核彈的爆炸量怎麼那麼大（核彈是如何產生能量爆炸的）

2023-09-23 00:40:14 4

1945 年 8 月 6 日和 8 月 9 日，世界歷史上第一次在日本廣島（左）和長崎（右）兩個城市投下兩顆核彈。核彈造成大約 129,000 至 226,000 人死亡，其中大部分是平民。

1945 年 8 月 6 日，第一顆核彈在日本廣島爆炸。三天後，第二顆原子彈在長崎上空引爆。兩次炸彈爆炸造成的死亡人數——估計有 214,000 人——以及這些武器造成的破壞在戰爭史上是前所未有的

二戰結束時，美國是世界上唯一擁有核能力的超級大國。但這並沒有持續多久。蘇聯也在 1949 年成功地測試了自己的原子彈。

隨著美國和蘇聯陷入長達數十年的敵意，也就是所謂的冷戰，兩國都開發了一種更強大的核武器——氫彈——並建造了核彈頭庫。兩國都用陸基洲際彈道飛彈擴充了它們的戰略轟炸機艦隊，這些飛彈能夠從數千英裡外到達彼此的城市。潛艇也配備了核飛彈，這使得發動毀滅性攻擊變得更加容易

其他國家——英國、法國等在 60 年代後期都擁有核武器。

這種可怕的威脅阻止了他們使用核武器相互攻擊，但即便如此，對一場災難性核戰爭的恐懼仍然存在。在 1970 年代和 80 年代，緊張局勢仍在繼續。在美國裡根總統的牽頭下，美國奉行發展反飛彈防禦技術的戰略——被許多人稱為「星球大戰」——旨在保護美國免受攻擊，但也可能使美國能夠首先發動攻擊而不受懲罰。到本世紀末期，隨著蘇聯在經濟上開始搖搖欲墜，裡根和蘇聯領導人米哈伊爾·戈巴契夫正在認真地努力限制核武器。

核彈的幽靈從未真正消失。在 2000 年代初期，美國入侵伊拉克並推翻了薩達姆海珊，部分原因是擔心他正試圖發展核武器。

儘管多年來核戰爭的政治格局發生了很大變化，但武器本身的科學——釋放所有憤怒的原子過程——自愛因斯坦時代以來就為人所知。本文將回顧核彈的工作原理，包括它們的製造和部署方式。首先是對原子結構和放射性的快速回顧。

這張插圖顯示了一個原子是如何由三個亞原子粒子組成的——質子、中子和電子。

在我們得到炸彈之前，我們必須從小處著手，原子級小。你會記得，一個原子由三個亞原子粒子組成——質子、中子和電子。原子的中心稱為原子核，由質子和中子組成。質子帶正電；中子根本不帶電荷；並且電子帶負電。質子與電子的比率始終為一比一，因此原子具有中性電荷。例如，一個碳原子有六個質子和六個電子。

但這並不是那麼簡單。一個原子的屬性可以根據它擁有的每個粒子的數量而發生很大變化。如果你改變質子的數量，你最終會得到一個完全不同的元素。如果你改變一個原子中的中子數，你就會得到一個同位素。

例如，碳具有三種同位素：

正如我們在碳中看到的那樣，大多數原子核是穩定的，但有一些根本不穩定。這些原子核自發地發射出科學家稱之為輻射的粒子。發射輻射的原子核當然具有放射性，而發射粒子的行為被稱為放射性衰變。放射性衰變分為三種：

尤其要記住裂變部分。當我們討論核彈的內部工作原理時，它會不斷出現。

核裂變是原子核分裂成兩個或多個更小的原子核的反應。此圖顯示了鈾 235 的核裂變。核電

核彈涉及將原子核結合在一起的力量 - 強和弱 - 尤其是具有不穩定原子核的原子。從原子中釋放核能有兩種基本方式。

無論是裂變還是聚變，都會釋放大量熱能和輻射。

我們可以將核裂變的發現歸功於義大利物理學家恩裡科·費米的工作。在 1930 年代，費米證明受到中子轟擊的元素可以轉化為新元素。這項工作導致了慢中子的發現，以及元素周期表中未列出的新元素。

費米發現後不久，德國科學家奧託哈恩和弗裡茨斯特拉斯曼用中子轟擊鈾，產生了放射性鋇同位素。哈恩和斯特拉斯曼得出結論，低速中子導致鈾核裂變或分裂成兩個更小的碎片。

他們的工作在世界各地的研究實驗室中引發了激烈的活動。在普林斯頓大學，尼爾斯·玻爾與約翰·惠勒合作開發了裂變過程的假設模型。玻爾和惠勒推測，發生裂變的是鈾同位素uranium-235，而不是 uranium-238。

大約在同一時間，其他科學家發現裂變過程會產生更多的中子。這導致玻爾和惠勒提出了一個重要問題：裂變中產生的自由中子是否會引發連鎖反應，從而釋放大量能量？如果是這樣，也許有可能製造出一種力量難以想像的武器。

三位一體是核武器第一次引爆的代號。作為曼哈頓計劃的一部分，美國陸軍於 1945 年 7 月 16 日進行了爆炸。

1940 年 3 月，在紐約市哥倫比亞大學工作的一組科學家證實了玻爾和惠勒提出的假設：同位素鈾 235或U-235負責核裂變。哥倫比亞團隊試圖在 1941 年秋天使用 U-235 引發連鎖反應，但失敗了。隨後，所有工作都轉移到了芝加哥大學，在該大學斯塔格球場下方的壁球場上，恩裡科·費米終於實現了世界上第一個受控核鏈式反應。使用 U-235 作為燃料的核彈的研製進展迅速。

由於它在核彈設計中的重要性，讓我們更仔細地看看 U-235。U-235 是少數可以發生誘導裂變的材料之一。這意味著，如果中子進入其原子核，鈾可以更快地分解，而不是等待超過 7 億年的鈾自然衰變。原子核會毫不猶豫地吸收中子，變得不穩定並立即分裂。

一旦原子核捕獲中子，它就會分裂成兩個較輕的原子並拋出兩個或三個新的中子（噴射中子的數量取決於 U-235 原子是如何分裂的）。然後，兩個較輕的原子在進入新狀態時會發出伽馬輻射。這個誘導裂變過程有一些有趣的地方：

1941 年，加州大學伯克利分校的科學家們發現了另一種元素——94 號元素——它可能具有作為核燃料的潛力。他們將元素命名為鈽，在接下來的一年裡，他們賺到了足夠的錢進行實驗。最終，他們確定了鈽的裂變特性，並確定了第二種可能的核武器燃料。

此圖顯示了一種非常基本的裂變炸彈，也稱為槍觸發裂變炸彈。

在裂變炸彈中，燃料必須保存在不支持裂變的單獨的亞臨界質量中，以防止過早爆炸。臨界質量是維持核裂變反應所需的可裂變材料的最小質量。

如果彈珠圈分布得太遠——亞臨界質量——當「中子彈珠」撞擊中心時會發生較小的連鎖反應。如果彈珠在圓圈中靠得更近——臨界質量——發生大連鎖反應的可能性就更高。

將燃料保持在單獨的亞臨界質量中會導致設計挑戰，必須解決這些挑戰才能使裂變炸彈正常工作。當然，第一個挑戰是將亞臨界質量聚集在一起形成超臨界質量，這將提供足夠多的中子來維持爆炸時的裂變反應。炸彈設計者提出了兩種解決方案，我們將在下一節中介紹。

接下來，必須將自由中子引入超臨界質量以開始裂變。中子是通過製造中子發生器引入的。該發生器是一個由釙和鈹組成的小顆粒，由可裂變燃料芯內的箔片隔開。在這個生成器中：

最後，設計必須允許儘可能多的材料在炸彈爆炸之前裂變。這是通過將裂變反應限制在一種稱為搗固劑的緻密材料中來實現的，這種材料通常由鈾 238 製成。篡改被裂變核心加熱和膨脹。篡改的這種膨脹會對裂變核心施加壓力並減慢核心的膨脹。篡改還將中子反射回裂變核心，從而提高裂變反應的效率。

這些示意圖顯示了兩種裂變炸彈設計。左邊是槍式炸彈，是在廣島使用的那種；右邊是內爆型炸彈，是長崎上使用的那種。

將亞臨界質量聚集在一起的最簡單方法是製造一把將一個質量發射到另一個質量的槍。在中子發生器周圍製作一個 U-235 球體，然後取出一小顆 U-235 子彈。子彈放在一根長管的一端，後面放著炸藥，而球體放在另一端。氣壓傳感器確定爆炸的適當高度並觸發以下事件序列：

投在廣島的炸彈「小男孩」就是這種類型的炸彈，當量為 20 千噸（相當於 2 萬噸 TNT），效率約為 1.5%。也就是說，在爆炸帶走材料之前，有 1.5% 的材料發生了裂變。

產生超臨界質量的第二種方法需要通過內爆將亞臨界質量壓縮成一個球體。投在長崎的炸彈胖子就是所謂的內爆炸彈之一。建造起來並不容易。

早期的炸彈設計者面臨幾個問題，特別是如何控制和引導衝擊波均勻地穿過球體。他們的解決方案是製造一個內爆裝置，該裝置由一個 U-235 球體（充當篡改器）和一個被高能炸藥包圍的鈽 239 核心組成。當炸彈被引爆時，它的當量為 23 千噸，效率為 17%。這就是發生的事情：

設計人員能夠改進基本的內爆觸發設計。1943 年，美國物理學家 Edward Teller 發明了升壓的概念。助推是指使用聚變反應產生中子的過程，然後中子用於以更高的速率誘導裂變反應。又過了 8 年，第一次測試證實了 boosting 的有效性，但一旦證明出來，它就成為了一種流行的設計。在隨後的幾年裡，美國製造的近 90% 的核彈都採用了助推設計。

當然，聚變反應也可以用作核武器的主要能源。在下一節中，我們將了解聚變炸彈的內部工作原理。

氫彈是聚變彈的一個例子

裂變炸彈有效，但效率不高。科學家們很快就想知道相反的核過程——聚變——是否會更好。當兩個原子的原子核結合形成一個較重的原子時，就會發生聚變。在極高的溫度下，氫同位素氘和氚的原子核很容易融合，在此過程中釋放出大量能量。利用這一過程的武器被稱為聚變炸彈、熱核炸彈或氫彈。

聚變炸彈比裂變炸彈具有更高的千噸產量和更高的效率，但它們提出了一些必須解決的問題：

科學家們通過使用氘酸鋰（一種在常溫下不會發生放射性衰變的固體化合物）作為主要的熱核材料來克服第一個問題。為了克服氚問題，炸彈設計者依靠裂變反應從鋰中生產氚。裂變反應也解決了最後一個問題。

裂變反應中釋放的大部分輻射是 X 射線，這些 X 射線提供了引發聚變所需的高溫和高壓。因此，聚變炸彈具有兩級設計——初級裂變或助推裂變組件和次級聚變組件。

要了解這種炸彈設計，請想像在炸彈外殼內有一個內爆裂變炸彈和一個鈾 238（篡改）的圓柱外殼。搗固器內有氘化鋰（燃料）和圓柱體中心的鈽 239 空心棒。

將圓筒與內爆彈隔開的是一個由鈾 238 和塑料泡沫製成的護罩，它填充了炸彈外殼中的剩餘空間。炸彈的爆炸會導致以下一系列事件：

所有這些事件發生在大約 600 億分之一秒內（裂變炸彈爆炸為 550 億分之一秒，聚變事件為 500 億分之一秒）。結果是產生了 10,000 千噸產量的巨大爆炸——比小男孩爆炸的威力大 700 倍。

該圖顯示了彈道和高超音速飛行軌跡的比較。許多國家現在能夠通過彈道飛彈運送核彈。

製造核彈是一回事。將武器送到預定目標並成功引爆完全是另一回事。二戰結束時科學家製造的第一批炸彈尤其如此。曼哈頓計劃的成員菲利普·莫裡森在1995 年的《科學美國人》雜誌上寫道：「1945 年的所有三顆炸彈——測試炸彈和投在日本的兩顆炸彈——都更接近於即興的碎片。複雜的實驗室設備比可靠的武器還要多。」

今天，二戰中對日本使用的方法——飛機攜帶重力炸彈——仍然是一種可行的運載核武器的方式。但多年來，隨著彈頭尺寸的減小，其他選擇也變得可用。許多國家已經儲存了幾枚配備核裝置的彈道飛彈和巡航飛彈。

大多數彈道飛彈是從陸基發射井或潛艇發射的。他們離開地球大氣層，向目標行進數千英裡，然後重新進入大氣層部署武器。巡航飛彈的射程比彈道飛彈更短，彈頭更小，但它們更難被發現和攔截。它們可以從空中、地面移動發射器和海軍艦艇發射。

戰術核武器（TNW）也在冷戰期間流行起來。TNW 旨在針對較小的區域，包括短程飛彈、炮彈、地雷和深水炸彈。

1945 年日本長崎原子彈爆炸的受害者在這裡被看到皮膚燒傷。

核武器的爆炸會造成巨大的破壞，碎片將包含炸彈材料來自何處的微觀證據。核彈在人口稠密的城市等目標上引爆會造成巨大的破壞。損壞程度取決於距炸彈爆炸中心的距離，該中心稱為震源或零地。離震源越近，破壞越嚴重。損壞是由幾件事造成的：

在震源處，一切都立即被高溫（高達 5 億華氏度或 3 億攝氏度）蒸發。從震源向外看，大多數傷亡是由高溫燒傷、衝擊波造成的飛行碎片造成的傷害以及強烈暴露於高輻射造成的。

在直接爆炸區域之外，熱量、輻射和熱浪引發的火災會造成人員傷亡。從長遠來看，由於盛行風，放射性沉降物會在更廣泛的區域發生。放射性沉降粒子進入供水系統，被遠離爆炸地點的人吸入和攝入。

科學家們研究了廣島和長崎爆炸的倖存者，以了解核爆炸對人類健康的短期和長期影響。輻射和放射性沉降物會影響體內那些積極分裂的細胞（頭髮、腸道、骨髓、生殖器官）。一些由此產生的健康狀況包括：

這些情況通常會增加患白血病、癌症、不孕症和出生缺陷的風險。

科學家和醫生仍在研究投在日本的炸彈的倖存者，並期望隨著時間的推移會出現更多結果。

1980 年代，科學家評估了核戰爭的可能影響（許多核彈在世界不同地區爆炸），並提出了可能發生核冬天的理論。在核冬天的情景中，許多炸彈的爆炸會產生巨大的塵埃和放射性物質雲，這些物質會高高地進入地球大氣層。這些雲會阻擋陽光。

陽光水平的降低會降低地球的表面溫度並減少植物和細菌的光合作用。光合作用的減少會破壞食物鏈，導致生命（包括人類）的大規模滅絕。這種情況類似於為解釋恐龍滅絕而提出的小行星假說。核冬天情景的支持者指出，在美國聖海倫斯山和菲律賓皮納圖博火山爆發後，塵埃和碎片雲在地球上傳播得很遠。

核武器具有令人難以置信的長期破壞力，其傳播範圍遠遠超出原始目標。這就是為什麼世界各國政府都在努力控制核彈製造技術和材料的傳播，並減少冷戰期間部署的核武器庫。這也是朝鮮等國進行的核試驗引起國際社會如此強烈反應的原因。廣島和長崎爆炸事件可能已經過去了幾十年，但那個決定性的八月早晨的可怕畫面卻像以往一樣清晰明亮。

在全球 12,700 枚核彈頭庫存中，超過 9,400 枚在軍事儲備中供飛彈、飛機、艦船和潛艇使用。

自廣島和長崎遭受核襲擊以來的四分之三個多世紀以來，世界沒有再次使用核武器，各國核武庫中的武器數量從峰值的 70,300 件急劇下降從 1986 年到 2022 年初估計只有 12,700 件。世界上最大的兩個核超級大國是美國，俄羅斯，美國部署的戰略武器數量最多。

此外，技術進步有可能使核武器比過去的核武器更具潛在破壞性。例如，美國彈道飛彈在其金屬外殼的尖端越來越多地包含複雜的電子傳感器，這使它們能夠在準確的時刻在目標上引爆，以造成最佳的破壞量。這種裝置可能使核彈頭甚至可以摧毀深埋的設施，例如地下飛彈發射井。

希望這些帶來平等對話機會的武器永遠不要再使用，讓世界能更加的和平！