18新利最新登入核弹的工作原理

在我们研究炸弹之前，我们必须从小的，原子的小的开始。一个原子你会记得，它是由三种亚原子粒子组成的质子，中子和电子．原子的中心，叫做核由质子和中子组成。质子带正电荷;中子根本不带电荷;电子带负电。质子与电子的比例总是一比一，所以原子带中性电荷。例如，一个碳原子有六个质子和六个电子。

但事情并没有那么简单。一个原子的性质可以根据它所拥有的每个粒子的数量而发生相当大的变化。18新利最新登入如果改变质子数，就会得到完全不同的元素。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，碳有三种同位素：

正如我们在碳原子中看到的，大多数原子核是稳定的，但也有少数原子核根本不稳定。这些原子核自发地释放出科学家称之为辐射的粒子。发射辐射的原子核当然是有放射性的，而发射粒子的行为被称为放射性衰变。放射性衰变有三种类型:

尤其要记住裂变的部分。当我们讨论核弹的内部工作原理时，它会不断出现。

核弹涉及到将原子核(尤其是原子核不稳定的原子)固定在一起的力量——有强有弱。从原子中释放核能有两种基本方式。

在任何一个过程中——裂变或聚变——都会产生大量的热能和能量辐射被释放。

我们可以把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20世纪30年代，费米证明了受到中子轰击的元素可以转化为新的元素。这项工作导致了慢中子的发现，以及新元素没有表示在元素周期表．

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部分。

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·惠勒合作建立了一个裂变过程的假想模型。玻尔和惠勒推测这是铀同位素铀- 235而不是正在裂变的铀238。

几乎在同一时间，其他科学家发现裂变过程会产生更多的中子。这让玻尔和惠勒提出了一个重要的问题:裂变中产生的自由中子会引发一个释放巨大能量的链式反应吗?如果是这样的话，就有可能制造出一种威力不可思议的武器。

事实确实如此。

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是核裂变的原因。哥伦比亚小组在1941年秋天试图用U-235引发连锁反应，但失败了。所有的工作都转移到了芝加哥大学，在该校斯塔格球场下面的壁球场上，恩里科·费米终于实现了世界上第一个可控的核连锁反应。以铀-235为燃料的核弹研制进展迅速。

由于它在核弹设计中的重要性，让我们更仔细地看看U-235。铀235是少数几种可以经受诱发裂变．这意味着，如果一个中子进入铀的原子核，铀就可以更快地分解，而不是等待7亿多年的自然衰变。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，它就会分裂成两个更轻的原子，并释放出两到三个新的中子(发射出的中子数量取决于U-235原子碰巧分裂的方式)。18新利最新登入两个较轻的原子在进入新的状态时发射伽马射线。关于这个诱导裂变过程，有几件事让它变得有趣:

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，这种元素有可能被用作核燃料。他们给元素命名钚在接下来的一年里，他们赚了足够的钱做实验。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。

在裂变弹中，燃料必须保持在独立的亚临界质量中，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物质的最小质量。

再想想大理石的比喻。如果弹珠圈之间的距离太大——亚临界质量——当“中子弹珠”击中中心时，就会发生较小的链式反应。如果这些弹珠在圆圈内的距离更近(临界质量)，发生大型连锁反应的可能性就更大。

为了使裂变弹正常工作，必须解决将燃料保持在独立的亚临界质量的设计难题。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。炸弹设计师想出了两种解决方案，我们将在下一节中讨论。

接下来，必须将自由中子引入超临界质量以启动裂变。中子是通过做a引入的中子发生器．这种发电机是一个由钋和铍组成的小颗粒，由可裂变燃料芯内的箔片分开。在这个生成器中:

最后，设计必须允许尽可能多的材料在炸弹爆炸前发生裂变。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。捣固器被裂变核加热并膨胀。捣毁器的膨胀对裂变堆芯施加压力，减缓堆芯的膨胀。篡改器还将中子反射回裂变堆芯，提高了裂变反应的效率。

把亚临界质量聚集在一起最简单的方法是制造一种枪，把一个质量射向另一个质量。在中子发生器周围形成一个U-235球体，然后取出一个U-235的小子弹。子弹被放置在一根长管的一端，后面是炸药，而球体被放置在另一端。气压传感器确定引爆的适当高度，并触发以下一系列事件:

小男孩投在广岛的原子弹就是这种类型的炸弹，其当量为2万吨(相当于2万吨TNT)，效率约为1.5%。也就是说，在爆炸带走物质之前，有1.5%的物质发生了裂变。

制造超临界质量的第二种方法是通过内爆把亚临界质量压缩成一个球体。胖子在美国，投在长崎的原子弹就是其中之一implosion-triggered炸弹．建造起来并不容易。

早期的炸弹设计者面临着几个问题，特别是如何控制和引导冲击波均匀地穿过球体。18新利最新登入他们的解决方案是制造一个内爆装置，由一个U-235球体和一个由烈性炸药包围的钚-239核心组成。当炸弹被引爆时，它的当量为23千吨，效率为17%。事情是这样的:

设计师能够改进基本的内爆触发设计。1943年，美国物理学家爱德华·特勒发明了增强的概念。提高指的是利用聚变反应产生中子，然后用中子以更高的速率诱导裂变反应的过程。又过了8年，第一次试验才证实了增力的有效性，但一旦有了证据，它就成为了一种流行的设计。在随后的几年里，美国制造的几乎90%的核弹都采用了助推设计。

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

裂变弹是有用的，但效率不高。没过多久，科学家们就想知道相反的核聚变过程是否会更好。当两个原子的原子核结合形成一个较重的原子时，核聚变就发生了。在极高的温度下，氢的同位素氘和氚的原子核很容易发生聚变，在这个过程中释放出巨大的能量。利用这一过程的武器被称为聚变核弹，热炸弹或氢弹．

与裂变弹相比，聚变弹具有更高的千吨当量和更高的效率，但它们提出了一些必须解决的问题:

科学家们通过使用氘酸锂作为主要的热核材料克服了第一个问题。氘酸锂是一种固体化合物，在常温下不会发生放射性衰变。为了克服氚的问题，炸弹设计者依靠裂变反应从锂中产生氚。裂变反应也解决了最后一个问题。

裂变反应中释放出的大部分辐射是x射线，这些x射线提供了启动聚变所必需的高温和高压。所以，聚变炸弹有两个阶段的设计-一个主要的裂变或增强裂变组件和一个次级聚变组件。

为了理解这种炸弹的设计，想象一下，在炸弹的外壳中，你有一个内爆裂变炸弹和一个铀-238(捣毁剂)的圆筒外壳。在捣固器内是氘化锂(燃料)和在圆筒中心的钚-239空心棒。

将圆筒和内爆炸弹分开的是一个由铀-238和泡沫塑料制成的护盾，它填充了炸弹外壳的剩余空间。炸弹的爆炸会导致以下一系列事件:

所有这些事件都发生在大约6000亿分之一秒(裂变弹内爆事件为5500亿分之一秒，核聚变事件为500亿分之一秒)。其结果是产生了1万吨当量的巨大爆炸，比“小男孩”爆炸威力大700倍。

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。第二次世界大战末期科学家制造的第一批炸弹尤其如此。写作1995年的《科学美国人菲利普·莫里森(Philip Morrison)是曼哈顿计划对于早期的武器，他是这样说的:“1945年的三枚炸弹——试验炸弹和投在日本的两枚炸弹——与其说是可靠的武器，不如说是复杂实验室设备的临时拼凑。”

这些炸弹运送到最终目的地的过程几乎和它们的设计和建造一样都是临时安排的。1945年7月28日，美国“印第安纳波利斯”号航空母舰将“小男孩”炸弹的部件和浓缩铀燃料运到太平洋的提尼安岛。“胖子”炸弹的部件由三架经过改装的b -29轰炸机携带，于1945年8月2日运抵美国。

一个由60名科学家组成的小组从新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯飞往提尼安，协助这次组装。“小男孩”炸弹重9700磅(4400公斤)，从鼻子到尾巴长10英尺(3米)。8月6日，一名机组人员将“小男孩”装上了由保罗·蒂贝茨上校驾驶的B-29轰炸机“埃诺拉·盖伊”(Enola Gay)。这架飞机飞行了750英里(1200公里)抵达日本，在广岛上空投下炸弹，并于上午8点12分引爆。

8月9日，近11000磅(5000公斤)的胖子炸弹在第二架B-29轰炸机Bockscar上进行了同样的旅程，由少校Charles Sweeney驾驶。它的致命载荷在正午前在长崎上空爆炸。

今天，在第二次世界大战中对日本使用的方法——飞机携带重力炸弹——仍然是投放核武器的可行方法。但多年来，随着弹头尺寸的减小，人们也有了其他选择。许多国家都储存了几枚装有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发射的还是潜艇．它们离开地球大气层，飞行数千英里到达目标，然后重新进入大气层部署武器。巡航导弹比弹道导弹射程更短，弹头更小，但它们更难被发现和拦截。它们可以从空中、地面上的移动发射装置和海军舰艇上发射。

战术核武器(TNWs)也在二战期间流行起来冷战．TNWs的目标范围较小，包括短程导弹、炮弹、地雷和深水炸弹。

核武器的爆炸会造成巨大的破坏碎片中含有微观证据炸弹材料的来源。核弹在人口稠密的城市等目标上爆炸会造成巨大的破坏。破坏的程度取决于距离炸弹爆炸中心的距离，这个距离被称为震源或归零地．离震源越近，破坏就越严重。造成这种损害的原因有以下几种:

在震源，所有东西都立即被高温蒸发(高达5亿华氏度或3亿摄氏度)。在震源之外，大多数伤亡是由高温灼伤、冲击波引起的碎片飞溅和严重暴露于高辐射造成的。

在直接爆炸区域之外，高温、辐射和热浪引发的火灾造成了人员伤亡。从长远来看，由于盛行风，放射性沉降物会在更大范围内发生。放射性沉降物颗粒进入供水系统，被距离爆炸较远的人吸入和摄入。

科学家们已经研究了广岛和长崎爆炸的幸存者了解核爆炸对人类健康的短期和长期影响。新利国际网站品牌官网辐射和放射性沉降物会影响体内那些活跃分裂的细胞(头发、肠道、骨髓、生殖器官)。由此造成的一些健康状况包括:新利国际网站品牌官网

这些情况通常会增加患白血病的风险，癌症、不孕症和出生缺陷。

科学家和医生仍在研究日本原子弹爆炸的幸存者，并期望随着时间的推移会有更多的结果出现。

在20世纪80年代，科学家们评估了核战争的可能影响(许多核弹在世界不同地区爆炸)，并提出了核战争的理论核冬天可能会发生。在核冬天的情景中，许多炸弹的爆炸会产生巨大的尘埃云和放射性物质，这些物质会进入地球大气层。这些云会遮住阳光。

阳光照射的减少会降低地球表面的温度光合作用通过植物和细菌。光合作用的减少会破坏食物链，导致生物(包括人类)的大规模灭绝。这种情况与用来解释恐龙灭绝的小行星假说相似。支持“核冬天”设想的人指出，在美国圣海伦斯火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，远超最初的目标。这就是为什么世界各国政府正在努力控制制造核弹的技术和材料的扩散，并减少冷战期间部署的核武器武器库。这也是为什么朝鲜和其他国家进行的核试验会引起国际社会如此强烈的反应。广岛和长崎原子弹爆炸也许已经过去了几十年，但那个灾难性的8月早晨的恐怖画面依然清晰明亮。

自广岛和长崎遭受核袭击以来，在超过四分之三世纪的时间里，世界上没有再使用过核武器，各国核武库中的核武器数量急剧下降，从1986年70300件的峰值下降到2022年初的约12700件。世界上两个最大的核大国是美国，拥有5400多件核武器，俄罗斯拥有近6000件核武器，尽管美国部署的战略武器数量略高，为1644件，而俄罗斯为1588件[来源:美国科学家联合会］．

坏消息是:这一下降主要是20世纪90年代削减军备努力的结果。在美国继续缓慢削减其核武库的同时，其他国家——中国、印度、朝鲜、巴基斯坦、英国，可能还有俄罗斯——据信正在增加他们的核武库。美国科学家联合会］．

此外，技术进步有可能使核武器比过去的核武器更具潜在的破坏性。例如，美国的弹道导弹越来越多地在金属弹壳的尖端安装精密的电子传感器，这使它们能够在精确的时刻在目标上空引爆，造成最佳的破坏。这种装置甚至可以使核弹头摧毁一个深埋的设施，如地下导弹发射井。

虽然这种武器可能会阻止对手采取可能引发核反应的侵略行动，但核战略专家也担心，敌人可能会决定首先发动攻击，以避免他们的武器被先发制人的打击摧毁的风险。史密斯］．

其他潜在的不稳定发展:高超声速导弹，比常规导弹更快，更具机动性，可能使对手难以对攻击作出反应，从而增加了对方国家可能发动先发制人打击的风险[来源:Zutt和Onderco］．

未来的另一个担忧是，在一个规范被侵蚀的时代，世界领导人的激进冲动。例如，当俄罗斯领导人弗拉基米尔·普京(Vladimir Putin)试图阻止其他国家干涉他在2022年入侵乌克兰时，他威胁说，“这样的后果你在你的历史上从未遇到过”，一些人认为这是他可能诉诸核武器的警告。作为回应，法国外交部长让-伊夫·勒德里安说:“我认为弗拉基米尔·普京也必须明白，大西洋联盟是一个核联盟。路透］．

最初发表于2000年10月5日