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核武器是现在人类掌握的威力最大的武器,存在当量的概念,即相当于多少吨TNT炸药爆炸的能量。如果是同样质量的原子弹和氢弹,氢弹的爆炸威力更大,大约是原子弹的4倍。本文将具体叙述原子弹和氢弹的核反应原理以及他们的区别。

原子弹和氢弹

1945年,美国在二战最后阶段向日本的广岛和长崎投放了两颗原子弹,耀眼的闪光和巨大的轰鸣之后,二十余万人死伤,城市被夷为平地。
从此,人们认识到核武器的巨大威力。二战之后,以美苏两国为首的冷战集团疯狂进行军备竞赛,原子弹数量和爆炸力直线提升。美国在日本投放的“小男孩”和“胖子”两颗原子弹不过是2万吨TNT当量,可是前苏联爆炸的沙皇氢弹却有5000万吨TNT当量。爆炸后的蕈状云宽达将近40公里,高达60公里,比珠穆朗玛峰还高7倍多;爆炸产生的热辐射甚至可以让远在170公里以外的人受到3级灼伤,爆炸的闪光还能造成220公里以外的眼睛剧痛与灼伤。

质能方程
核武器为什么有这么大威力?它的原理是什么呢?
为了解释这个问题,我们首先要从1905年,物理学上第二个奇异年说起。
之所以说是第二个,是因为第一个物理学奇异年是1666年。在那一年,牛顿回到乡下老家躲避瘟疫,结果在很短的时间内,他就发明了微积分、发现了光的色散,并提出了万有引力的思想,奠定了近代数学、光学和力学的基础。人们认为这是前无古人后无来者的事,就把1666年称为牛顿奇异年。
然而,1905年,还是专利局小职员的爱因斯坦连续发表了六篇论文,阐述了分子动理论、相对论、光电效应等问题,这六篇论文,每一篇都在科学史上有举足轻重的地位。于是,后人将这一年称为爱因斯坦奇异年。

在其中的一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗》中,爱因斯坦阐述了他的观点:物体的能量与它的质量有关。这就是著名的质能方程:
其中E表示能量,M是物体的质量,而C表示真空中光速c=3×10^8m/s。
如果一个物体的质量M=1kg,按照这个方程计算,这个物体的能量有9×10^16J, 大约相当于2000万吨TNT炸药爆炸释放的能量。
但是,怎么从没见过1kg的物体有这么大威力呢?这是因为,只有在核反应过程中,质量发生亏损,才会释放能量。

链式反应

在20世纪初,人们已经认识到原子是由原子核和核外电子构成的。发现这种结构的科学家卢瑟福特别喜欢使用α粒子(氦原子核)轰击各种其他物质。
例如,在1917年,他使用α粒子轰击氮(N)原子核,产生了氧(O)原子核和质子(p)。
这是人类第一次观测到原子核的变化。由于这是人为使用一个粒子撞击原子核促使原子核发生变化,因此称为人工核反应。
1938年,德国科学家奥托哈恩第一个发现了铀的裂变反应。
他使用中子(n)轰击铀(U)原子核,发现了钡(Ba)元素,反应方程是
在这个反应中,一个中子入射撞击到铀原子核上,使铀235转化为铀236,又继而变为钡144、氪89和3个中子。如果铀的体积和质量足够大,那么这三个中子会继续和三个铀235进行核反应,形成九个中子…如此这般,就会形成一种“雪崩效应”,短时间内产生许多次核反应。
人们把这种反应称为“链式反应”。在这个反应过程中,质子和中子的总量并不发生变化,但是平均每个质子和中子的质量却减少了,也就是发生了质量亏损。根据爱因斯坦的质能方程,这一部分质量亏损会转化成相应的能量。

曼哈顿计划

当时,世界正笼罩在第二次世界大战的阴云之中。纳粹组织了以著名科学家海森堡为首的科学家团队,进行原子弹的研发。可是,进展却十分缓慢,原因之一是一大批有犹太血统的科学家,如爱因斯坦、赫兹等人,都被希特勒吓跑了,纳粹内部的内耗也相当严重,无法集中全部资源进行统一的研究工作。

在日本偷袭美国珍珠港之后,美国被正式卷入战争。美国已经是当时世界第一的工业强国,工业实力有目共睹,珍珠港事件又使得美国全国上下同仇敌忾。在得知纳粹德国正在进行原子弹研制计划时,许多美国军方的科学家都建议抢在希特勒之前研制成实用的原子弹。为此,他们怂恿爱因斯坦帮忙。
爱因斯坦是美籍德国犹太人,当时已经五十多岁了,在世界上享有巨大的声誉,纳粹上台之后他逃到了美国。他写信给罗斯福总统说:如果纳粹首先研制出原子弹,那对全世界都是一个灾难。在爱因斯坦的号召下,美国政府集合了以奥本海默为首的一大批科学家,开展了历时三年的曼哈顿计划。

在原子弹制造的过程中,最难的问题是如何将铀进行提纯。原子弹的原料铀235在自然界的铀中只占0.7%,其他的是它的同位素铀238。为了使链式反应能够发生,铀235的浓度必须达到某个值以上,这是因为如果浓度太低,裂变放出的中子无法撞击到下一个铀235原子核上,链式反应无法继续进行。曼哈顿计划大部分时间都在研究如何进行铀浓缩,到二战结束,美国提纯的铀也刚够制造一颗实验炸弹和两颗实战用弹。
不仅仅是铀的浓度要够高,铀的体积也需要够大,称为临界体积。因为原子核相比于原子非常小,如果铀体积不够,产生的中子很可能在原子核外的空间飞出去,链式反应也无法继续进行。
一个简单的原子弹模型如下:

在弹壳中有两块浓缩铀235,在二者之间有一块柱状铀棒,三者都没有达到临界体积,因此不会爆炸。在原子弹引爆时,柱状铀块上方的炸药爆炸,将铀棒推入两块铀之间,三者合在一起之后体积超过临界体积,原子弹爆炸。在铀块外面的中子反射层是用于反射中子,以减小临界体积。
原子弹的巨大威力造成了无差别攻击,使日本军人和普通民众同样承受了巨大伤亡。爱因斯坦获知这一消息之后后悔不已,说自己把原子弹从一个疯子(纳粹)手中夺下来,又交给了另一个疯子(美国)。

氢弹

不仅如此,二战之后,整个世界笼罩在核阴影之中。美苏等国家不光疯狂制造原子弹,更制造出一种威力更大的核武器:氢弹。
人们发现:氢元素的两种同位素氘(D)和氚(T)原子核距离非常近时,会变为一个氦(He)核和一个中子(n),核反应方程是:
在这个过程中,原子核质量会减少,,同时释放能量。
与同样质量的铀裂变相比,聚变放出的能量要大很多。太阳发光的核反应原理就是这样。
但是,要实现聚变,首先要将氘核和氚核之间的距离减小到10^-15m量级, 由于原子核之间带正电,这个过程需要巨大的能量。人们想到使用加热到几百万开尔文的办法引发聚变,因为在极高温度时,原子动能非常大,凭借巨大的动能原子核才可以克服库伦排斥力。
用什么办法才能获得这么高的温度呢?普通炸药是无法达到这个温度的。于是人们想到了原子弹。

一个简单的氢弹原理是这样的:在聚变材料内部,有普通炸药和铀235。引爆氢弹时,首先将普通炸药引爆,造成铀235聚集在一起,使之超过临界体积,原子弹爆炸。裂变反应释放的巨大能量产生高温引发聚变,聚变开始之后自身产生的热量就可以维持反应一直进行下去。氢弹爆炸时中心温度可达100亿度,比太阳的温度还要高。
冷战时,美苏两国储备的核武器可以把地球毁灭几十次,人们说:如果核战争爆发,那么下一次人类的战争可能只能使用木棒了。可也正是因为核武器有“同归于尽”的巨大威力,没有人敢轻易使用核武器,所以在日本遭受原子弹袭击之后,70多年来,核弹都没有再次应用于战场。
同时,人们利用核裂变技术制造了用于发电的核电站,相比于普通的火电站,核电站燃料消耗小,对环境的污染小,而且几乎是一种“取之不尽”的能源。
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李永乐
李永乐老师:北京大学物理与经济双学士,清华大学电子工程硕士;北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年,培养清华北大学生200余人,国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。
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