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{{Otheruses|subject=核武器当量|other='''当量'''的其他含义|当量}}
[[File:US nuclear weapons yield-to-weight comparison.svg|right|thumb|320px|美國部分核武器的當量（千噸）與核彈質量（千克）的關係圖。縱橫坐標均為對數。]]
'''核武器當量'''即[[核武器]]的[[爆炸当量]]，指其[[核爆炸]]可以釋放出的[[能量]]，通常用釋放出相同能量的[[三硝基甲苯]]（TNT）的噸位來衡量。常見的單位有千噸（kt）和百萬噸（Mt），有時也用[[太焦耳]]（[[TeraJoules]]）。因為測量TNT爆炸產生的能量具有一定主觀性，加之試驗誤差，精確測定很困難（特別是在[[核武器]]研發初期）。因此，一千噸TNT爆炸的能量約定俗成的定為10<sup>12</sup>[[大卡|卡路里]]，相當於4.184太焦耳。<ref name=babrauskas>{{cite book |last1= Babrauskas|first1=Vytenis |title= Ignition Handbook  |year=2003  |publisher=Fire Science Publishers/Society of Fire Protection Engineers |location=Issaquah, WA|isbn=0-9728111-3-3  |page=453}}</ref>

'''當量-重量比'''是指核武器的當量與其自身重量的比值。對於[[聚變武器]]（[[熱核武器]]），當量-重量比的理論極限是每噸位炸彈6百萬噸TNT，相當於25太焦耳/千克。<ref name="B41"/>1960年代曾報道過當量在5.2百萬噸／噸，甚至更高的單彈頭核武器。<ref name="B41">{{cite web | url=http://nuclearweaponarchive.org/Usa/Weapons/B41.html | title=The B-41 Bomb | accessdate=2013-03-27}}</ref>但從那時起，為了增加打擊效率，多彈頭核武器受到青睞。因此，核武器開始小型化，現代單彈頭核武器的當量-重量比開始走下坡路。

==核武器當量的具體例子==

從上往下當量遞增（大部分數據為近似值）：

{|class=wikitable

|-

!rowspan=2|核彈

!colspan=2|當量

!rowspan=2|備注

|-

!千噸TNT

!太焦耳

|-

|[[大衛克羅無後座力砲]]

!0.01
!0.042
|當量可變的[[戰術核武器]]。彈頭重23千克，是美國核武器中最輕的。和[[特殊原子爆破彈藥]]和 GAR-11[[獵隼式核導彈]]是同一種彈頭。

|-

|{{nowrap|"[[小男孩 (原子彈)|小男孩]]"}}{{nowrap|[[自由落體]]核武器}}

!13-18
!54-75

|裝藥為[[鈾-235]]的裂變核武器，1945年由[[美國]]投擲於[[廣島]]，是人類第一顆用於實戰的[[原子彈]]。

|-

|{{nowrap|"[[胖子 (原子彈)|胖子]]"}} 自由落體核武器

!20-22
!84-92

|裝藥為[[钚-239|鈈-239]]的裂變核武器，1945年由美國投擲於[[長崎]]，是人類第二顆用於實戰的原子彈。

|-

|{{Link-en|W76|W76}}彈頭

!100

!420
|據猜測有12枚此類彈頭在具備多目標重返大氣層運載能力的[[三叉戟II型弹道导弹|三叉戟II型彈道飛彈]]上。國際條約限制為8枚。

|-

|{{Link-en|W87|W87}}彈頭

!300

!1,300
|有10枚此類彈頭在具備多目標重返大氣層運載能力的LGM-118A[[維和者導彈]]上。

|-

|[[W88]]彈頭

!475

!1,990
|據猜測有12枚此類彈頭在具備多目標重返大氣層運載能力的三叉戟II型彈道飛彈上。國際條約限制為8枚。

|-

|{{Link-en|常青藤之王|Ivy King}}彈頭

!500

!2,100
|威力最大的裂變核武器。裝藥為60千克[[鈾-235]]。

|-

|[[B83]]核彈

|colspan=2 align=center|當量可變

|上限為120萬噸TNT; 美國現役核武器中威力最大的一種。

|-

|[[常春藤麥克]]氫彈

!10,400
!44,000
|世界第一個[[氫彈]]

|-

|{{Link-en|勇敢城堡|Castle Bravo}}熱核武器

!15,000
!63,000

|是美國威力最大的核試驗。

|-

|EC17/Mk-17, EC24/Mk-24和[[B41型核弹|B41]]核彈（Mk-41）

|colspan=2 align=center|當量可變

|是美國威力最大的熱核武器：2500萬噸TNT；Mk-17是體積和質量最大的核武器（18,000千克）；Mk-41（或B41核彈）重達4800千克，當量為2500萬噸TNT，是有史以來當量-重量比最高的核彈。它們全部是自由落體炸彈，由[[B-36和平締造者轟炸機]]空投。

|-

|[[城堡行動]]系列核試驗

!48,200

!202,000
|是美國威力最大的系列核試驗。

|-

|[[沙皇炸彈]]

!50,000

!210,000
|是前[[蘇聯]]威力最大的核武器，當量為5000萬噸TNT。如果以[[貧化鈾]]代替[[包覆融合芯]]（tamper）中的[[鉛]]，該彈的當量據稱可以達到一億噸TNT。

|-

|截止1996年以來的所有[[核試驗]]

!510,300

!2,135,000

|從1945年到1996年，[[美國]]、前[[蘇聯]]、[[法國]]、[[英國]]和[[中國]][[大氣層]]核試驗的總當量為4.279億噸TNT；上述五國地下核試驗的總當量為0.824億噸TNT。全部加起來，上述五國的核試驗相當於爆炸了5.103億噸TNT。其他[[有核國家]]（比如[[印度]]、[[巴基斯坦]]和[[北朝鮮]]等）的當量還未計算進去。<ref>{{cite journal | url=http://books.google.com/books?id=xAwAAAAAMBAJ&pg=PA63&dq=510.3&as_pt=MAGAZINES&ei=0VpnSuGLLoWQNuSdnaAB | title=known nuclear tests worldwide, 1945-1995 | author=Norris, R. S.; Arkin, W. M. | journal=Bulletin of the Atomic Scientists | pages=61-63 | date=1996年5月 | access-date=2013-03-27 | archive-date=2020-08-20 | archive-url=https://web.archive.org/web/20200820020137/https://books.google.com/books?id=xAwAAAAAMBAJ&pg=PA63&dq=510.3&as_pt=MAGAZINES&ei=0VpnSuGLLoWQNuSdnaAB | dead-url=no }}</ref>

|}

[[File:Comparative nuclear fireball sizes(rus).svg|right|thumb|250px|幾個核武器爆炸產生的火球半徑比較。注意爆炸波及的地區要比火球的範圍大得多。]]

作為比較，美國[[GBU-43/B大型空爆炸弹|GBU-43大型空爆炸彈]]（MOAB，戲稱為“炸彈之母”）的當量只有11噸TNT；1995年[[俄克拉何马城爆炸案|俄克拉何馬城爆炸案]]中案犯使用的[[硝酸铵|硝銨炸藥]]只相當於2噸TNT；[[2015年天津港危化品倉庫爆炸事故]]當量相當於445噸TNT；[[2020年貝魯特爆炸事故]]當量大約在數百噸至一千噸之間的TNT。即使跟最小的核武器相比，常規爆炸也難以企及。

===當量的極限===

理論上，裂變核武器所能達到的最高當量-重量比約為每噸位炸彈600萬噸TNT，相當於25太焦耳/千克。<ref name="B41"></ref>迄今達到的最高值略小於這個極限。現代小巧核武器的當量-重量比更低，因為需要考慮載具的運載能力。

*2500萬噸級的B41核彈的當量-重量比可以達到每噸位炸彈510萬噸TNT。美國現有的核武器許多無法達到這個水平。有人猜測如果使用高濃縮[[氘化锂|氘化鋰]]-6作為[[核燃料|聚變燃料]]，這個當量-重量比並非不可企及。目前，B41核彈仍然保持著當量-重量比的世界紀錄。<ref name="B41"></ref><ref>The MK-41, or B41 when given its bomb designation, was ''...the most efficient bomb or warhead actually deployed by any country during the Cold War and afterwards.'' http://www.ieri.be/fr/publications/ierinews/2011/juillet/fission-fusion-and-staging {{Wayback|url=http://www.ieri.be/fr/publications/ierinews/2011/juillet/fission-fusion-and-staging |date=20160305053224 }}.</ref>

*1963年[[美國能源部]]解密的文件顯示，美國有技術能力部署運載3500萬噸級核彈頭的大力神II型導彈，也有能力在[[B-52]]轟炸機上運載5000到6000萬噸級的核彈頭。美國政府並未真正執行。但是，計算顯示這些核彈的當量-重量比都超過2500萬噸級的B41核彈。有人猜測，保持B41核彈的設計不變，如果用[[鈾-235]]代替包覆融合芯中的[[鈾-238]]，就可以進一步提高當量-重量比。在[[泰勒-乌拉姆构型|泰勒-烏拉姆設計方案]]中，鈾-238是最常用的包覆融合芯材料。

*美國現有小巧核武器的當量-重量比在每噸位炸彈60萬到220萬噸TNT之間。[[大衛克羅無後座力砲]]的彈頭的當量-重量比在每噸位炸彈400噸至4萬噸TNT。“小男孩”核彈的當量-重量比在每噸位炸彈4000噸TNT。已知威力最大的“沙皇炸彈”的當量-重量比在每噸位炸彈200萬噸TNT；據信若使用合適的材料，“沙皇炸彈”的比值可以達到每噸位炸彈400萬噸TNT。

*有史以來最大的純裂變核武器“常青藤之王”的當量為50萬噸TNT，也許已經達到了其設計的極限。使用聚變增強能大大提高此類核彈的效率，但是裂變材料在超過[[臨界質量]]後會帶來嚴峻的設計和工程問題，因此[[原子彈|裂變核武器]]的當量是有極限的。純[[氫彈|聚變核武器]]卻沒有這個問題。

*理論上裂變核武器所能達到的最高當量-重量比約為每噸位炸彈600萬噸TNT，實際所達到的值為每噸位炸彈520萬噸TNT。因此對於空投的核彈，其總當量有一個實際界限。新一代核武器基本不再有笨重的外殼，增強了提高當量-重量比的可能性。比如，[[Mk-36]]核彈的當量-重量比約為每噸位炸彈125萬噸TNT。如果其外殼能夠減重2/3，其當量-重量比可提高到每噸位炸彈230萬噸TNT，和更新且更輕的Mk/[[B-53]]核彈幾乎一樣。

*運載工具的運載能力可以用來猜測核彈的當量。烏克蘭的[[安-225運輸機]]的最大運載能力是250噸；如果有這樣一顆250噸的核彈，其當量將達到13億噸TNT。俄羅斯的大型火箭[[R-36|SS-18]]（[[R-36]]導彈）的[[有效載荷]]為7.2噸；其能夠攜帶的最大裂變武器相當於3740萬噸TNT。美國的[[土星5号运载火箭|土星五號]]火箭的有效載荷為120噸；其能夠攜帶的最大裂變武器相當於7亿噸TNT。

現代核武庫中已經很少有大型單彈頭。取而代之的是[[多目標重返大氣層載具]]運載的多彈頭系統。在當量或者載荷相近時，後者的破壞力遠遠超出前者。單個彈頭的破壞力是其當量的2/3。在多彈頭系統中，雖然每個彈頭的破壞力相對小些，但是整體上多彈頭的破壞力不但能夠補償失去的當量數，反而會因為更好的當量-重量比而具有更大的破壞力。

==當量的計算和爭議==

核爆炸的當量有時很難計算，誤差較大。當量的計算有幾種方式，比如通過爆炸的範圍、亮度、[[地震]]數據和[[激波|衝擊波]]的強度來確定。[[恩里科·费米|恩裡科·費米]]曾用過一種非常粗略的方法來估計[[三位一體核試]]的當量。他在爆炸衝擊波到來時扔出一把碎紙片，然後測量紙片飛了多遠，以此估計爆炸的強度。<ref>{{cite web | url=http://www.nuclearfiles.org/menu/key-issues/nuclear-weapons/history/pre-cold-war/manhattan-project/trinity/eyewitness-enrico-fermi_1945-07-16.htm | title=Trinity Test, July 16, 1945 Eyewitness Report by Enrico Fermi | accessdate=2013-03-27 | archive-date=2018-10-04 | archive-url=https://web.archive.org/web/20181004175814/http://www.nuclearfiles.org/menu/key-issues/nuclear-weapons/history/pre-cold-war/manhattan-project/trinity/eyewitness-enrico-fermi_1945-07-16.htm | dead-url=no }}</ref>

[[Image:Trinity Test Fireball 25ms.jpg|right|thumb|250px|[[三位一體核試]]（鈈彈）中的火球，曾被英國物理學家[[傑弗里·泰勒]]用於估測爆炸當量。]]

1950年，英國物理學家[[傑弗里·泰勒]]曾利用簡單的[[量綱]]分析和對極熱[[空氣]][[熱容]]的估計，估算了聖三一核試驗的當量。他得到的近似值精度頗佳。起初泰勒的工作是嚴格保密的。1950年代，當前蘇聯爆炸了同類核彈之後，聖三一核試驗被解密。泰勒於是發表了一篇文章，其中包括對聖三一核試驗中火球的分析。泰勒指出，開始時火球的大小R僅僅依賴於爆炸產生的能量E、引爆後的[[時間]]t和空氣的[[密度]]ρ。唯一能得到[[長度]]量綱的計算公式為：

<math>R=S\left( {\frac{{E{t}}^{2}}{\rho}} \right)^{\frac {1} {5}}</math>

S是一個無量綱的常數，是[[熱容比]]（γ = C<sub>p</sub>/C<sub>v</sub>，或者稱作[[絕熱指數]]）的低階[[函數]]，因此在任何條件下都近似為1。

泰勒觀察了聖三一核試驗中的火球隨時間的變化後發現，R<sup>5</sup>/t<sup>2</sup>對核試驗是一個常數，特別是時間在0.38毫秒（衝擊波剛剛形成）和1.93毫秒（大量能量以輻射熱的形式散失）之間。

泰勒選擇了爆炸後t=25毫秒，這時火球半徑為140米。爆炸當天聖三一的空氣密度為1千克/立方米。用這些值代入以上公式，泰勒得到聖三一核試驗爆炸當量為二萬二千噸TNT（90太焦耳）。值得注意的是，聖三一核試驗中的火球是半個火球，而不是一個完整的[[球]]。但是這個簡單的計算得到的結果同官方數據（二萬噸TNT）相差僅10%。<ref>{{cite journal | url=http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/200/1061/235 | title=The Dynamics of the Combustion Products behind Plane and Spherical Detonation Fronts in Explosives | author=Taylor, G. I. | journal=Proceedings of the Royal Society of London A | year=1950 | volume=200 | pages=235-247 | access-date=2013-03-27 | archive-date=2017-08-12 | archive-url=https://web.archive.org/web/20170812153028/http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/200/1061/235 | dead-url=no }}</ref>

當熱容比γ小於2時，泰勒的常數S可以用下式來估計：<ref>{{cite web | url=http://glasstone.blogspot.com/2006/03/analytical-mathematics-for-physical.html | title=Analytical mathematics for physical understanding, versus abstract numerical computation | accessdate=2013-03-27 | archive-date=2019-11-30 | archive-url=https://web.archive.org/web/20191130162959/https://glasstone.blogspot.com/2006/03/analytical-mathematics-for-physical.html | dead-url=no }}</ref>

S = [75(γ-1)/8π]<sup>1/5</sup>

完全解離空氣分子的熱容比為1.67；極熱的未解離空氣分子的熱容比為1.20。在核彈火球中的空氣與[[标准状态|標准狀態]]下的空氣恰好有同樣的熱容比：1.40。根據這個數據，泰勒的常數S在[[絕熱]]衝擊波區為1.036。

===其他方法和爭議===

許多核爆未公布數據，因此其當量均有爭議，特別是涉及到政治的時候。比如，在廣島和長崎爆炸的原子彈設計相當不同。事後估計它們的當量很困難。投擲於廣島的“小男孩”的當量估計為一萬二千到一萬八千噸TNT（誤差20%），投擲於長崎的“胖子”估計為一萬八千到二萬三千噸TNT（誤差10%）。這樣的數據可以用來評估其它炸彈在實戰中的性能。比如“[[常春藤麥克|常春藤麦克]]”熱核武器相當於867或578個廣島核彈。其它受到爭議的還包括“[[沙皇炸彈]]”的當量。不同的政治人物使用不同的數值。有的說“只有五千萬噸”，另外的則說“五千七百萬噸”。

==參考文獻==
{{Reflist}}

==外部連結==

*[http://www.warbirdforum.com/hiroshim.htm "What was the yield of the Hiroshima bomb?"] {{Wayback|url=http://www.warbirdforum.com/hiroshim.htm |date=20170913004426 }} (excerpt from official report)

*[https://web.archive.org/web/20051201184506/http://www.cddc.vt.edu/host/atomic/nukeffct/enw77a.html "General Principles of Nuclear Explosions"], Chapter 1 in Samuel Glasstone and Phillip Dolan, eds., ''The Effects of Nuclear Weapons'', 3rd edn. (Washington D.C.: U.S. Department of Defense/U.S. Energy Research and Development Administration, 1977); provides information about the relationship of nuclear yields to other effects (radiation, damage, etc.).

*[https://web.archive.org/web/20060405211214/http://www.saag.org/papers5/paper451.html "THE MAY 1998 POKHRAN TESTS: Scientific Aspects"], discusses different methods used to determine the yields of the Indian 1998 tests.

*[http://www.fas.org/nuke/guide/india/nuke/ Discusses some of the controversy over the Indian test yields] {{Wayback|url=http://www.fas.org/nuke/guide/india/nuke/ |date=20201211083050 }}

*[http://nuclearweaponarchive.org/India/IndiaRealYields.html "What are the real yields of India's nuclear tests?"] from Carey Sublette's NuclearWeaponArchive.org

*[http://www.meyerweb.com/eric/tools/gmap/hydesim.html High-Yield Nuclear Detonation Effects Simulator] {{Wayback|url=http://www.meyerweb.com/eric/tools/gmap/hydesim.html |date=20210126090329 }}

{{核技术}}

[[Category:核子武器設計]]

[[Category:能量測量]]