核弹的爆炸量怎么那么大（核弹是如何产生能量爆炸的）

1945 年 8 月 6 日和 8 月 9 日，世界历史上第一次在日本广岛（左）和长崎（右）两个城市投下两颗核弹。核弹造成大约 129,000 至 226,000 人死亡，其中大部分是平民。

1945 年 8 月 6 日，第一颗核弹在日本广岛爆炸。三天后，第二颗原子弹在长崎上空引爆。两次炸弹爆炸造成的死亡人数——估计有 214,000 人——以及这些武器造成的破坏在战争史上是前所未有的

二战结束时，美国是世界上唯一拥有核能力的超级大国。但这并没有持续多久。苏联也在 1949 年成功地测试了自己的原子弹。

随着美国和苏联陷入长达数十年的敌意，也就是所谓的冷战，两国都开发了一种更强大的核武器——氢弹——并建造了核弹头库。两国都用陆基洲际弹道导弹扩充了它们的战略轰炸机舰队，这些导弹能够从数千英里外到达彼此的城市。潜艇也配备了核导弹，这使得发动毁灭性攻击变得更加容易

其他国家——英国、法国等在 60 年代后期都拥有核武器。

这种可怕的威胁阻止了他们使用核武器相互攻击，但即便如此，对一场灾难性核战争的恐惧仍然存在。在 1970 年代和 80 年代，紧张局势仍在继续。在美国里根总统的牵头下，美国奉行发展反导弹防御技术的战略——被许多人称为“星球大战”——旨在保护美国免受攻击，但也可能使美国能够首先发动攻击而不受惩罚。到本世纪末期，随着苏联在经济上开始摇摇欲坠，里根和苏联领导人米哈伊尔·戈尔巴乔夫正在认真地努力限制核武器。

核弹的幽灵从未真正消失。在 2000 年代初期，美国入侵伊拉克并推翻了萨达姆侯赛因，部分原因是担心他正试图发展核武器。

尽管多年来核战争的政治格局发生了很大变化，但武器本身的科学——释放所有愤怒的原子过程——自爱因斯坦时代以来就为人所知。本文将回顾核弹的工作原理，包括它们的制造和部署方式。首先是对原子结构和放射性的快速回顾。

原子结构和放射性

这张插图显示了一个原子是如何由三个亚原子粒子组成的——质子、中子和电子。

在我们得到炸弹之前，我们必须从小处着手，原子级小。你会记得，一个原子由三个亚原子粒子组成——质子、中子和电子。原子的中心称为原子核，由质子和中子组成。质子带正电；中子根本不带电荷；并且电子带负电。质子与电子的比率始终为一比一，因此原子具有中性电荷。例如，一个碳原子有六个质子和六个电子。

但这并不是那么简单。一个原子的属性可以根据它拥有的每个粒子的数量而发生很大变化。如果你改变质子的数量，你最终会得到一个完全不同的元素。如果你改变一个原子中的中子数，你就会得到一个同位素。

例如，碳具有三种同位素：

1. 碳 12（六个质子 六个中子），一种稳定且常见的元素形式
2. 碳13（六个质子 七个中子），稳定但稀有
3. 碳 14（六个质子 八个中子），稀有且不稳定（或放射性）

正如我们在碳中看到的那样，大多数原子核是稳定的，但有一些根本不稳定。这些原子核自发地发射出科学家称之为辐射的粒子。发射辐射的原子核当然具有放射性，而发射粒子的行为被称为放射性衰变。放射性衰变分为三种：

1. 阿尔法衰变：原子核喷射出两个质子和两个结合在一起的中子，称为阿尔法粒子。
2. β衰变：一个中子变成一个质子、一个电子和一个反中微子。射出的电子是β粒子。
3. 自发裂变：原子核分裂成两部分。在这个过程中，它可以喷射出中子，这些中子可以变成中子射线。原子核还可以发出称为伽马射线的电磁能量爆发。伽马射线是唯一一种来自能量而非快速移动粒子的核辐射。

尤其要记住裂变部分。当我们讨论核弹的内部工作原理时，它会不断出现。

核裂变

核裂变是原子核分裂成两个或多个更小的原子核的反应。此图显示了铀 235 的核裂变。核电

核弹涉及将原子核结合在一起的力量 - 强和弱 - 尤其是具有不稳定原子核的原子。从原子中释放核能有两种基本方式。

1. 在核裂变中，科学家用一个中子将原子核分裂成两个更小的碎片。
2. 核聚变——太阳产生能量的过程——涉及将两个较小的原子结合在一起形成一个更大的原子。

无论是裂变还是聚变，都会释放大量热能和辐射。

我们可以将核裂变的发现归功于意大利物理学家恩里科·费米的工作。在 1930 年代，费米证明受到中子轰击的元素可以转化为新元素。这项工作导致了慢中子的发现，以及元素周期表中未列出的新元素。

费米发现后不久，德国科学家奥托哈恩和弗里茨斯特拉斯曼用中子轰击铀，产生了放射性钡同位素。哈恩和斯特拉斯曼得出结论，低速中子导致铀核裂变或分裂成两个更小的碎片。

他们的工作在世界各地的研究实验室中引发了激烈的活动。在普林斯顿大学，尼尔斯·玻尔与约翰·惠勒合作开发了裂变过程的假设模型。玻尔和惠勒推测，发生裂变的是铀同位素uranium-235，而不是 uranium-238。

大约在同一时间，其他科学家发现裂变过程会产生更多的中子。这导致玻尔和惠勒提出了一个重要问题：裂变中产生的自由中子是否会引发连锁反应，从而释放大量能量？如果是这样，也许有可能制造出一种力量难以想象的武器。

核燃料

三位一体是核武器第一次引爆的代号。作为曼哈顿计划的一部分，美国陆军于 1945 年 7 月 16 日进行了爆炸。

1940 年 3 月，在纽约市哥伦比亚大学工作的一组科学家证实了玻尔和惠勒提出的假设：同位素铀 235或U-235负责核裂变。哥伦比亚团队试图在 1941 年秋天使用 U-235 引发连锁反应，但失败了。随后，所有工作都转移到了芝加哥大学，在该大学斯塔格球场下方的壁球场上，恩里科·费米终于实现了世界上第一个受控核链式反应。使用 U-235 作为燃料的核弹的研制进展迅速。

由于它在核弹设计中的重要性，让我们更仔细地看看 U-235。U-235 是少数可以发生诱导裂变的材料之一。这意味着，如果中子进入其原子核，铀可以更快地分解，而不是等待超过 7 亿年的铀自然衰变。原子核会毫不犹豫地吸收中子，变得不稳定并立即分裂。

一旦原子核捕获中子，它就会分裂成两个较轻的原子并抛出两个或三个新的中子（喷射中子的数量取决于 U-235 原子是如何分裂的）。然后，两个较轻的原子在进入新状态时会发出伽马辐射。这个诱导裂变过程有一些有趣的地方：

• U-235 原子在经过时捕获中子的概率相当高。在正常工作的炸弹中，从每个裂变中喷射出的多个中子会导致另一个裂变发生。将一大圈弹珠想象成原子的质子和中子会有所帮助。如果你将一颗弹珠——一个中子——射入大圆圈的中间，它会击中一颗弹珠，然后再击中几颗弹珠，以此类推，直到连锁反应继续。
• 捕获中子和分裂的过程发生得非常快，大约为皮秒（0.000000000001 秒）。
• 为了使 U-235 的这些特性发挥作用，必须对铀样品进行浓缩；也就是说，样品中 U-235 的含量必须增加至超过自然水平。武器级铀至少由 90% 的 U-235 组成。

1941 年，加州大学伯克利分校的科学家们发现了另一种元素——94 号元素——它可能具有作为核燃料的潜力。他们将元素命名为钚，在接下来的一年里，他们赚到了足够的钱进行实验。最终，他们确定了钚的裂变特性，并确定了第二种可能的核武器燃料。

裂变炸弹设计

此图显示了一种非常基本的裂变炸弹，也称为枪触发裂变炸弹。

在裂变炸弹中，燃料必须保存在不支持裂变的单独的亚临界质量中，以防止过早爆炸。临界质量是维持核裂变反应所需的可裂变材料的最小质量。

如果弹珠圈分布得太远——亚临界质量——当“中子弹珠”撞击中心时会发生较小的连锁反应。如果弹珠在圆圈中靠得更近——临界质量——发生大连锁反应的可能性就更高。

将燃料保持在单独的亚临界质量中会导致设计挑战，必须解决这些挑战才能使裂变炸弹正常工作。当然，第一个挑战是将亚临界质量聚集在一起形成超临界质量，这将提供足够多的中子来维持爆炸时的裂变反应。炸弹设计者提出了两种解决方案，我们将在下一节中介绍。

接下来，必须将自由中子引入超临界质量以开始裂变。中子是通过制造中子发生器引入的。该发生器是一个由钋和铍组成的小颗粒，由可裂变燃料芯内的箔片隔开。在这个生成器中：

1. 当亚临界质量聚集在一起并且钋自发地发射出阿尔法粒子时，箔片就会破裂。
2. 然后这些 α 粒子与铍 9 碰撞产生铍 8 和自由中子。
3. 然后中子引发裂变。

最后，设计必须允许尽可能多的材料在炸弹爆炸之前裂变。这是通过将裂变反应限制在一种称为捣固剂的致密材料中来实现的，这种材料通常由铀 238 制成。篡改被裂变核心加热和膨胀。篡改的这种膨胀会对裂变核心施加压力并减慢核心的膨胀。篡改还将中子反射回裂变核心，从而提高裂变反应的效率。

裂变炸弹触发器

这些示意图显示了两种裂变炸弹设计。左边是枪式炸弹，是在广岛使用的那种；右边是内爆型炸弹，是长崎上使用的那种。

将亚临界质量聚集在一起的最简单方法是制造一把将一个质量发射到另一个质量的枪。在中子发生器周围制作一个 U-235 球体，然后取出一小颗 U-235 子弹。子弹放在一根长管的一端，后面放着炸药，而球体放在另一端。气压传感器确定爆炸的适当高度并触发以下事件序列：

1. 炸药发射并将子弹推下枪管。
2. 子弹击中球体和发生器，引发裂变反应。
3. 裂变反应开始。
4. 炸弹爆炸。

投在广岛的炸弹“小男孩”就是这种类型的炸弹，当量为 20 千吨（相当于 2 万吨 TNT），效率约为 1.5%。也就是说，在爆炸带走材料之前，有 1.5% 的材料发生了裂变。

产生超临界质量的第二种方法需要通过内爆将亚临界质量压缩成一个球体。投在长崎的炸弹胖子就是所谓的内爆炸弹之一。建造起来并不容易。

早期的炸弹设计者面临几个问题，特别是如何控制和引导冲击波均匀地穿过球体。他们的解决方案是制造一个内爆装置，该装置由一个 U-235 球体（充当篡改器）和一个被高能炸药包围的钚 239 核心组成。当炸弹被引爆时，它的当量为 23 千吨，效率为 17%。这就是发生的事情：

• 炸药开火，产生了冲击波。
• 冲击波压缩了核心。
• 裂变反应开始了。
• 炸弹爆炸了。

设计人员能够改进基本的内爆触发设计。1943 年，美国物理学家 Edward Teller 发明了升压的概念。助推是指使用聚变反应产生中子的过程，然后中子用于以更高的速率诱导裂变反应。又过了 8 年，第一次测试证实了 boosting 的有效性，但一旦证明出来，它就成为了一种流行的设计。在随后的几年里，美国制造的近 90% 的核弹都采用了助推设计。

当然，聚变反应也可以用作核武器的主要能源。在下一节中，我们将了解聚变炸弹的内部工作原理。

聚变炸弹

氢弹是聚变弹的一个例子

裂变炸弹有效，但效率不高。科学家们很快就想知道相反的核过程——聚变——是否会更好。当两个原子的原子核结合形成一个较重的原子时，就会发生聚变。在极高的温度下，氢同位素氘和氚的原子核很容易融合，在此过程中释放出大量能量。利用这一过程的武器被称为聚变炸弹、热核炸弹或氢弹。

聚变炸弹比裂变炸弹具有更高的千吨产量和更高的效率，但它们提出了一些必须解决的问题：

• 用于聚变的燃料氘和氚都是气体，难以储存。
• 氚供应短缺，半衰期短。
• 炸弹中的燃料必须不断补充。
• 氘或氚必须在高温下被高度压缩以引发聚变反应。

科学家们通过使用氘酸锂（一种在常温下不会发生放射性衰变的固体化合物）作为主要的热核材料来克服第一个问题。为了克服氚问题，炸弹设计者依靠裂变反应从锂中生产氚。裂变反应也解决了最后一个问题。

裂变反应中释放的大部分辐射是 X 射线，这些 X 射线提供了引发聚变所需的高温和高压。因此，聚变炸弹具有两级设计——初级裂变或助推裂变组件和次级聚变组件。

要了解这种炸弹设计，请想象在炸弹外壳内有一个内爆裂变炸弹和一个铀 238（篡改）的圆柱外壳。捣固器内有氘化锂（燃料）和圆柱体中心的钚 239 空心棒。

将圆筒与内爆弹隔开的是一个由铀 238 和塑料泡沫制成的护罩，它填充了炸弹外壳中的剩余空间。炸弹的爆炸会导致以下一系列事件：

1. 裂变炸弹爆炸，释放出X射线。
2. 这些 X 射线加热炸弹和篡改器的内部；防护罩可防止燃料过早爆炸。
3. 热量导致捣固剂膨胀并燃烧掉，向内对氘酸锂施加压力。
4. 氘酸锂被挤压了大约三十倍。
5. 压缩冲击波在钚棒中引发裂变。
6. 裂变棒释放出辐射、热量和中子。
7. 中子进入氘酸锂，与锂结合生成氚。
8. 高温和高压的结合足以发生氚-氘和氘-氘聚变反应，产生更多的热量、辐射和中子。
9. 来自聚变反应的中子在来自篡改和防护罩的铀 238 碎片中引发裂变。
10. 篡改和屏蔽件的裂变会产生更多的辐射和热量。
11. 炸弹爆炸。

所有这些事件发生在大约 600 亿分之一秒内（裂变炸弹爆炸为 550 亿分之一秒，聚变事件为 500 亿分之一秒）。结果是产生了 10,000 千吨产量的巨大爆炸——比小男孩爆炸的威力大 700 倍。

核弹交付

该图显示了弹道和高超音速飞行轨迹的比较。许多国家现在能够通过弹道导弹运送核弹。

制造核弹是一回事。将武器送到预定目标并成功引爆完全是另一回事。二战结束时科学家制造的第一批炸弹尤其如此。曼哈顿计划的成员菲利普·莫里森在1995 年的《科学美国人》杂志上写道：“1945 年的所有三颗炸弹——测试炸弹和投在日本的两颗炸弹——都更接近于即兴的碎片。复杂的实验室设备比可靠的武器还要多。”

今天，二战中对日本使用的方法——飞机携带重力炸弹——仍然是一种可行的运载核武器的方式。但多年来，随着弹头尺寸的减小，其他选择也变得可用。许多国家已经储存了几枚配备核装置的弹道导弹和巡航导弹。

大多数弹道导弹是从陆基发射井或潜艇发射的。他们离开地球大气层，向目标行进数千英里，然后重新进入大气层部署武器。巡航导弹的射程比弹道导弹更短，弹头更小，但它们更难被发现和拦截。它们可以从空中、地面移动发射器和海军舰艇发射。

战术核武器（TNW）也在冷战期间流行起来。TNW 旨在针对较小的区域，包括短程导弹、炮弹、地雷和深水炸弹。

核弹的后果和健康风险

1945 年日本长崎原子弹爆炸的受害者在这里被看到皮肤烧伤。

核武器的爆炸会造成巨大的破坏，碎片将包含炸弹材料来自何处的微观证据。核弹在人口稠密的城市等目标上引爆会造成巨大的破坏。损坏程度取决于距炸弹爆炸中心的距离，该中心称为震源或零地。离震源越近，破坏越严重。损坏是由几件事造成的：

• 爆炸产生的强烈热浪
• 爆炸产生的冲击波产生的压力
• 辐射
• 放射性沉降物，包括落回地面的细小放射性尘埃和炸弹碎片云

在震源处，一切都立即被高温（高达 5 亿华氏度或 3 亿摄氏度）蒸发。从震源向外看，大多数伤亡是由高温烧伤、冲击波造成的飞行碎片造成的伤害以及强烈暴露于高辐射造成的。

在直接爆炸区域之外，热量、辐射和热浪引发的火灾会造成人员伤亡。从长远来看，由于盛行风，放射性沉降物会在更广泛的区域发生。放射性沉降粒子进入供水系统，被远离爆炸地点的人吸入和摄入。

科学家们研究了广岛和长崎爆炸的幸存者，以了解核爆炸对人类健康的短期和长期影响。辐射和放射性沉降物会影响体内那些积极分裂的细胞（头发、肠道、骨髓、生殖器官）。一些由此产生的健康状况包括：

• 恶心、呕吐和腹泻
• 白内障
• 脱发
• 血细胞丢失

这些情况通常会增加患白血病、癌症、不孕症和出生缺陷的风险。

科学家和医生仍在研究投在日本的炸弹的幸存者，并期望随着时间的推移会出现更多结果。

1980 年代，科学家评估了核战争的可能影响（许多核弹在世界不同地区爆炸），并提出了可能发生核冬天的理论。在核冬天的情景中，许多炸弹的爆炸会产生巨大的尘埃和放射性物质云，这些物质会高高地进入地球大气层。这些云会阻挡阳光。

阳光水平的降低会降低地球的表面温度并减少植物和细菌的光合作用。光合作用的减少会破坏食物链，导致生命（包括人类）的大规模灭绝。这种情况类似于为解释恐龙灭绝而提出的小行星假说。核冬天情景的支持者指出，在美国圣海伦斯山和菲律宾皮纳图博火山爆发后，尘埃和碎片云在地球上传播得很远。

核武器具有令人难以置信的长期破坏力，其传播范围远远超出原始目标。这就是为什么世界各国政府都在努力控制核弹制造技术和材料的传播，并减少冷战期间部署的核武器库。这也是朝鲜等国进行的核试验引起国际社会如此强烈反应的原因。广岛和长崎爆炸事件可能已经过去了几十年，但那个决定性的八月早晨的可怕画面却像以往一样清晰明亮。

危险的未来

在全球 12,700 枚核弹头库存中，超过 9,400 枚在军事储备中供导弹、飞机、舰船和潜艇使用。

自广岛和长崎遭受核袭击以来的四分之三个多世纪以来，世界没有再次使用核武器，各国核武库中的武器数量从峰值的 70,300 件急剧下降从 1986 年到 2022 年初估计只有 12,700 件。世界上最大的两个核超级大国是美国，俄罗斯，美国部署的战略武器数量最多。

此外，技术进步有可能使核武器比过去的核武器更具潜在破坏性。例如，美国弹道导弹在其金属外壳的尖端越来越多地包含复杂的电子传感器，这使它们能够在准确的时刻在目标上引爆，以造成最佳的破坏量。这种装置可能使核弹头甚至可以摧毁深埋的设施，例如地下导弹发射井。

希望这些带来平等对话机会的武器永远不要再使用，让世界能更加的和平！

,