为什么原子弹这么厉害

科普中国网 2017-08-02

　作者：万维钢（美国科罗拉多大学物理系研究员）

　　关键词：原子弹

　　1939年8月2日，爱因斯坦致函时任美国总统罗斯福，建议抢在德国之前制原子弹。今天我们就来说说原子弹为什么那么厉害。

　　1945年8月6日早上，日本广岛市的防空雷达发现了一架美国B-29轰炸机。5分钟之后，原子弹在广岛上空600米高度处爆炸。

　　这颗代号“小男孩”的原子弹只有3米长，4吨重，其中核燃料铀-235的质量只有60千克，可是它爆炸的威力相当于13 000吨TNT炸药，是整个东京大轰炸中所有炸弹总能量的8倍。爆炸产生的冲击波摧毁了半径2000米内所有木质结构的建筑物，中心温度超过3000℃，都把房屋砖瓦气化了。据日本方面统计，7万名广岛人立即死于这次核爆，如果算上后来因为核辐射而死的人数，因这颗原子弹爆炸而死亡的总人数达到了20多万。

　　为什么原子弹这么厉害？因为它所释放的能量来自核裂变。核能是原子核的结合能，而我们日常所用的各种能量，包括来自食物、燃油和普通炸弹的能量，都是化学能。而原子弹的能量释放效率要高得多。

　　在铀-235的裂变反应中，一个中子击打在它的原子核上，把这个大原子核分裂成两个较小的原子核和两个新的中子，反应后粒子的总质量减少了一点。根据爱因斯坦质能方程E＝mc2，这些减少了的质量来自原子核结合能的改变。仅仅一个铀-235原子核的裂变就能产生2亿电子伏的能量——相比之下，单位分子的TNT炸药爆炸的化学能只有几个电子伏。

　　一次裂变反应产生的两个多出来的中子又可以让其他铀-235原子核裂变，这样一级一级传下去就形成了链式反应。广岛原子弹的爆炸时间只有百万分之一秒，在核弹炸开之后链式反应只能进行81级，只有2%的核燃料来得及完成裂变。如果让这些燃料都充分裂变的话，原子弹的威力将至少是同等质量TNT炸药的1000万倍。

　　原子弹的杀伤力还不是最厉害的，现在大国核武库的主力是氢弹，它的威力可达原子弹的1000倍。与原子弹的核裂变不同，氢弹依赖的核反应是核聚变：氢原子的两种同位素（氘和氚）在高温高压下聚合在一起形成一个氦原子和一个中子，并释放更高效率的能量。中国曾经在1976年试爆过一颗千万吨级TNT当量的氢弹。史上最大的氢弹实验是苏联在1961年完成的，它的当量达到了5000万吨，相当于广岛原子弹的4000倍和整个第二次世界大战所用炸弹总量的10倍。这次爆炸毁坏了数百千米内的房屋，其产生的暴风一直吹到了1000千米之外，甚至造成整个苏联境内无线电中断1小时。

　　像这样巨大的核能用于武器已经没有多少实战意义，人们更关心的是怎么把它用在能源上。我们已经掌握非常成熟的核电站技术，把裂变能量用来和平发电。然而基于裂变的核电站存在着放射性核废料和铀矿资源有限的问题。要想用核能为人类彻底解决能源问题，前途在于能量效率更高，燃料取之不尽，而且几乎没有放射性污染的核聚变发电。