核弹是如何工作的

在我们找到炸弹之前，我们得从很小的原子开始。一个原子你应该记得，是由三个亚原子粒子组成的质子，中子而且电子．原子的中心，叫做核，由质子和中子组成。质子带正电荷，中子不带任何电荷，电子带负电荷。质子与电子的比例总是一比一，所以原子作为一个整体带有中性电荷。例如，一个碳原子有6个质子和6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发生相当大的变化。如果你改变质子数，你会得到一个完全不同的元素。如果你改变一个原子的中子数，你会得到一个同位素．例如，碳有三种同位素:1)碳-12(6个质子+ 6个中子)，一种稳定且普遍存在的碳元素形式;2)碳-13(6个质子+ 7个中子)，稳定但罕见;3)碳-14(6个质子+ 8个中子)，稀有且不稳定(或放射性)。

正如我们在碳原子中看到的，大多数原子核是稳定的，但也有一些根本不稳定。这些原子核自发地释放出粒子，科学家称之为辐射．发射辐射的原子核，当然，放射性，而发射粒子的行为被称为放射性衰变．如果你对放射性衰变特别好奇，你会想要仔细阅读核辐射是如何起作用的．现在，我们将回顾三种类型的放射性衰变:

特别记住裂变部分。当我们讨论核弹的内部工作原理时，这个问题会不断出现。

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。从反应堆中释放核能有两种基本方法原子．在核裂变(如图所示)，科学家用一个中子将原子核分裂成两个更小的碎片。核聚变即太阳产生能量的过程，包括将两个较小的原子聚集在一起形成一个较大的原子。在裂变或聚变过程中，大量的热能和辐射给出了。

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。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元素。这项工作的结果是发现了慢中子，以及元素周期表中没有出现的新元素。在费米发现后不久，德国科学家奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼用中子轰击铀，产生了一种放射性的钡同位素。他们得出的结论是，低速中子导致铀核裂变，或分裂成两个更小的部分。

他们的工作引发了世界各地研究实验室的激烈活动。在普林斯顿大学，尼尔斯·玻尔与约翰·惠勒合作开发了一个裂变过程的假设模型。他们推测，发生裂变的是铀同位素铀235，而不是铀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。这让波尔和惠勒提出了一个重要的问题:裂变中产生的自由中子能否引发一个释放巨大能量的连锁反应?如果是这样，或许就有可能制造出一种威力难以想象的武器。

这是。

1940年3月，纽约哥伦比亚大学的一组科学家证实了假设由玻尔和惠勒提出——同位素铀- 235,或u - 235他对核裂变负责。哥伦比亚小组试图在1941年秋天使用U-235引发连锁反应，但失败了。之后，所有的工作都转移到了芝加哥大学。在芝加哥大学斯塔格场地下面的壁球场上，恩里科·费米终于完成了世界上第一个可控的链式核反应。以铀-235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是少数几种能经受诱发裂变．铀不需要等待7亿多年才能自然衰变，如果一个中子撞到它的原子核，它就能以更快的速度分解。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，并释放出两到三个新的中子(弹出的中子数量取决于U-235原子碰巧如何分裂)。然后两个较轻的原子发射伽玛射线辐射在他们适应新状态的时候。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(University of California at Berkeley)的科学家们发现了另一种元素——94号元素，它有可能成为核燃料。他们给这种元素命名钚在接下来的一年里，他们做了足够的实验。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，燃料必须分开存放亚临界不支持裂变的物质，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。再想想大理石的类比。如果弹珠散布得太远(亚临界质量)，当“中子弹珠”击中中心时，就会发生较小的连锁反应。如果弹珠在圆中被放置得更近——临界质量——就有更高的机会发生大的连锁反应。

将燃料保持在独立的亚临界质量中会带来设计上的挑战，这是裂变弹正常工作所必须解决的问题。第一个挑战，当然是把亚临界质量聚集在一起形成一个超临界它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。中子是通过制造一个中子发生器．这个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。在这个发电机:

最后，设计必须允许尽可能多的材料在炸弹爆炸前被裂变。这是通过将裂变反应限制在一种称为a的致密物质中来实现的夯它通常由铀238构成。捣固机被裂变堆加热膨胀。篡改器的膨胀会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就是制造一个枪把一个物体射向另一个物体。在中子发生器和一个小的子弹U-235的失效。子弹被放置在一根长管的一端，管的后面是炸药，而球被放置在另一端。气压传感器确定起爆的适当高度，并触发以下一系列事件:

小男孩这枚炸弹的当量为14.5万吨(相当于1.45万吨TNT)，爆炸效率约为1.5%。也就是说，在爆炸带走这些材料之前，有1.5%的材料发生了裂变。

第二种创造超临界质量的方法需要通过内爆将亚临界质量压缩到一个球体中。胖子即投在长崎的原子弹，就是这些所谓的implosion-triggered炸弹．建造它并不容易。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。他们的解决方案是制造一个内爆装置，由一个U-235球体作为篡改器和一个被烈性炸药包围的钚-239核心组成。当炸弹被引爆时，它的当量为2.3万吨，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效的有效性，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，核聚变反应也可以作为核武器的主要能量来源。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，科学家们就开始思考相反的核过程——核聚变——是否可能更好。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，核聚变弹的千吨当量更高，效率更高，但也存在一些必须解决的问题:

科学家们通过使用氘锂作为主要的热核材料，克服了第一个问题。氘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。在裂变反应中释放的大部分辐射是放射性的x射线这些x射线提供了启动核聚变所需的高温和压力。所以，一个核聚变炸弹有两个阶段的设计——一个主要的裂变或增强的裂变组件和一个次级的核聚变组件。

为了理解这个炸弹设计，想象在一个炸弹的外壳中，你有一个内爆裂变炸弹和一个铀-238(捣固器)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。将圆柱体与内爆炸弹隔开的是一个由铀238和泡沫塑料制成的保护罩，它们填充炸弹外壳的剩余空间。炸弹的爆炸会引起下列一系列事件:

所有这些事件发生的时间约为600亿分之一秒(裂变炸弹内爆的时间为550亿分之一秒，核聚变事件的时间为500亿分之一秒)。结果产生了巨大的爆炸，当量达1万万吨——比“小男孩”爆炸威力大700倍。

制造核弹是一回事。把武器送到预定目标并成功引爆完全是另一回事。第二次世界大战结束时，科学家们制造的第一批炸弹尤其如此。在1995年出版的《科学美国人》杂志上，菲利普·莫里森，一位曼哈顿计划他这样评价早期武器:“1945年的三枚炸弹——(三位一体)试验炸弹和投在日本的两枚炸弹——与其说是可靠的武器，不如说是复杂的实验室设备的临时拼凑品。”

将这些炸弹运送到最终目的地的过程几乎和它们的设计和制造一样都是临时准备的。1945年7月28日，美国印第安纳波利斯号将“小男孩”炸弹的零件和浓缩铀燃料运到太平洋的提尼安岛。“胖子”炸弹的部件由三架改进型b -29轰炸机携带，于8月2日运抵美国。一个由60名科学家组成的团队从新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯飞到提尼安协助组装。“小男孩”炸弹——重9700磅(4400公斤)，从鼻子到尾巴长10英尺(3米)——首先准备好了。8月6日，一名机组人员将炸弹装上了由保罗·蒂贝茨上校(Col. Paul Tibbets)驾驶的伊诺拉·盖伊(Enola Gay) B-29轰炸机。这架飞机飞行了750英里(1200公里)抵达日本，将炸弹投到广岛上空，并于上午8点12分引爆。8月9日，这枚近1.1万磅(5000公斤)的“胖子”炸弹乘坐第二架B-29轰炸机“博克斯卡尔”(Bockscar)完成了同样的旅程，飞行员是少校查尔斯·斯威尼(Charles Sweeney)。它的致命有效载荷在正午前在长崎上空爆炸。

今天，日本使用的方法，重力炸弹飞机——仍然是发射核武器的可行方式。但多年来，随着弹头尺寸的缩小，其他选择也出现了。许多国家都储存了许多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。巡航导弹与弹道导弹相比，它们的射程更短，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,或tnw，也在冷战期间流行起来。为了瞄准更小的区域，地雷包括近程导弹、炮弹、地雷和深水炸弹。便携式TNWs，如戴维·克罗克特步枪，使一个或两人的小团队可以进行核打击。

核武器的爆炸会造成巨大的破坏，但废墟中会有微小的证据表明炸弹的材料来自哪里。在人口稠密的城市等目标上引爆核弹会造成巨大的破坏。破坏的程度取决于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点:

在震源中心，一切都是即时发生的蒸发高温(高达5亿华氏度或3亿摄氏度)。在震源之外，大多数伤亡都是由于高温造成的烧伤，以及因冲击波倒塌的建筑物的飞行碎片和严重暴露在高辐射下造成的伤害。在爆炸现场之外，高温、辐射和热浪引发的火灾也造成了人员伤亡。长期来看，由于盛行风的影响，放射性沉降物会覆盖更广的区域。放射性沉降粒子进入供水系统，被远离爆炸地点的人们吸入和摄入。

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。辐射和放射性沉降物会影响这些细胞在积极分裂的体内(毛发，肠道，骨髓，生殖器官)．造成的一些健康状况包括:

这些情况通常会增加白血病的风险，癌症不孕不育和先天缺陷。

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

在20世纪80年代，科学家们评估了核战争(许多核弹在世界不同地区爆炸)可能产生的影响，提出了一种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灰尘和放射性物质云，这些云会飞到地球的大气层中。这些云会遮住阳光。阳光的减少会降低地球表面的温度，减少植物和细菌的光合作用。光合作用的减少将破坏食物链，导致大量生命(包括人类)的灭绝。此场景类似于小行星这个假说被用来解释物种的灭绝恐龙．核冬天假说的支持者指出，在地震发生后，尘埃和碎片形成的云团穿越了整个地球火山喷发美国的圣海伦斯山和菲律宾的皮纳图博山。

核武器具有令人难以置信的长期破坏力，其破坏力远超最初的目标。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的核试验会引起国际社会如此强烈的反应。广岛和长崎的原子弹爆炸可能已经过去了几十年，但那个致命的八月早晨的恐怖画面依然清晰明亮。