你或許從歷史書中知道第二次世界大戰(zhàn)中使用了原子彈，也已經(jīng)見識過這些裝置所擁有的令人難以置信的破壞力，那么它們的原理是怎樣的呢？在這篇文章中，你將了解使核彈威力如此巨大的物理學(xué)原理以及核彈的設(shè)計、核爆炸的后果等方面的知識。
你或許從歷史書中知道第二次世界大戰(zhàn)中使用了原子彈。你也可能在科幻電影中看到過核彈發(fā)射或者被引爆（例如《核子戰(zhàn)爭》（Fail Safe）、《奇愛博士》（Dr. Strangelove）、《浩劫之后》（The Day After）、《證言》（Testament）、《“胖子”與“小男孩”》（Fat Man and Little Boy）、《和平制造者》（The Peacemaker）等等）。在新聞報道中，許多國家都在談判以裁撤自己的核武庫，而與此同時，另一些國家/地區(qū)則正在發(fā)展核武器研究計劃。
我們已經(jīng)見識過這些裝置所擁有的令人難以置信的破壞力，那么它們的原理是怎樣的呢？在這篇文章中，你將了解使核彈威力如此巨大的物理學(xué)原理以及核彈的設(shè)計、核爆炸的后果等方面的知識。
核彈利用了強(qiáng)和弱的相互作用力，正是這些力將原子（特別是原子核不穩(wěn)定的原子）的原子核束縛在一起（有關(guān)詳細(xì)信息，請參見核輻射揭秘）。核能從原子中釋放出來的基本方式有兩種：
核裂變——你可以使用中子將一個原子的原子核分裂成兩個小一點的碎片。這種方法通常涉及鈾（鈾-235、鈾-233）或者钚-239的同位素。
氚核聚變反應(yīng)示意圖
核聚變——你可以將兩個較小的原子，通常是氫或者氫的同位素（氘、氚），結(jié)合在一起形成更大的原子（氦或氦的同位素）。這正是太陽能量的來源。
不論裂變還是聚變，任一種過程中都有大量的熱能和輻射被釋放出來。
要制造一顆原子彈，你需要：
1.可裂變或可聚變的燃料
2.觸發(fā)裝置
3.使大部分燃料在爆炸前發(fā)生裂變或聚變（否則炸彈的爆炸將會失敗）的途徑
第一批核彈都是裂變裝置，而之后出現(xiàn)的聚變炸彈需要用裂變炸彈來觸發(fā)。我們下面將要討論的裝置有：
1.裂變彈（大體介紹）。
2.槍觸發(fā)式裂變彈（“小男孩”），它于1945年在日本廣島上空被引爆。
3.內(nèi)爆觸發(fā)式裂變彈（“胖子”），它于1945年在日本長崎上空被引爆。
4.聚變彈（大體介紹）。
5.泰勒-烏拉姆型氫聚變彈，它于1952年在埃留吉拉布島（Elugelap Island）上試爆。
裂變彈使用像鈾-235這樣的元素來制造核爆炸。如果你閱讀過核輻射揭秘，那么你已經(jīng)了解了放射性衰變和裂變背后的基本過程。鈾-235有一種額外的特性，這種特性使它既可以用于核能發(fā)電也可以用于制造核彈——鈾-235是少數(shù)能夠發(fā)生誘發(fā)裂變的材料之一。如果一個自由中子撞擊鈾-235的原子核，它的原子核將會立即吸收這個中子而變得不穩(wěn)定，并馬上分解。
鈾核裂變反應(yīng)示意圖
這幅圖展示了一個中子從上部接近鈾-235的原子核。一旦原子核捕捉到中子，它馬上分解為兩個輕一些的原子，同時釋放出兩個或三個新的中子（發(fā)射出的中子的個數(shù)取決于鈾-235原子分解的方式）。兩個新的原子釋放出伽馬射線并穩(wěn)定到新的狀態(tài)（請查看核輻射揭秘）。有三件事情讓誘發(fā)裂變過程變得有趣：
1.鈾-235原子捕捉一個正在穿過的中子的概率非常之高。在正常爆炸的核彈中，每個裂變事件釋放出的中子中都有一個以上導(dǎo)致了另一次裂變的發(fā)生。這種條件被稱為超臨界。
2.捕捉中子并發(fā)生分解的過程非常迅速，數(shù)量級為皮秒（即1*10E-12秒）。
3.當(dāng)原子分解時，有令人難以置信的能量通過熱和伽馬輻射的形式釋放出來。單個裂變反應(yīng)能夠釋放出能量是因為裂變產(chǎn)物和中子加在一起的質(zhì)量比原來的鈾-235原子的質(zhì)量要小。
質(zhì)量的差異轉(zhuǎn)化為能量的比率是由方程e = m * c2決定的。0.45公斤用在核彈中的高濃鈾所產(chǎn)生的能量在量級上等于約379萬升的汽油所產(chǎn)生的能量。如果考慮到一斤鈾的尺寸比一個棒球還小，而379萬升的汽油卻能夠裝滿邊長為15米（約五層樓高）的立方體，你就能對那么一小點鈾-235所蘊含的能量有個概念了。
為使鈾-235的這些特性得到發(fā)揮，鈾樣品必須得到濃縮。武器級的鈾至少含有90%的鈾-235。
臨界質(zhì)量
在裂變彈中，燃料必須被分開保存為多個不會發(fā)生裂變的亞臨界質(zhì)量，以避免過早引爆。臨界質(zhì)量是可裂變物質(zhì)維持核裂變反應(yīng)所需的最小質(zhì)量。這樣分開保存給裂變彈設(shè)計帶來了幾個必須解決的問題：
1.兩塊或多塊亞臨界質(zhì)量的材料必須結(jié)合在一起才能形成一塊超臨界質(zhì)量，這樣才能提供足夠多的中子以在引爆時維持裂變反應(yīng)。
2.自由中子必須被引入超臨界質(zhì)量中才能引發(fā)裂變。
3.炸彈爆炸前必須有盡可能多的材料發(fā)生裂變以避免核爆失敗。
將亞臨界質(zhì)量組合在一起形成超臨界質(zhì)量，可以使用兩種技術(shù)：
1.槍觸發(fā)
2.內(nèi)爆觸發(fā)
中子通過中子發(fā)生器引入。這個發(fā)生器是位于可裂變?nèi)剂虾藘?nèi)部的用箔片隔開的一小團(tuán)釙和鈹。在這個發(fā)生器中：
1.當(dāng)亞臨界質(zhì)量的燃料塊結(jié)合時箔片被弄破，釙自發(fā)地釋放出阿爾法粒子。
2.這些阿爾法粒子撞擊鈹-9生成鈹-8和自由中子。
3.這些中子將誘發(fā)裂變。
最終，裂變反應(yīng)被限制在叫做反射層的一厚層材料中，它通常由鈾-238組成。反射層被裂變核加熱和膨脹。反射層的膨脹向裂變核施加壓力并減慢核的膨脹。反射層還將中子反射回裂變核，提高裂變反應(yīng)的效率。
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