原子弹爆炸原理

原子弹爆炸原理

段雨印

今年已经是距人类有史以来第一次使用核武器的的第64个年头了，在64年前二战时期的盟国为了加快日本的投降，美国向日本的广岛和长崎投掷了两颗原子弹，这也是唯一一次核武器用于战争。其震慑力要远比其爆炸所产生的破坏力强的多，以至于世界各个国家都梦寐以求拥有它。在今年的纪念日里有很多人在广岛和长崎祈祷和平。是的，人类需要和平，特别是在拥有核武器的今天。也许有很多人还不知道核武器的恐怖，又在蠢蠢欲动的制造和平危机，这是极愚蠢无知的表现，也是极其危险的！

我们知道组成世界物质的基本单位是微观粒子——原子，原子是由位于原子中心的原子核和环绕在它周围的电子组成。原子核的体积相对于原子的体积来说非常小，假如说原子像一个足球场那么大的话，原子核只不过是位于足球场中心的乒乓球而已。虽然体积小但它却占据了原子质量的99%以上，可以忽略的说原子核的质量就是原子的质量。在原子核外围高速旋转的电子带有负电荷，原子核带正电核，它们的电荷数相等，所以整个原子是不显电性的。原子核被极强的力包裹着，这种力是宇宙中四种基本力之一，称为“强核力”，简称为“强力”。在强力中存在着两种粒子，它们是组成原子核的质子和中子。

中子不带电，质子带有一个正电荷，所以原子核带多少正电荷，就代表原子核内有几个质子，同时代表原子核外有几个电子。原子本身的性质是由原子核决定，而归属元素是什么物质则是由质子的数量决定，比如，如果原子核内就一个质子，那么它就是氢，属于氢元素；假如原子核内有一个质子和一个中子，那么它就是重氢，称为“氘”，它仍属于氢元素，但性质与氢却不一样。如果核内有两个质子，那么它就属于氦元素。

20世纪伟大的科学家阿尔伯特．爱因斯坦发现了相对论，而相对论一个非常著名的推论就是发现了质量和能量的关系，这就是著名的质能方程：E=mc^2 ，E代表能量，m代表质量，c代表光速（30万千米/秒），c^2是c的平方，也就是光速的平方（30x30=900万千米/秒），这也就是说非常小的质量在某种条件下可以等同于非常大的能量，这种转化是需要特定条件的。而非常有意思的是虽然原子核是由质子和中子组成，但核的质量并不等于中子的质量加上质子的质量，而是比它们的质量之和小，为什么会这样呢？这是因为质子和中子在组成原子核时，把它们一部分的质量转化成了束缚它们的强力，这也叫“核束缚能”，从爱因斯坦的质能方程可以计算出这一束缚能：核束缚能=△m c^2 ，此处的△m是原子核质量和质子中子质量和的差，而核能正是利用的这个核束缚能。

1939年第二次世界大战迫在眉睫，德国纳粹头目希特勒十分重视本国的科技力量，曾宣称“科学家是世界上最厉害的武器”，在纳粹刺激下德国的科技武器飞速发展，并开始着手研究“核武器计划”，当今火箭的前身就是德国的V2导弹。为了遏制和打击德国的邪恶势力扩张，美国一些科学家如爱因斯坦等联合起来写信给当时的美国总统罗斯福，建议美国开始核研究计划。其中信中有一段富有预见性的见解：“在上四个月中，法国的约里奥和美国的费米所做的工作，

使在大量的铀中建立一个核链锁反应变为可能。通过这个反应可产生大量的能量和大量的新的象镭似的元素，在不久的将来这一定能实现。

这一新现象将导致可能构成一种新型的极有威力的炸弹的结构的产生，这是非常可信的。这种炸弹由船载并在某一地区爆炸，只要一枚就很可能摧毁整个该地区及周围的地区。”

美国政府也意识到这其中的利害，随即启动了核武器研究计划——“曼哈顿计划”，有当时著名的科学家罗伯特．奥本海默主持研究，他从1942年至1945年任新墨西哥州的洛萨拉莫斯实验室主任，这里也是世界上第一颗原子弹诞生的地方，他本人也被称为“原子弹之父”。德国还没有制造出原子弹就已经投降了，德国投降后，美国政府专门建立了一支军队，他们的任务不是作战，而是专门在德国寻找曾参加德国原子弹研制的科学家，并把他们转移到美国的实验室中去，从而大大刺激了美国原子弹研制的速度。随后在1945年日本的广岛和长崎，原子弹向世人展示了它那毁灭性的力量！

原子弹爆炸就是利用的核束缚能，当一个自由的中子撞击铀-235时，由于原子核增加了一个中子就变成了铀-236，铀元素在自然界中属于放射性元素，原子核极不稳定，自然界中也形不成铀-236，铀-235在形成铀-236后核极不稳定，随即发生裂变，裂变后成为钡-144和氪-89，同时平均得到2.4个自由中子和215兆电子伏能量以及大量的射线，裂变产生的自由中子再去撞击另一个原子核，另一个核再依此反应，由此便开始了中子碰撞的连锁反应。其中毁灭性的力量主要来自215兆电子伏能量，也就是215亿亿电子伏能量，一个铀原子核的裂变就可得到那么多的能量，一颗原子弹的铀原子何止万亿，由此在爆炸的瞬间如此大的能量就连号称世界最硬的“钻石”也将化为乌有！

原子弹的原料为什么要用铀-235呢？这是因为铀是放射性元素，原子核是振动且极不稳定的，受到中子的撞击后能迅速的发生裂变并释放大量的能量，而非放射性元素的核是很稳定，受到撞击后不能发生裂变。另一个重要原因是铀-235受到撞击后裂变能释放自由中子，启动连锁反应，如果这种反应能维持下去就被称为“临界的”，而铀-235的质量被称为“临界质量”。原子弹的危害就不只是在爆炸时那一刻，原子弹爆炸后会散落很多的尘埃和碎片，这些的危害比爆炸时释放的能量更可怕，因为它产生危害的时间非常久，长达200~300年，有的更时间长。这是因为铀-235裂变后产生的新元素依然是放射性元素，它们都要发生裂变，而在自然条件下衰变周期是非常长的，直到它们衰变成非放射性元素为止。放射性元素对生物有着极大的危害，它们在衰变时会散射出大量的射线，例如伽马射线等，大量的射线会使生物体内细胞的染色体基因发生变异，甚至杀死遗传基因，以至于当年广岛和长崎出现了许多的奇形儿。

在制造原子弹中关键性的问题是原材料铀-235的浓缩问题，铀元素在地质中分布的非常少，特别是铀-235，如果不能把铀提纯到很高的话，自由中子由于受其他物质阻挡，无法准确撞击原子核，无法开启连锁反应，无法形成“临界质量”。许多国家至今研制不出原子弹的原因大多数是因于铀浓缩的技术达不到要求。

随原子弹之后的大型武器是氢弹，氢弹与原子弹的爆炸原理不同，原子弹是利用的核裂变，通过核裂变把大量的核束缚能释放出来。而氢弹则是利用的核聚变，核聚变是模拟太阳内部的变化，通过高能把两个重氢原子核打破重组为一个氦原子核，同时可以获得大量的能量。开启氢元素的核连锁反应需要的能量非常大，所以只有研制成功原子弹后才能利用原子弹爆炸时所产生的巨大能量开启氢核的连锁反应，这就是要想制造氢弹就必须首先制造出原子弹。现在虽然有不少国家能制造原子弹，但却很少有国家能建造和原子弹反应原理一样的核电站，目前能独立建造核电站的也就联合国常任理事国几个国家，其他国家虽然有但都是由这几个国家帮助建造的。虽然人们掌握氢弹已经很长时间了，但到目前为止世界上还没有任何一个国家能建造成“氢聚变核电站”，也叫是“热核电站”，其最难点就在于原子弹、氢弹是任意的反应，任意的爆炸，越厉害越好，但用于民用核能则需要很好的控制反应堆的反应度和能量的导向。在目前没有发现新的能源之前，可以确定的说“热核聚变”将是人类未来的主能源，因为它模拟的是太阳内部的反应，也有人称之为“人造太阳”。

相对于其他能源来说，“热核聚变”和风能、水能、太阳能一样是取之不尽、用之不竭的清洁能源，是因为用来做反应堆原料的重氢和超重氢存在于自然界的水中，而海洋占据了地球的大部分，可以从海洋中提取重氢和超重氢。“热核聚变”后没有像现在“裂变反应堆”所产生的“乏燃料”， “乏燃料”是“裂变反应堆”反应后的废料，但它依然是放射性元素，对环境的危害是十分巨大的，而且因其衰变周期长处理起来也比较困难。但“热核聚变”却不会出现“乏燃料”，氢通过热核聚变后产生的是氦气，氦气无毒无害无放射，且属于 “惰性气体”很难与其他物质发生反应，可以在工业上应用为“保护气”。相对未来的主能源，风能、水能、太阳能和地热能只能是辅助能源。

作为武器的原子弹、氢弹，其威力虽然十分巨大，但它们也有弊端。本身十分巨大不利于运输，而且投掷时必须由飞机运输投掷。原子弹本身是一个炸弹没有动力装置，要想投到敌方的目标上，必须要有飞机运输到敌方上空，而战斗机根本载不动，只能派笨拙的直升机或轰炸机，飞机在到达敌方上空还未投掷时目标太大，很容易被击落。随着导弹的发展，特别是远程导弹和洲际导弹的发展，人们利用导弹解决了核武器的能动局限性，不再制造单纯的核武器，而是向小型核武器发展，制造核弹头，以常规导弹携带核弹头不仅大大增加了导弹的威力，而且实现了核打击。上世纪60年代以后，导弹迅猛发展而且发展种类繁多，诸如地地导弹，地空导弹，潜地导弹和巡航导弹等等。它们均可携带核弹头，导弹已经成为当今战争的主要攻击武器。

现在的武器威力巨大，特别是核武器，和古代冷兵器时代已经是天壤之别了。现在大的战争是打不得的，如果战争一开，那么被摧毁的将不仅仅是人类，而是一切的有机生命体。核战争将是地球生命的坟墓，希望人类不要做自己的掘墓人，核武器下将没有赢家！祈祷世界永远和平！只有和平稳定，人类才能繁荣发展，这是祖先们用鲜血和生命换来的真理！

——2009-08-21