小男孩（英语：Little Boy）是一颗原子弹，它于1945年8月6日投放在日本广岛市，成为第二次世界大战期间人类首次使用核武器的事件。该原子弹由B-29超级堡垒轰炸机“艾诺拉·盖”运载，机上由第509混合飞行大队的指挥官保罗·蒂贝茨上校和机长罗伯特·A·路易斯（英语：Robert_A._Lewis）上尉驾驶。这颗原子弹的爆炸能量约相当于15千吨爆炸当量（63 TJ），造成广泛的伤亡和广岛市区毁灭性的破坏。成为人类历史上第二次人造核爆炸，仅次于三位一体核试验。
关于广岛发生的原子弹爆炸事件，请见“广岛市原子弹爆炸”。Quick Facts 小男孩原子弹, 类型 ... 小男孩原子弹 小男孩原子弹的外貌类型原子弹（核武）原产地 美国服役记录服役期间1945年–1947年使用方 美国参与战争／冲突第二次世界大战广岛市原子弹爆炸生产历史研发者洛斯阿拉莫斯国家实验室基本规格重量4000千克长度3米Close小男孩原子弹是由曼哈顿计划的洛斯阿拉莫斯实验室于第二次世界大战期间由弗朗西斯·伯奇（英语：Francis_Birch_(geophysicist)）中校领导的小组开发，这是他们对瘦子原子弹的改进版本。和瘦子一样，小男孩是一种枪式裂变武器，但其爆炸能力来自于铀-235的核裂变，而瘦子则基于钚-239的裂变。透过使用硝酸纤维素火药驱动，将一个空心圆筒（子弹）射击到一个相同材料的实心圆筒（目标）上，造成整块超临界质量的铀，引发核裂变[1][2]。该原子弹含有64千克（141磅）高度浓缩铀，但仅不到一千克的铀进行核裂变。其组件在三个不同的工厂制造，以确保没有任何一家拥有完整的设计复制品。与需要精密协调成型爆炸装药的内爆设计不同，枪式设计被认为几乎可以确保有效，因此于首次在广岛使用之前并未经过测试。
战争结束后，人们原本不认为效率低下的小男孩会再次使用，因此许多计划和图纸被摧毁。然而到了1946年中期，汉福德区开始受到维格纳效应（由中子辐射引起的固体原子的位错）的严重影响，使得钚变得稀缺。为了解决这个问题，桑迪亚基地（英语：Sandia_Base）生产了六个小男孩装置。1947年，海军军械局（英语：Bureau_of_Ordnance）为P-2海王星巡逻机部署另外25个小男孩装置，这些飞机可以从中途岛级航空母舰上起飞。所有的小男孩装置在1951年1月底之前全部退役。
命名在第二次世界大战期间，物理学家罗伯特·瑟伯尔根据两种原子弹的外形，分别取名为“瘦子”（Thin Man）和“胖子”（Fat Man）。其中“瘦子”是一个又长又瘦的装置，它的名称来自达许·汉密特的侦探小说《瘦人（英语：The_Thin_Man）》和1934年上映的同名电影（英语：The_Thin_Man_(film)），而“胖子”是一个又圆又胖的装置，得名自汉密特在1930年小说《马耳他之鹰》中登场的角色卡斯帕·古特曼（Kasper Gutman），该角色在1941年的电影版本中由悉尼·格林斯特里特饰演。而“小男孩”之名则由他人所取，是暗指“瘦子”，因为它是根据其设计来命名的。[3]
开发主条目：曼哈顿计划由于得知铀-235可以发生裂变，因此它成为原子弹开发的首要材料。作为第一种成功开发并在战争中使用的原子弹设计，通常这被称为马克I（Mark I）[4]。其中大部分的工作均涉及对铀进行同位素分离，以获得武器所需的铀-235，因为天然铀中只有140份之1是铀-235[5]。浓缩工作则在田纳西州橡树岭的电磁分离厂，即Y-12国家安全大楼进行，最后于1944年3月完全投入营运[6]。第一批高度浓缩的铀则于该年6月运送到洛斯阿拉莫斯实验室[7]。
制造原子弹所需的大部分铀，则来自比属刚果的辛科洛布韦矿场（英语：Shinkolobwe），这得益于高卡唐加矿业联盟（英语：Union_Minière_du_Haut-Katanga）的CEO埃德加·桑吉尔（英语：Edgar Sengier）的深谋远虑。他在1940年将约1,200短吨（1,100吨）的铀矿运往纽约的史泰登岛仓库保存[8][9][10]。在1944年和1945年期间，至少有一部分1,200短吨的铀矿石（英语：Uranium_ore）和氧化铀在阿尔索斯任务中送往橡树岭进行浓缩[11]。此外，在1945年德国投降后，试图向大日本帝国运送氧化铀和武器技术的德国潜艇U-234（英语：German_submarine_U-234）上的1,232磅（559千克）氧化铀，在被捕获后也被送至橡树岭浓缩[12]。
小男孩是先前的枪式裂变核武器“瘦子”（Thin Man）的简化版本。原本“瘦子”的长度是17呎（约5.2米），并且设计用于使用钚，因此同样适用于使用浓缩铀。然而，在洛斯阿拉莫斯的埃米利奥·塞戈瑞和他的P-5小组对奥克里奇和汉福德核反应堆产生的新型钚进行实验后，发现其中含有同位素钚-240形式的杂质，因此放弃“瘦子”的设计。相较于回旋加速器产生的钚，钚-240具有更高的自发裂变率和辐射活性，而这些原始测量结果显示它被包含在反应堆培育的钚中（制造原子弹所需的大量钚），而这似乎是不可避免的。这意味着钚的背景裂变率非常高，在形成临界质量的初期，钚很有可能会提前引爆并自行裂变失败（英语：Fizzle_(nuclear_explosion)）[13]。
作为“阿尔索斯任务”的一部分，指挥官弗朗西斯·伯奇（英语：Francis_Birch）（左）在物理学家诺曼·拉姆齐的注视下组装这枚炸弹。这是少数几张可以看到炸弹内部的照片之一。1944年7月，洛斯阿拉莫斯的几乎所有研究都转向内爆型钚武器的开发。铀枪式武器的整体责任归给了威廉·S·帕森斯（英语：William_Sterling_Parsons）上尉的军械（O）部门。所有设计、开发和技术工作由弗朗西斯·伯奇（英语：Francis_Birch）中校指挥官（英语：Lieutenant_commander_(United_States)）的小组统筹[14]。相较于钚内爆型核武器和钚枪式裂变武器，铀枪式武器的设计更直截了当，甚至可以说是简单的。这个概念的追求是为了万一开发钚弹失败，仍然可以使用枪式原理。因此，枪式设计之后只需使用浓缩铀，这使得“瘦子”设计大大简化。不再需要高速炮，可以用更简单的武器代替。简化后的武器长度足够短，可以轻易放入B-29轰炸机的炸弹舱中[15]。
设计规格于1945年2月完成，并在签订了建造各部件的合同后使用了三个不同的工厂进行制造，以确保没有任何一家拥有完整的设计复制品。炮和炮膛由华盛顿哥伦比亚特区的华盛顿海军工厂制造，目标外壳和其他一些部件由密歇根州中心线（英语：Center_Line,_Michigan）的海军军械厂制造，尾部罩和安装支架由底特律的专家工具和模具公司制造[16]。炸弹（除了铀载荷）在1945年5月初已经准备好[17]。曼哈顿区工程师肯尼斯·尼科尔斯预计在1945年5月1日之前将拥有足够浓缩铀：“在8月1日之前制造一枚武器，并在12月份某个时候制造第二枚”，假设第二枚武器将是枪式；也曾考虑过为浓缩铀设计一枚内爆弹，以增加生产速度[18]。浓缩铀弹头于6月15日完成，目标于7月24日完成[19]。目标和炸弹部件（部分组装的炸弹，但未装填裂变材料）于7月16日从加利福尼亚州亨特斯角海军造船厂（英语：Hunters_Point_Naval_Shipyard）启程，经由印第安纳波利斯号重型巡洋舰于7月26日抵达。目标插件则于7月30日通过航空运送[19]。
尽管所有部件都经过了测试[19]，但在小男孩投放广岛之前，并未对枪式核武器进行实际试验。关于核武器概念的唯一核试验是使用钚作为裂变材料的内爆型装置，在1945年7月16日的三位一体核试验中进行。没有对类似小男孩的装置进行测试有几个原因。首先，相较于预期可以由汉福德核反应堆生产的相对较大量的钚，浓缩铀很少[20]。此外，这种武器设计如此简单，只需对枪式组件进行实验室测试即可。与内爆设计不同，内爆设计需要对成型炸药进行复杂的协调，而枪式设计几乎可以确保有效[21]。
尽管“小男孩”装置中包含了各种安全机制，但意外引爆仍然是可能的。举例来说，若携带此装置的轰炸机发生坠毁，“瘦子”状的中空子弹可能会撞入“目标”圆筒，引爆炸弹或至少释放大量辐射。然而，测试显示这需要极不可能的500倍重力的碰撞力[22] 。另一个担忧是坠毁和火灾可能会引发炸药[23]。若装置沉入水中，铀组件会受到中子减速剂效应，这并不会引起爆炸，但会释放放射性污染。因此，飞行员被建议在发生坠毁时选择降落在陆地上而非海上[22]。
设计以传统炸药把环状铀（子弹）射向圆柱状铀，引发核链式反应小男孩长120吋（300厘米），直径28吋（71厘米），重约9,700英磅（4,400千克）[24]。这个设计采用枪式方法，通过将一个中空的亚临界浓缩铀块和一个固体的目标圆筒强行压在一起，形成一个超临界质量，引发核链式反应[25]。
这是透过四个装填黑索爆药粉末的圆柱形丝袋实现的，则将一块铀块射击到另一块铀上。其中黑索是一种广泛使用的无烟推进剂，由65％硝化纤维素、30％硝化甘油、3％石蜡和2％氨基甲酸酯混合物制成，并挤成管状颗粒。这使其表面积大且燃烧速度快，能够产生高达每平方吋40,000磅力每平方吋（280,000千帕斯卡）的压力。
战时的“小男孩”使用的黑索来自加拿大；战后的版本则来自皮卡廷尼兵工厂（英语：Picatinny_Arsenal）[26]。炸弹内含有64千克（约141磅）的浓缩铀。其中大部分的铀经过89％的浓缩，但部分只有50％的铀-235，平均浓缩度为80％[25]。在核裂变过程中，不到一千克的铀中只有0.7 g（0.025 oz））被转化为几种形式的能量，主要包括动能、热能和辐射[27]。
装配细节武器内部的铀-235材料按照枪式原理被分为两个部分：“弹头”和“目标”。弹头是一个中空圆柱体，占总质量的60%（约38.5千克或85磅）。它由九个铀环组成，每个环的直径为6.25吋（约159毫米），中心有4吋（约100毫米）孔径，总长度为7吋（约180毫米），被压紧放置在一个薄壁弹头的前端，该弹头长16.25吋（约413毫米）。填补弹头内这些环后方的空间的是一个碳化钨物圆盘，带有钢背板。当弹头点火时，它沿着长72吋（约1,800毫米），宽6.5吋（约170毫米）的光滑膛炮管被推进42吋（约1,100毫米）。弹芯“插入物”是一个4吋的圆柱体，长7吋，带有1吋（约25毫米）的轴向孔。插入物占总裂变质量的40％（约25.6千克或56磅）。插入物是由六个厚于弹头环的洗衣机状铀圆盘组成，这些圆盘滑过一根直径1吋的棒子。然后，这根棒子通过钨碳化物垫塞、吸收冲击的铁砧、以及鼻塞止垫等部件向前伸出，最终突出弹壳前端。整个目标组件的两端都用锁紧螺母固定[28][2]。
当中空前端的弹头抵达目标并滑过目标插入物时，铀的超临界质量将完全被钨碳化物和钢的减压器和中子反射器所包围，这两种材料的总质量为2,300千克（5,100磅）。[29]。组件内部的中子启动器（英语：Modulated_neutron_initiator）会因弹头撞击目标而被激活[30]。
反直觉系统在1945年之后的前五十年里，所有关于“小男孩”机制的出版描述和图纸都预设一个小型实心弹头射入一个更大的固定目标中心[31]。然而考虑重要的质量，使得在“小男孩”中，更广泛的中空部分应该是在弹头部分。装配的裂变核心则包含超过两个铀-235的临界质量。这要求两个部分中的一个拥有超过临界质量，而较大的部分通过形状和与中子反射的钨碳化物减压器的最小接触，在组装之前避免临界。
较大部分的中心有一个孔，使质量分散并增加表面积，从而允许