   assembly   is  

simple   but   the   drawbacks   are   the  weight  and  length  of  the  barrel  and  that   only   U-­‐235   can   be   used  (Sublette).  

Implosion  triggered  fission  bombs  utilize  a  different  method  when  combining  the  two  critical  masses.  In  this  method  an  implosion  compresses  the  subcritical  masses  together  in  a  sphere.  The  problem  with  this  method  is  controlling  the  shockwave  within  the  sphere  so  that  it  is  dispersed  evenly  throughout.    Scientists  who  were  involved  with  the  Manhattan  Project  attacked  this  problem  by  refining  early  prototypes.  They  

also  improved  the  design  by  utilizing  a  concept  known  as  Boosting.    Boosting  is  the  process  by  which  fusion  is  used  to  create  neutrons,  which  are  used  to  trigger  chain  reactions  faster  (Sublette).  In  this  type  of  design  the  nuclear  fuel  that  is  favored  is  Plutonium-­‐239  because  of  its  molecular  stability.  Although  Pu-­‐239  is  an  excellent  type  of  nuclear  fuel  it  is  harder  to  ignite  in  comparison  to  U-­‐235  (Nuclear  Weapons).  On  the  next  page  is  an  image  of  an  early  design  of  this  weapon.  

Page 17: The Physics of Nuclear Weaponry

  17  

 This  design  is  composed  of  a  tamper  surrounding  a  Pu-­‐239  core.  This  is  all  

engulfed  by  a  combination  of  fast  and  slow  explosives  which  controls  the  internal  shockwave  as  stated  before.    The  most  essential  component  in  this  device  is  the  detonation  sequence.  First  the  explosives  ignite  creating  a  shockwave  that  thrusts  pieces  of  plutonium  into  the  neutron  initiator.  The  neutron  initiator  then  releases  neutrons,  which  then  begin  their  collision  course  with  Pu-­‐239  atoms  to  “initiate”  fission  (Fission  Weapon).    

  Both  of  these  fission  designs  have  theoretical  yield  limits  to  how  much  energy  is  released  to  the  surrounding  environment.  The  largest  amount  of  energy  ever  released  by  a  fission  weapon  had  a  yield  of  about  500  kilotons  (kt).  Fusion  weapons  on  the  other  hand  have  no  such  limits,  as  fusion  can  provide  unlimited  amounts  of  energy.    

     Fusion  is  a  thermonuclear  reaction  between  two  isotopes  of  light  elements.    Fusion  

occurs  when  the  nuclei  of  two  atoms  combine  to  form  a  heavier  atom.    In  order  for  the  two  nuclei  to  form  they  must  collide  with  sufficient  amount  of  energy,  which  is  dependent  on  the  surrounding  temperature.      

“Nuclei  from  different  isotopes  inherit  different  likelihoods  of  collision  at  a  particular  temperature.  The  rates  of  all  fusion  reactions  are  affected  by  both  the  temperature  and  density.  The  hotter  and  denser  the  fusion  fuel  the  faster  the  fusion”      (Sublette).      For  example,  the  heat  in  a  bomb  provides  the  heat  needed  to  ensure  that  the  

collision  between  nuclei  occurs.  For  these  light  nuclei,  energy  is  produced  while  mass  is  destroyed  after  the  collision.  A  connection  can  be  made  to  Einstein’s  equivalence  equation  where  mass  is  related  to  energy.  Another  connection  can  be  made  to  the  conservation  of  energy  and  momentum  where  the  two  nuclei  (M₁  and  M₂)  collide  at  some  initial  velocity  (V₁  and  V₂)  of  each  mass  to  form  a  heavier  nucleus  (M₃)  and  a    lighter  particle  (M₄)  (Atzeni).    .  This  is  a  perfectly  inelastic  collision  where  the  two  nuclei  converge  into  one  heavier  nucleus.      

 

Page 18: The Physics of Nuclear Weaponry

  18  

PBefore=PAfter  

M₁V₁+M₂V₂→M₃V₃+M₄V₄        

After  the  collision  the  final  velocities  of  the  two  products  are  equal  to  the  velocity  of  the  center  of  mass  respectively  for  each  product.    The  maximum  energy  loss  occurs  during  a  total  inelastic  collision.  

 

   

Where  M=mass  and  V=velocity  for  all  equations  shown    According  to  the  conservation  laws  the  energy  released  by  the  reaction/collision  is  

distributed  among  the  two  fusion  products.    

EBefore=EAfter  

There  are  many  important  and  relevant  fusion  reactions,  but  the  most  effective  one  for  a  fusion  weapon  is  the  reaction  between  Deuterium  and  Tritium  both  of  which  are  isotopes  of  hydrogen  (the  lightest  element  on  the  periodic  table).  

   The  first  line  in  the  figure  above  is  the  fusion  equation  involving  Deuterium  and  

Tritium.  When  these  two  isotopes  combine  they  form  a  helium  atom  composed  of  two  protons  and  two  neutrons.  Energy  is  released  in  the  formation  of  helium  along  with  a  free  neutron,  which  is  then  captured  (as  seen  in  the  second  line)  by  a  Lithium  atom.  Lithium  and  the  neutron  undergo  fission  and  produce  another  helium  atom,  Tritium  and  release  more  energy.    The  Tritium  atom  produced  then  fuses  with  another  Deuterium  atom  (as  shown  by  the  green  arrow).  The  overall  significance  of  the  third  line  is  that  it  shows  how  Lithium  and  Deuterium  can  be  used  as  the  fuel  for  fission  (Nuclear  Weapons).  

The  design  of  a  fusion  weapon  is  rather  complicated  in  that  it  had  to  overcome  many  different  obstacles.  The  first  problem  was  that  Tritium  and  Deuterium  were  hard  to  

Page 19: The Physics of Nuclear Weaponry

  19  

store  because  of  their  gaseous  state.  This  problem  was  resolved  by  using  a  solid  compound  called  lithium-­‐deuterate,  which  doesn’t  decay  under  normal  temperature  as  the  nuclear  fuel.  The  second  problem  was  Tritium  and  its  short  supply  and  half-­‐life.  Scientists  resolved  this  issue  by  using  a  fission  reaction  as  stated  earlier  between  Lithium  and  a  neutron  to  replenish  the  Tritium  supply.  This  fission  reaction  also  solved  another  problem  in  which  Deuterium  and  Tritium  had  to  be  highly  compressed  at  high  temperatures  in  order  to  initiate  the  fusion  reaction.    Designers  of  the  weapon  configured  a  two-­‐stage  design,  which  involved  a  boosted  fission  part  first  and  fusion  component  second.  

 

 The  above  diagram  is  a  simple  depiction  of  the  detonation  process.  The  primary  

fission  reaction  in  this  figure  is  gun-­‐triggered  but  can  be  implosion  triggered.  First  an  explosive  launches  a  U-­‐235  bullet  down  the  barrel  to  combine  with  the  other  mass  of  U-­‐235  achieving  supercriticality  and  begins  the  fission  reaction.  During  fission  X-­‐rays  are  emitted  which  reflect  within  the  warhead  and  heat  the  interior.    This  turns  the  polystyrene  foam,  which  is  encasing  the  fusion  fuel,  into  plasma  that  heats  up  and  compresses  deuterium  and  Tritium  to  begin  the  fusion  reaction.  The  end  result  of  this  sequence  is  the  release  of  enormous  amounts  of  energy.  As  stated  earlier  there  is  no  limit  to  the  theoretical  yield  of  a  fusion  reaction.  The  largest  fusion  weapon  ever  tested  yielded  approximately  50  megatons.    

 Although  more  complex;  fusion  weapons  have  much  larger  yields  than  fission  

bombs.  One  significant  similarity  between  these  two  weapons  is  the  effect  of  the  nuclear  explosions  that  follow  the  reactions.  These  effects  are  immediate  and  delayed.  The  immediate  effects  are  nuclear  blast  waves,  thermal  energy  and  ionizing  radiation.  The  most  prominent  delayed  effect  is  radioactive  fallout.  Below  is  a  statistical  analysis  of  the  distribution  of  energy  within  the  first  minute  after  detonation.  Fallout  attributes  an  additional  5-­‐10%  over  time.  

     

Page 20: The Physics of Nuclear Weaponry

  20  

Low Yield (<100 kt) High Yield(>1 Mt) Blast Wave 60% 50% Thermal Radiation 35% 45% Ionizing Radiation 5% 5%

(80% gamma, 20% neutrons)    Immediately  after  the  reaction  takes  place  the  majority  of  the  energy  is  held  within  

the  nuclear  fuels.  According  to  Carey  Sublette  author  of  Nuclear  Weapons  Frequently  Asked  Questions,    

The  energy  is  stored  as  (in  order  of  importance):  thermal  radiation  or  photons;  as  kinetic  energy  of  the  ionized  atoms  and  the  electrons  (mostly  as  electron  kinetic  energy  since  free  electrons  outnumber  the  atoms);  and  as  excited  atoms,  which  are  partially  or  completely  stripped  of  electrons  (partially  for  heavy  elements,  completely  for  light  ones).      Thermal  radiation  in  the  form  of  photons  make  up  about  80%  of  the  energy  

released  from  the  reaction.  Powerful  gamma  rays  produced  by  the  reaction  are  the  first  type  of  energy  released  moving  at  the  speed  of  light.  These  rays  ionize  the  ozone  molecules  in  the  air  creating  smog  around  the  epicenter  of  the  explosion.    X-­‐rays  are  also  emitted  carrying  heat  and  energy  away  from  the  epicenter.  Prior  to  the  formation  of  the  smog  a  fireball  of  ionized  gas  expands  from  the  epicenter.    The  uniform  temperature  of  the  fireball  is  a  result  of  the  x-­‐rays,  which  are  moving  much  faster  than  the  fireball  itself.    The  heat  itself  is  potentially  dangerous  to  the  human  body  as  it  causes  flash  burns.  The  severity  of  the  burns  is  dependent  on  the  amount  of  thermal  radiation  absorbed  by  the  skin.  The  table  below  shows  the  minimum  amount  of  thermal  radiation  needed  to  cause  the  different  degrees  of  burn  in  gram-­‐calories.  Also  in  the  columns  of  table  are  the  different  yields  of  three  bombs  and  their  maximum  ranges  of  thermal  radiation  emissions.  

 SEVERITY 20 Kilotons 1 Megaton

20 Megatons 1st Degree 2.5 cal/cm^2 (4.3 km) 3.2 cal/cm^2 (18 km) 5

cal/cm^2 (52 km) 2nd Degree 5 cal/cm^2 (3.2 km) 6 cal/cm^2 (14.4 km)

8.5 cal/cm^2 (45 km) 3rd Degree 8 cal/cm^2 (2.7 km) 10 cal/cm^2 (12 km)

12 cal/cm^2 (39 km)  What  is  not  shown  on  the  table  above  is  the  possibility  of  fourth  and  fifth  degree  

burns,  which  completely  kill  all  affected  tissue  and  prevent  regeneration.  Anything  above  a  third  degree  burn  requires  immediate  medical  attention  as  shock  sets  in  because  the  pain  is  excruciating.  The  thermal  damage  is  the  first  harmful  effect  felt  by  surrounding  bodies  and  structures;  what  follows  is  a  shockwave  only  seconds  after.  

The  fireball  being  a  uniform  sphere  emits  brightness  from  long  distances  and  also  produces  a  spherically  expanding  blast  and  shock  wave.    As  the  fireball  expands  its  rate  of  

Page 21: The Physics of Nuclear Weaponry

  21  

expansion  decreases  due  to  the  energy  drop  in  the  wavelengths  of  the  photons;  causing  the  photons  to  be  absorbed  faster.    The  initial  shockwave  is  moving  at  30  km/sec  and  with  the  decrease  in  expansion  of  the  fireball  it  surpasses  the  outer  surface  of  the  fireball  in  a  matter  of  seconds  (Sublette).    At  its  peak  speed  the  shockwave  may  exceed  several  hundred  kilometers  per  hour.  

  This  extremely  fast  moving  shockwave  causes  destruction  as  objects  within  its  path  are  hit  with  severe  increases  in  atmospheric  pressure.    Keep  in  mind  that  the  average  building  cannot  withstand  overpressures  of  35.5  kPa  without  some  type  of  damage.  One  thing  disguised,  as  good  news  for  the  surrounding  structures  is  the  shockwave  expands  its  speed  decreases.    Just  like  any  other  type  of  wave  there  is  a  wave  of  incidence  and  a  secondary  wave.  Unfortunately  for  structures  or  individuals  in  the  vicinity,  they  may  feel  both  waves  as  they  are  within  the  region  where  the  two  waves  are  separate.  Those  outside  the  region  feel  the  combination  of  the  two  as  the  waves  combine  into  one.  The  secondary  wave  catches  up  to  the  wave  of  incidence  because  the  secondary  wave  is  traveling  through  higher  temperature  air  (high  temperature  air  was  created  by  the  first  wave).    Due  to  constructive  interference  the  height  of  the  blast  is  increased  and  delivers  horizontal  damage  to  anything  in  its  path.  In  the  following  figure  the  images  show  how  high  static  overpressures  and  blast  wind  pressures  affect  buildings  in  both  the  positive  and  negative  phases.  

 

   The  table  above  presents  the  various  measurements  of  overpressure  and  slant  

range  in  which  different  structures  fail.    According  to  the  figure,  the  length  of  the  compression  phase  damages  the  buildings  enough  so  that  when  the  negative  phase  hits  it  creates  such  suction  that  it  destroys  the  building.    In  this  case  the  drag  force  and  compression  force  combine  creating  an  even  stronger  force  (Nuclear  Weapon  Blast  Effects.)  

Page 22: The Physics of Nuclear Weaponry

  22  

The  human  body  is  resilient  towards  this  shockwave  and  can  withstand  pressures  of  over  40  psi.  Non-­‐life  threatening  injuries  such  as  shattered  eardrums  are  common.  The  real  concerns  for  human  safety,  regarding  the  blast  wave  are  collapsed  buildings  and  the  debris  being  flung  around.    The  shockwave  described  creates  a  powerful  force  that  we  can  physically  see  coming,  but  what  we  can’t  physically  see  are  the  effects  of  radiation  until  it’s  too  late.  The  deadly  radiation  released  from  the  blast  is  a  direct  result  of  the  weak  nuclear  forces  acting  inside  the  atoms.    

 The  weak  force  is  by  far  the  least  observed  of  all  the  fundamental  forces.  The  

strong  force  holds  the  entire  universe  together;  electromagnetism  is  being  used  as  this  paper  is  being  written.  Every  day  you  feel  the  force  of  gravity  pulling  down  on  you,  as  expressed  by  Isaac  Newton’s  famous  Second  Law:    Force  =  Mass  x  Acceleration,  but  is  commonly  expressed:  

   Where  in  the  case  of  gravity,  acceleration,  or  dv/dt,  is  the  acceleration  due  to  

gravity,  and  on  earth  is  calculated  to  be  equal  to  9.8  m/s2.       Called  the  weak  force  because  “it's  range  of  interaction  occurs  over  a  very  

small  distance  (0.0000000000000001  m  or  1  x  10-­‐16  m)  inside  atoms”  (Weak  Force!),  and  is  so  unfamiliar  to  most  because  it  deals  with  particle  decay.  The  weak  force  affects  all  Fermions,  which  is  a  classification  that  contains  electrons,  protons  and  neutrons,  as  well  as  muons  and  lambda  particles.  This  is  crucial  to  the  framework  of  the  universe  because  the  weak  interaction  changes  quark  flavor,  causing  this  decay.  The  weak  interaction  is  the  only  process  in  which  a  quark  can  change  to  another  quark,  or  a  lepton  to  another  lepton  -­‐  the  so-­‐called  "flavor  changes"  (The  Weak  Force).  When  just  a  single  quark  inside  a  hadron  is  changed,  it  in  turn  not  only  changes  the  particle,  but  all  of  its  intrinsic  properties  as  well.  Because  of  these  transformations,  Deuterium  can  be  formed  inside  the  sun  by  the  process  of  deuterium  fusion,  as  described  previously.  A  second  crucial  consequence  is  that  the  weak  nuclear  force  allows  the  build  up  of  heavier  atoms  and  isotopes  due  to  neutron  accumulation.  

Every  force  has  its  own  specific  force  carried;  the  strong  force  has  gluons  and  the  gravitational  force  has  gravitons,  although  gravitons  are  hypothetical  and  have  never  been  observed  in  nature.  There  are  two  force  carriers  for  the  weak  force,  W-­‐Bosons,  which  can  have  either  a  positive  or  negative  charge,  and  Z-­‐Bosons,  which  are  electronically  neutral.  These  particles  were  first  discovered  1983,  the  unified  the  weak  and  electromagnetic  interactions,  through  a  process  know  as  Electroweak  Unification,  and  were  hailed  by  scientists  through  out  the  world:  

“With  masses  around  80  and  90  Gev,  respectively,  the  W  and  Z  were  the  most  massive  particles  seen  at  the  time  of  discovery  while  the  photon  is  massless.  

Page 23: The Physics of Nuclear Weaponry

  23  

The  difference  in  masses  is  attributed  to  spontaneous  symmetry  breaking  as  the  hot  universe  cooled.  (Electroweak  Unification).  

With  masses  about  100  times  that  of  a  proton,  it  is  their  heaviness  that  defines  the  extremely  short-­‐range  nature  of  the  weak  force  and  that  makes  the  weak  force  appear  weak  at  the  low  energies  associated  with  radioactivity.  A  good  example  of  the  weak  force  in  action  is  the  interaction  in  which  a  neutron  decays  into  a  proton.  

  The  interaction  begins  with  a  neutrino,  a  fundamental  particle  that  is  similar  to  an  electron,  only  carries  no  charge.  Because  neutrinos  have  no  charge,  they  are  not  affected  by  the  same  electromagnetic  forces  that  effect  electrons,  and  are  able  to  pass  through  great  distances  without  being  effected  by  it  (What  is  a  Neutrino).  The  neutrino,  when  it  passes  close  enough  to  a  neutron  for  weak  interaction  to  take  place,  transfers  a  positively  charged  W-­‐Boson  to  the  neutron.  Neutrons  are  composed  of  two  down  quarks,  each  with  a  -­‐1/3rd  charge,  and  one  up  quark  that  has  a  +2/3rd’s  charge.    

 

 As  the  W-­‐Boson  leaves  the  neutrino,  which  has  a  zero  charge,  it  loses  the  boson’s  

+1  charge  and  thus  becomes  a  negatively  charged  electron.  When  the  W-­‐Boson  makes  contact  with  negatively  charged  down  quark,  it  changes  the  quark  from  -­‐1/3  to  +2/3,  making  it  an  up  quark.  This  new  particle  now  has  two  up  quarks  and  one  down  quark,  making  it  a  proton.  Protons  have  a  charge  of  +1,  and  since  the  neutrino  became  an  electron  with  a  -­‐1  charge,  the  new  atom  remains  electronically  neutral,  obeying  conservation  of  charge.  The  number  of  protons  an  atom  has  inside  its  nucleus  defines  what  that  atom  will  be;  carbon  will  always  six  protons  or  it  is  not  carbon.  Through  the  weak  force,  the  atoms  nucleus  has  changed,  thus  making  it  a  completely  new  element.    

  There  are  many  types  of  decay  or  emission  a  nucleus  can  undergo,  but  the  three  most  important  ones  are  alpha  decay,  beta  decay  and  gamma  decay.  In  alpha  decay,  denoted  α,  the  atomic  nucleus  emits  an  alpha  particle  and  transforms  into  an  atom  with  an  atomic  number  of  two  less  than  the  starting  atom  and  a  mass  number  that  is  four  amu’s  less  massive.  The  diagram  below  shows  how  a  Uranium-­‐238  atom  will  decay  into  a  Thorium-­‐234  atom  by  releasing  an  alpha  particle:  

 

Page 24: The Physics of Nuclear Weaponry

  24  

                           The  second  type  of  decay  is  called  beta  decay,  denoted  β,  and  is  the  type  of  decay  

used  to  illustrate  the  weak  force  previously;  that  process  is  known  as  negative  beta  decay,  β-­‐.  The  neutron  decay  “results  in  a  daughter  nucleus,  the  proton  number  (atomic  number)  of  which  is  one  more  than  its  parent  but  the  mass  number  (total  number  of  neutrons  and  protons)  of  which  is  the  same”  (“Beta  Decay”).    Below  is  an  equation  showing  the  process  outlined  previously  in  our  description  of  the  weak  force:    

     Through  negative  beta  decay,  a  Carbon-­‐14  atom  decays  into  a  Nitrogen-­‐14  atom  

and  releases  an  electron  and  electron  antineutrino,  which  is  the  corresponding  antiparticle  to  the  electron  neutrino  described  below.  The  other  type  of  beta  decay  is  positive  beta  decay,  denoted  β+.  In  β-­‐positive  decay,  also  know  as  “positron  emission,”  the  nucleus  converts  into  a  nucleus  of  the  next  element  lower  on  the  periodic  table  by  releasing  a  

positron,  e+,  and  an  electron  antineutrino,  denoted  ν  e:        This  occurs  whenever  a  W-­‐  boson  is  absorbed  or  a  W+  boson  is  emitted  from  a  

proton.  This  loss  of  positive  charge  or  increase  of  negative  charge  turns  one  of  the  up  quarks  inside  a  proton  into  a  down  quark,  creating  a  neutron.  The  positron  emitted,  is  similar  to  an  electron  because  it  has  the  same  mass  as  an  electron,  but  has  the  opposite  charge.  An  electron  neutrino,  is  an  electronically  neutral  subatomic  particle.  They  were  first  hypothesized  in  1930  to  account  for  the  missing  energy  and  momentum  in  beta  decay,  and  confirmed  1956  by  a  team  of  scientists  headed  by  Clyde  Cowan  and  Frederick  Reines.    

Page 25: The Physics of Nuclear Weaponry

  25  

  The  third  type  of  weak  force-­‐driven  decay  is  called  gamma  decay,  abbreviated  by  the  lowercase  Greek  letter  γ.  Most  commonly  known  as  gamma  rays,  or  gamma  radiation,  they  can  originate  from  both  nuclear  and  non-­‐nuclear  sources.  In  the  case  of  nuclear  sources,  they  are  produced  alongside  α  and  β  particles  when  “nucleus  changes  from  a  higher  energy  state  to  a  lower  energy  state  through  the  emission  of  electromagnetic  radiation  in  the  form  of  photons”  (Gamma  Decay).  Unlike  alpha  and  beta  particles,  which  have  characteristics  of  matter:  having  definite  masses  and  occupying  space,  gamma  emission  is  referred  to  as  radiation  because  there  is  no  mass  change  associated  with  it.  A  good  example  of  gamma  decay  occurs  when  Cobalt-­‐60  undergoes  beta  decay,  changing  into  Nickle-­‐60  releasing  an  electron:  

         Following  this,  the  Ni-­‐60,  which  is  still  excited,  drops  down  into  a  lower  energy  

state  by  releasing  a  gamma  ray.  The  Ni-­‐60  then  drops  to  its  resting  ground  state  by  releasing  a  second  gamma  ray.  The  unit  of  gamma  particles  in  the  Gray,  abbreviated  Gy,  and  is  an  SI  unit  defined  as  the  absorption  of  one  joule  of  such  energy  by  one  kilogram  of  matter:        

       All  of  the  decays  described  above  fall  under  the  category  of  ionizing  radiation,  

which  is  consists  of  individual  particles  with  enough  kinetic  energy  to  excite  and  dislodge  an  electron  off  of  other  atoms,  creating  ions.  These  ions  intern  react  with  other  atoms  creating  more  ions.  In  cells,  ions  can  strip  away  electrons  from  important  parts  of  DNA,  causing  the  damage  that  could  lead  to  mutations  or  cell  death.  In  humans,  exposure  to  high  amounts  of  ionizing  radiation  causes  Acute  Radiation  Syndrome  (ARS),  which  becomes  present  within  24  hours.  Small  doses  usually  results  in  nausea,  bleeding  and  vomiting,  but  the  longer  one  is  exposed,  the  effects  become  amplified.  Severe  neurological  effects  and  rapid  death  typically  follow  a  large  dose  of  radiation.  While  treatment  is  available  for  minor  cases,  typically  exposure  at  anything  over  exposure  of  0.7-­‐10  Gy  the  survival  rate  drops  off  exponentially.  The  best  method  for  preventing  exposure  to  oneself  is  to  gain  distance  from  the  source  of  radiation.  The  strength  of  the  ionizing  radiation  is  inversely  proportional  to  the  distance.  If  movement  is  not  an  option,  attempting  to  create  a  shield  might  be  the  only  option.    

Page 26: The Physics of Nuclear Weaponry

  26  

Alpha  particles  are  the  least  penetrating  of  the  three.  Consisting  of  two  protons,  making  it  a  Helium  atom,  alpha  particles  carry  large  velocities.  Due  to  their  size  however,  alpha  particles  are  stopped  easily,  requiring  only  the  thickness  of  a  sheet  of  paper.  Beta  particles  are  slightly  more  penetrating,  but  can  be  shielded  by  just  a  few  millimeters  of  aluminum  foil.  Gamma  particles  are  the  most  penetrating  of  the  three,  yet  still  can  be  effectively  blocked  by  several  centimeters  of  lead.  This  is  important  because  atoms  with  heavy  nuclei  best  absorb  gamma  radiation  like  that  in  the  human  body.  There  is  a  fourth  type  of  radiation,  neutron  radiation,  which  comes  from  the  nuclear  fission  process  that  was  described  earlier.  This  type  of  radiation  is  a  secondary  effect  of  nuclear  explosions  but  is  the  most  penetrating  and  hazardous.    

       When  it  comes  to  nuclear  blasts  there  are  two  sources  of  radiation  emitted  from  

the  weapon.  The  first  source  is  prompt  radiation,  which  is  a  brief  burst  of  gamma  rays  and  neutrons  immediately  after  the  explosion.  The  second  is  delayed  radiation,  which  involves  radioactive  decay  (fallout)  being  the  source  of  alpha  and  beta  particles.  Gamma  rays  are  short  wavelength  photons  with  lots  of  energy.  Alpha  and  beta  particles  are  both  energetic  but  are  different  in  that  an  alpha  particle  is  a  helium  nucleus  and  a  beta  particle  is  an  energized  electron.  Gamma  rays  and  Neutrons  are  some  of  the  most  harmful  as  they  penetrate  all  types  of  shielding  as  they  can  travel  through  large  amounts  of  air  and  thick  walls.    Alpha  and  beta  particles  are  less  harmful  as  they  can  only  travel  through  small  distances.  What  they  all  share  is  the  way  they  affect  the  human  body.  When  these  energetic  radiation  particles  and  rays  touch  living  tissues  in  organisms  they  break  the  tissue  into  what  is  known  as  free  radicals.  These  free  radicals  are  dangerous  because  they  are  extremely  reactive  and  disrupt  Mother  Nature’s  natural  chemical  processes  within  the  living  organism.  Neutrons  do  something  similar  in  that  they  can  react  with  nuclei  of  regular  atoms  and  produce  radioactive  isotopes  within  the  body  which  results  in  further  ionizing  damage.    

Atom  displacement  is  another  way  to  disrupt  the  normal  chemistry  within  an  organism.  This  happens  when  an  incident  particle  or  particles  like  the  ones  above  have  such  energy  that  they  displace  an  atom  out  of  its  normal  position  within  the  compound  it  is  bonded  to.  This  is  all  detrimental  to  the  human  body  specifically  tissues  that  have  cells  that  repeatedly  undergo  mitosis.    In  extreme  cases  the  cell  can  immediately  die  or  in  other  cases  the  radiation  can  alter  DNA  sequencing.  This  can  lead  to  mutated  genes,  which  is  why  nuclear  radiation  is  said  to  be  mutagenic.  When  the  DNA  sequence  that  controls  growth  is  affected,  the  cell  can  grow  without  any  sized  limit.  This  same  cell  when  undergoing  mitosis  passes  on  its  now  altered  DNA  to  its  daughter  cells  and  repeatedly  does  this  without  regard  

Page 27: The Physics of Nuclear Weaponry

  27  

to  the  overall  wellbeing  of  the  organism.  This  then  leads  to  out  of  control  cancerous  tumor  growth.    This  is  all  dependent  on  the  amount  of  radiation  absorbed  by  the  organism.  This  is  called  the  absorbed  dose  (D)  and  is  a  quantity  that  approximates  the  amount  of  absorption  in  any  type  of  material.    The  various  forms  of  radiation  have  different  effects  on  different  living  tissues  for  example  neutrons  and  alpha  particles  have  more  of  an  effect  on  tissues  when  compared  to  beta  particles  and  gamma  rays;  therefore  the  below  equation  accounts  for  this  by  multiplying  the  absorbed  dose  by  a  radiation  weighting  factor  (Q),  which  is  different  for  each  type  of  radiation  (see  table  for  radiation  weighting  factor).    The  product  is  called  the  equivalent  dose  (H),  which  is  measured  Gray’s,  which  as  illustrated  before,  is  joule/kg  (Atomic  Dose  Info).  

H=QD    The  same  equation  accounts  for  the  various  types  of  tissues  that  have  react  differently  with  same  equivalent  dose.  For  these  cases  a  tissue  weighting  factor  (Q)  is  used  instead  of  the  one  used  before  (refer  to  the  next  table).  The  weighting  factor  is  again  multiplied  by  the  absorbed  dose  (D).  The  result  in  this  case  is  called  the  effective  dose  (H)  that  varies  

according  to  the  tissue.  The  SI  unit  for  this  product  is  a  sievert  (Sv),  which  is  also  a  joule/kg.  Depending  on  the  amount  of  radiation  absorption  the  short-­‐term  effects  vary.  An  absorbed  dose  of  100  gray  causes  unconsciousness  and  death  within  a  few  hours  while  an  absorbed  dose  below  0.25  gray  will  yield  no  short-­‐term  effects.  An  absorbed  dose  between  1-­‐10  gray  can  cause  vomiting,  rapid  weight  loss,  decrease  in  white  blood  cells,  damaged  bone  marrow,  and  finally  severe  radiation  sickness  leading  to  death  within  30  days.  This  information  demonstrates  how  lethal  nuclear  radiation  can  be  to  a  living  organism.    

                         

 

Page 28: The Physics of Nuclear Weaponry

  28  

While  this  might  be  controversial  to  some,  the  nuclear  weapon  is  a  beautiful  example  of  the  power  of  human  ingenuity.  When  we  were  threatened  with  a  war  that  could  cost  millions  of  casualties  on  both  sides;  civilian  and  military  alike,  the  brightest  minds  figured  out  a  way  to  take  the  smallest  object  imaginable,  an  atomic  nucleus,  and  cut  it  in  half.  They  figured  out  how  to  harness  this  energy  into  a  bomb,  a  piece  of  weaponry  never  before  seen.  This  was  all  possible  because  of  the  fellow  voyagers  who  came  before  them  that  too,  were  on  the  quest  for  knowledge.    

Science  is  all  about  proving  your  colleagues  wrong;  in  fact,  an  award  is  actually  given  out  for  this:  The  Nobel  Prize.  Named  after  Alfred  Nobel,  the  man  who  created  dynamite,  it  is  awarded  to  the  man  or  women  who  has  made  a  substantial  contribution  to  the  world  in  the  realms  of  “physics,  chemistry,  physiology  or  medicine,  literature  and  for  peace”  (Nobel  Prize).  What  is  meant  by  “proving  them  wrong”  can  be  thought  of  more  like  discovering  or  postulating  something  that  better  explains  natural  phenomena,  and  contradicting  the  current  model.  When  this  new  hypothesis  is  then  vigorously  tested,  and  if  it  holds  up  to  all  experimentation,  it  becomes  labeled  as  a  “theory.”  Unlike  common  usage,  a  theory  is  the  highest  point  imaginable  in  science;  it  is  the  graduation  point.     We  know  these  theories,  equations  and  postulate’s  most  of  the  time  by  their  discoverer’s  name;  Newton’s  Second  Law,  Einstein’s  Theory  of  General  Relativity.  It  is  because  of  these  brave  souls  journeying  to  the  edges  of  human  knowledge  that  we  are  able  to  live  in  a  world  with  cell  phones,  airplanes,  every  modern  day  luxury,  and  yes,  even  nuclear  weapons.  What  was  a  necessary  evil  at  their  inception,  has  turned  into  a  possibility  for  a  near  unlimited  power  supply,  as  well  as  a  tool  for  total  destruction.  The  energy  stored  inside  a  nucleus  could  be  harnessed  and  used  to  power  cities  and  infrastructure.  This  energy  has  a  deadly  downside.  As  displayed  earlier,  even  slight  exposure  to  nuclear  radiation  can  be  deadly.  Along  with  that  comes  the  potential  for  meltdowns,  such  as  the  cases  of  Cherboyl  or  Three  Mile  Island,  leading  to  hesitation  to  about  this  technology.  

None  of  forces  of  nature  are  here  to  serve  humans;  we  are  here  because  of  these  forces.  That  is  a  fact  that  is  too  often  over  looked  today.  No  force  or  new  idea,  or  any  discovery  for  that  matter,  comes  with  a  set  of  instructions,  a  list  of  do’s  and  don’ts.  As  fallible  beings,  it  is  up  to  us  on  how  it  is  used.  The  same  is  true  in  the  case  of  nuclear  technology.  With  the  benefits  great  and  the  consequences  dire,  I  think  that  we  need  to  remember  the  great  words  of  uncle  Ben  Parker  from  Marvel’s  Spiderman  when  he  says  that  “with  great  power  comes  great  responsibility”.  We  are  not  the  only  ones  who  inhabit  this  planet;  there  are  another  seven  billion  people  and  over  eight  million  species  of  life.  The  decisions  we  make  today  will  echo  throughout  history  and  it  is  us  who  it  writing  our  chapter.    

   

Page 29: The Physics of Nuclear Weaponry

  29  

Works  Cited  

"The  Atomic  Heritage  Foundation."  The  Uranium  Committee.  N.p.,  n.d.  Web.  25  Apr.  2013.    

Atzeni.  "Nuclear  Fusion  Reactions."  Nuclear  Fusion  Reactions.  N.p.:  n.p.,  n.d.  1-­‐3.  Web.    

<http://fds.oup.com/www.oup.co.uk/pdf/0-­‐19-­‐856264-­‐0.pdf>.  

"Beta  Decay  (physics)."  Encyclopedia  Britannica  Online.  Encyclopedia  Britannica,  n.d.  Web.  

24  Mar.  2013.    

"Color  Force."  The  Color  Force.  N.p.,  n.d.  Web.  09  May  2013.    

"The  Derivation  of  E=mc2."  Special  Relativity:  Derivation  of  E=mc^2.  N.p.,  n.d.  Web.  30  Apr.  

2013.    

"Electroweak  Unification."  Unification  of  Forces.  Georgia  State  University,  n.d.  Web.  16  Mar.  

2013.    

"The  Equivalence  of  Mass  and  Energy."  (Stanford  Encyclopedia  of  Philosophy).  N.p.,  n.d.  

Web.  30  Apr.  2013.    

Flores,  Francisco.  "Einstein’s  1935  Derivation  of  E=mc2."  California  Polytechnic  State  

University,  n.d.  Web.    

"Fundamental  Forces."  Fundamental  Forces.  Georgia  State  University,  n.d.  Web.  29  Mar.  

2013.    

"Gamma  Decay."  Gamma  Decay.  N.p.,  n.d.  Web.  05  May  2013.    

Hansen,  Lena.  "The  Color  Force."  The  Color  Force.  Duke  University,  n.d.  Web.  18  Mar.  2013.    

"How  Many  and  Where  Were  the  Nukes?  What  the  U.S.  Government  No  Longer  Wants  You  

to  Know  about  Nuclear  Weapons  During  the  Cold  War."  How  Many  and  Where  Were  

the  Nukes?  What  the  U.S.  Government  No  Longer  Wants  You  to  Know  about  Nuclear  

Page 30: The Physics of Nuclear Weaponry

  30  

Weapons  During  the  Cold  War.  The  National  Security  Archive,  n.d.  Web.  26  Apr.  

2013.    

"The  Letter  from  Albert  Einstein  to  President  Franklin  D.  Roosevelt."  The  Letter  from  Albert  

Einstein  to  President  Franklin  D.  Roosevelt.  N.p.,  n.d.  Web.  09  May  2013.    

"The  Manhattan  Project:  Making  the  Atomic  Bomb."  The  Uranium  Committee.  N.p.,  n.d.  Web.  

09  May  2013.    

Murtanu,  Yoseph.  "Fission  and  Fusion  -­‐  ChemWiki."  Fission  and  Fusion  -­‐  ChemWiki.  U.C.    

Davis,  n.d.  Web.  09  May  2013.    

"The  Nobel  Prizes."  The  Nobel  Prizes.  Nobelprize.org,  n.d.  Web.  9  May  2013.  

Norton,  John  D.  Einstein  For  Everyone.  Pittsburg:  University  of  Pittsburg,  2001.  Print.    

"The  Nucleus."  The  Nucleus.  N.p.,  n.d.  Web.  15  Apr.  2013.    

"Pauli  Exclusion  Principle  -­‐  ChemWiki."  Pauli  Exclusion  Principle  -­‐  ChemWiki.  UC  Davis,  n.d.  

Web.  7  Apr.  2013.    

"The  Process  of  Natural  Radioactive  Decay."  For  Dummies.  For  Dummies,  n.d.  Web.  28  Apr.  

2013.    

"Radiobiology."  The  Physics  Hypertextbook.  Ed.  Glenn  Elert.  Glenn  Elert,  n.d.  Web.    

"Secret  City  The  Movie."  Secret  City  The  Movie.  N.p.,  n.d.  Web.  24  Apr.  2013.    

"Strong  Interaction:  The  Four  Fundamental  Forces  of  Physics  #1a."  YouTube.  Sci  Show,  22  

May  2012.  Web.  04  May  2013.    

"Strong  Interaction:  The  Four  Fundamental  Forces  of  Physics  #1b."  YouTube.  SciShow,  n.d.  

Web.  19  Apr.  2013.    

"The  Strong  Nuclear  Force."  The  Strong  Nuclear  Force.  N.p.,  n.d.  Web.  26  Apr.  2013.    

Sublette,  Carey.  Introduction  to  Nuclear  Weapon  Physics  and  Design.  Rep.  N.p.,  20  Feb.  1999.    

Web.  09.  May  2013.  <http://nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq2.html>.  

Page 31: The Physics of Nuclear Weaponry

  31  

Swedenborg,  Emanuel.  "Principia  Rerum  Naturalia."  De  Simplici  Mundi  Vel  Puncto  Naturali.  

N.p.:  n.p.,  1734.  32.  Print.    

"Understanding  E  =  Mc2."  Energy  Tribune  RSS.  Energy  Tribune,  21  Oct.  2009.  Web.  17  Mar.  

2013.    

Unknown  Author.  Fusion  Reactions.  Department  of  Physics.  California  State  University  

Stanislaus,  n.d.  Web.  

Unknown  Author.  "The  Physics  of  Nuclear  Weapons."  Stanford  Engineering.  Stanford  

Unknown  Author.  "Nuclear  Weapon  Blast  Effects."  Nuclear  Weapon  Blast  Effects.  Federation  

of  American  Scientists,  21  Oct.  1998.  Web.  09  May  2013.  

<http://www.fas.org/nuke/intro/nuke/blast.htm>.  

Walker,  Mark.  "Nazis  and  the  Bomb."  PBS.  PBS,  08  Nov.  2005.  Web.  09  May  2013.    

"Weak  Force  (physics)."  Encyclopedia  Britannica  Online.  Encyclopedia  Britannica,  n.d.  Web.  

24  Apr.  2013.    

"The  Weak  Force."  The  Weak  Force.  N.p.,  n.d.  Web.  17  Apr.  2013.  

<http://emandpplabs.nscee.edu/cool/temporary/doors/forces/weakforce/weakfo

rce.htm>.    

"Weak  Interaction:  The  Four  Fundamental  Forces  of  Physics  #2."  YouTube.  SciShow,  07  

June  2012.  Web.  16  Apr.  2013.  

<http://www.youtube.com/watch?v=cnL_nwmCLpY>.    

"Web  Sites."  The  Atomic  Bomb.  N.p.,  n.d.  Web.  25  Apr.  2013.    

"What  Is  the  Charge  of  an  up  Quark  And..."  What  Is  the  Charge  of  an  up  Quark  And...  

Jefferson  Lab,  n.d.  Web.  16  Apr.  2013.    

Page 32: The Physics of Nuclear Weaponry

  32  

"What's  a  Neutrino?"  What's  a  Neutrino?  UC  Irvine,  n.d.  Web.  25  Apr.  2013.  

<http://www.ps.uci.edu/~superk/neutrino.html>.    

"World  War  II:  The  Manhattan  Project."  About.com  Military  History.  N.p.,  n.d.  Web.  26  Apr.   2013.