1945年8月6日，第一枚為了殺人而投放的核彈在日本廣島上空爆炸。3天后，第二枚核彈在長崎上空爆炸。這兩枚核彈造成的死亡和破壞是空前的，在生活著另一種生物的另外一個世界里，這兩次爆炸或許會立即終結(jié)核威脅。

可惜這兩次爆炸只為二戰(zhàn)畫上了句號，又拉開了美國和蘇聯(lián)之間冷戰(zhàn)的序幕。1945年至80年代末，兩國都在核武器研發(fā)上投入了巨量資金，核武器儲備量急劇上升，不過主要是一種阻止沖突的手段。核彈那毀天滅地破壞力的恐懼陰影籠罩在所有人身上。學(xué)校會進(jìn)行核彈空襲演習(xí)。政府建造了一大堆防核避難所。老百姓們也開始在自家后院里挖地堡。

70年代至80年代間，緊張氣氛開始有了些許緩和。然后柏林墻在1989年倒了，兩年之后蘇聯(lián)又解體了。冷戰(zhàn)正式結(jié)束。隨著兩國之間的關(guān)系改善，限制核武器的承諾浮現(xiàn)了出來。后來簽署了一系列的條約，最近一項是在2011年2月份生效的。和前輩們一樣，新的《削減戰(zhàn)略武器條約(START)》旨在進(jìn)一步減少和限制核武器。除了其他各項措施之外，該條約還呼吁核彈頭的總量不能超過1550枚。

可惜即便俄羅斯與美國之間的劍拔弩張暫時消除了，核戰(zhàn)的威脅依舊存在。全球有9個國家可以使用彈道導(dǎo)彈發(fā)射核彈頭。其中至少有三個國家——美、俄、中——的攻擊范圍可以覆蓋全球的任一角落。如今核武器的威力也可以輕松超越當(dāng)年在日本扔下的那兩枚。2009年時，朝鮮成功試驗了和廣島原子彈威力相同的核武器。地下爆炸的威力太過巨大，以至于引發(fā)了一場里氏4.5級的地震。

這么多年以來，雖然核戰(zhàn)的政治局勢改變了，但這種武器本身的科學(xué)——釋放全部威力的原子過程——打愛因斯塔開始就沒變過。這篇文章將會回顧一下核彈的原理，包括如何制造以及如何引爆。首先我們要來快速復(fù)習(xí)一下原子的結(jié)構(gòu)和放射性。

目錄
一、原子結(jié)構(gòu)及放射性
二、核裂變
三、核燃料
四、裂變式核彈的設(shè)計
五、裂變式彈的觸發(fā)
六、聚變式核彈
七、核彈的運輸
八、核彈的影響和健康風(fēng)險

一、原子結(jié)構(gòu)及放射性

在說核彈之前，我們要先從小處說起，原子那么小的小處。一個原子是由三種亞原子組成的，分別是質(zhì)子、中子和電子。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子帶正電，中子完全不帶電，而電子帶負(fù)電。質(zhì)子和電子的比例永遠(yuǎn)是1比1，所以整個原子才會帶中性電荷。舉個例子，一個碳原子有6個質(zhì)子和6個電子。

但事情沒那么簡單。一個原子的特性會根據(jù)其中各個粒子的數(shù)量而發(fā)生改變。如果你改變質(zhì)子的數(shù)量，你就會得到一個完全不同的元素。如果你改變原子中中子的數(shù)量，你就會得到一個同位素。比如說碳有三個同位素：A.碳12(6質(zhì)子+6中子)；B.碳13(6質(zhì)子+7中子)，雖然穩(wěn)定但稀有；C. 碳14(6質(zhì)子+8中子)，即稀有又不穩(wěn)定。

正如碳元素一樣，大多數(shù)的原子核都是穩(wěn)定的，但有少數(shù)的原子核完全不穩(wěn)定。這些原子核會不由自主的釋放粒子，科學(xué)家將其稱作輻射。當(dāng)然，會散發(fā)輻射的原子核就是有放射性的，散發(fā)粒子的這一行為就叫放射性衰變。我們首先講一下放射性衰變的三個種類：

1. α衰變：一個原子核發(fā)射出綁定在一起的2個質(zhì)子和2個中子，也被稱作α粒子。

2. β衰變：一個中子變成一個質(zhì)子、一個電子以及一個反中微子(antineutrino)。被發(fā)射出的電子就是一個β粒子。

3. 自發(fā)裂變：一個原子核分裂成兩部分。在這個過程中，它會發(fā)射中子，而這些中子會成為中子射線。原子核還能發(fā)出一股電磁能量——伽馬射線。伽瑪射線是核輻射中唯一一種源自于能量而非快速移動粒子的。

重點要記住裂變這部分。在后續(xù)我們討論核彈內(nèi)部原理時，它會不斷出現(xiàn)。

二、核裂變

核彈涉及將一個原子的原子核聚集在一起的大小不一的力量，特別是有著不穩(wěn)定原子核的那些原子。原子釋放核能有兩個基本方式。一是核裂變，科學(xué)家將一個原子的原子核分裂成兩個較小的部分，其中各有一個中子。二是核聚變——太陽就是通過這種方式釋放能量的——涉及到將兩個較小的原子合成為一個較大的原子。無論是裂變還是聚變，都會釋放出大量的熱能和輻射。

核裂變的發(fā)現(xiàn)要歸功于意大利物理學(xué)家恩利克·費米。20世紀(jì)30年代時，費米展示了受到中子轟擊的元素可以轉(zhuǎn)換為一種新元素。這項工作引導(dǎo)出慢中子的發(fā)現(xiàn)，以及那些沒有出現(xiàn)在元素周期表上的新元素。很快在費米的發(fā)現(xiàn)之后，德國科學(xué)家Otto Hahn和 Fritz Strassman用中子轟擊鈾，制造出了一種鋇的放射性同位素。他們總結(jié)說慢速中子造成了鈾的原子核裂變成為兩個較小的部分。

他們的成果點燃了全球?qū)嶒炇业臒崆?。在普林斯頓大學(xué)，Niels Bohr和John Wheeler合作開發(fā)出了一款裂變過程的假設(shè)模型。他們推測，裂變的是鈾的同位素鈾-235，而不是鈾-238。幾乎是在同一時間，其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了裂變過程會制造出更多的中子。這使得Bohr和Wheeler思考了一個重要的問題：裂變過程中產(chǎn)生的自由中子能否啟動一個鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，繼而釋放出巨大的能量？如果可以，那或許可以制造出一個威力超乎想象的武器。

他們是對的。

三、核燃料

1940年3月，哥倫比亞大學(xué)中的一支科學(xué)家團(tuán)隊證實了Bohr和Wheeler提出的這項假設(shè)——發(fā)生核裂變的是同位素鈾-235。這支哥大團(tuán)隊在1941年秋天時嘗試用鈾-235引發(fā)一個連鎖反應(yīng)，但是沒能成功。后來所有工作移交到了芝加哥大學(xué)。在芝加哥大學(xué)足球場下方的一處壁球室里，費米終于實現(xiàn)了世界首個受控的核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。使用鈾-235作為燃料的核彈研發(fā)工作進(jìn)展迅速。

由于鈾-235在核彈設(shè)計中的重要性，我們先細(xì)聊一下這個元素。鈾-235是能進(jìn)行誘發(fā)裂變(induced fission)的少數(shù)材料。不用花費7億年的時間等著鈾自然衰變，只要有一枚中子進(jìn)入到它的原子核中，這種元素就會衰變的更加迅速。原子核會毫不猶豫的吸收掉中子，變得不穩(wěn)定起來，然后瞬間分裂開。

一旦原子核捕捉到了中子，它就會分裂成為兩個較輕的原子，并釋放出兩到三個中子(發(fā)射出的中子數(shù)量取決于U-235是如何分裂的)。當(dāng)這兩個較輕的原子穩(wěn)定于新狀態(tài)時，會釋放出伽馬輻射。誘發(fā)裂變的過程中有幾樣?xùn)|西讓它變得很有意思：

• 在中子經(jīng)過時，一個U-235原子捕捉到它的幾率相當(dāng)高。在一個運作正常的核彈中，每次裂變發(fā)射出的中子都會引發(fā)另一次裂變。你可以把一個原子中的質(zhì)子和中子想象成一大堆彈球。如果你把一顆彈球——一枚中子——射向這堆彈球的中央，它會擊打到其中的一顆彈球，而這顆被擊打到的彈球又會擊打到其他的彈球，以此類推，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)持續(xù)進(jìn)行。

• 捕捉中子以及分裂的過程非常迅速，只有1皮秒(0.000000000001秒)。

• 為了讓U-235能夠發(fā)揮作用，必須對一個樣本的鈾進(jìn)行濃縮；也就是這個樣本中U-235的量必須被增加至超出天然水平。武器級別的鈾必須要含有至少90%的U-235。

1941年時，加州大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一個元素——94號元素——或許也能成為另一種核燃料。它們將這種元素命名為“钚”，之后在接下來的幾年中，他們做出了足以進(jìn)行試驗的量。最終，他們證實了钚的裂變特性，并確定了核武器的第二種可能燃料。

四、裂變式核彈的設(shè)計

在裂變式核彈中，燃料必須被保存在亞臨界質(zhì)量下，從而不會引發(fā)裂變，防止過早引爆。臨界質(zhì)量是可裂變材料需要維持核裂變反應(yīng)的最小質(zhì)量。再想想那個彈球的比喻。如果那堆彈球間隔的太過分散——即亞臨界質(zhì)量——當(dāng)“中子彈球”擊打中心的時候只能引發(fā)一場較小的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。而如果那堆彈球密集的放在一起——即臨界質(zhì)量——那發(fā)生大型鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的可能性就大了許多。

將燃料保存在亞臨界質(zhì)量下為設(shè)計制造出了幾項挑戰(zhàn)，只有一一化解，裂變式核彈才能正常運作。第一個挑戰(zhàn)，是將亞臨界質(zhì)量集合在一起形成超臨界質(zhì)量，這在引爆時能提供超多的中子來維持裂變反應(yīng)。對此核彈設(shè)計者想出了兩種解決方案，我們在下一部分會細(xì)說。

第二個挑戰(zhàn)，必須要在超臨界質(zhì)量中引入中子才能誘發(fā)裂變反應(yīng)。而中子的引入則要制作一個中子發(fā)生器。這個發(fā)生器是一個钚和鈹?shù)男≈樽樱诳闪炎兊娜剂虾诵奶幱梢粋€箔隔開。在這個發(fā)生器中：

1. 當(dāng)亞臨界質(zhì)量聚合時，這層箔就會破開，钚會自主的發(fā)射出阿爾法粒子。

2. 這些阿爾法粒子會撞擊鈹-9，制造出鈹-8和自由中子。

3. 然后這些中子會引發(fā)裂變。

最后一個挑戰(zhàn)，這個設(shè)計必須得讓核彈爆炸前有盡量多的物質(zhì)發(fā)生裂變。這就需要將裂變反應(yīng)限制在一個名為“阻擋層(tamper)”的高密材料中，阻擋層通常是用鈾-238制成。阻擋層會受到裂變核加熱并膨脹。阻擋層的膨脹又會向裂變核施加壓力，并且減緩核心的擴(kuò)張。這層阻擋層還能將中子反射回裂變核心，提高核裂變的效率。

五、裂變式核彈的觸發(fā)

將亞臨界質(zhì)量聚合起來的最簡單的方式是造一把槍，將一個質(zhì)量射進(jìn)另外一個里。先圍繞著中子發(fā)生器建造一個U-235球體，再取出其中一個U-235做成小型子彈。這枚子彈被放置在一個長管的一端，底部有爆炸物，而球體則處于長管的另一端。有一個氣壓傳感器會判定出引爆的合適海拔高度，然后觸發(fā)一系列連鎖反應(yīng)：

1. 爆炸物引爆，推動子彈至長管的另外一端。

2. 子彈轟擊球體和發(fā)生器，觸發(fā)裂變反應(yīng)。

3. 開始裂變反應(yīng)。

4. 炸彈爆炸。

落在廣島的小男孩就是這種核彈，它有著14.5千噸的當(dāng)量，效率大約有1.5%。也就是說，在爆炸前，有1.5%的物質(zhì)發(fā)生了裂變。

制造出一個超臨界質(zhì)量的第二種方式需要通過向內(nèi)爆炸將亞臨界質(zhì)量壓縮進(jìn)一個球體中。日本長崎的核彈“胖子”就是一枚所謂的內(nèi)爆觸發(fā)核彈。它的建造沒那么容易。早期的核彈設(shè)計者遭遇了很多問題，尤其是如何控制并引導(dǎo)沖擊波傳均勻的掠過球體。最終他們的解決方案是制造出一個內(nèi)爆裝置，其中有一個U-235球體(作為一個阻擋層)和一個由高爆物質(zhì)包裹的钚-239核。當(dāng)核彈被引爆后，有著23千噸的當(dāng)量和17%的效率。引爆的過程是這樣的：

1. 爆炸物爆炸，制造出一個沖擊波

2. 沖擊波壓縮核心

3. 裂變反應(yīng)啟動

4. 核彈爆炸

設(shè)計者對最初的內(nèi)爆式設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)。1943年，美國物理學(xué)家Edward Teller發(fā)明了“助爆”的概念。助爆是指用于先利用聚變制造中子，再用這些中子更高效的誘發(fā)裂變的過程。又過了8年才首次試驗證實了助爆的有效性，一經(jīng)證明可行，它就成為了廣受歡迎的設(shè)計。后來美國制造出的核彈中幾乎有90%都是使用的這種助爆設(shè)計。

當(dāng)然，聚變反應(yīng)也能成為核武器中的主要能量來源。

六、聚變式核彈

裂變式核彈實現(xiàn)了，但是它們的效率不太高。沒過多久科學(xué)家就開始思考核聚變是不是更有效。聚變是指兩個原子的原子核聚合成為一個更重的原子的過程。在極高溫下，氫的同位素氘和氚的原子核可以穩(wěn)定融合，這一過程會釋放出巨大的能量。利用這一過程中產(chǎn)生的能量制作的武器就稱作：聚變式核彈、熱核炸彈或是氫彈。聚變式核彈的當(dāng)量和效率都高于裂變式核彈，但是其中也存在一些必須解決的難題：

1. 氘和氚都是氣體，很難儲存

2. 氚短缺，而且半衰期很短

3. 核彈中的燃料必須要不斷地重新裝滿

4. 氘或是氚必須要在高溫下經(jīng)過高度壓縮才能觸發(fā)聚變反應(yīng)。

科學(xué)家使用氘化鋰來作為熱核的主要材料，解決了第一個難題。氘化鋰是一種固體化合物，在常溫下不會進(jìn)行放射性衰減。為了克服和氚相關(guān)的問題，核彈設(shè)計者依靠裂變反應(yīng)，用鋰來制造氚。該裂變反應(yīng)也解決了最終的難題。裂變過程中釋放出最多的輻射是X-射線，而這些X-射線正好可以提供觸發(fā)聚變所需的高溫和高壓。所以，一枚聚變式核彈有著兩階段設(shè)計——首先是裂變或是助爆裂變的構(gòu)件，其次是聚變構(gòu)件。

想要理解這種核彈的設(shè)計，可以想象是一個核彈殼體中包裹著一個內(nèi)爆裂變核彈和一個鈾-238制成的圓筒(阻擋層)。在阻擋層內(nèi)是氘化鋰(燃料)，而中心位置放的是一根钚-239空心桿。還有一層由鈾-238和泡沫填充物制成的保護(hù)層將圓筒和內(nèi)爆炸彈分隔開。核彈的引爆會導(dǎo)致以下一系列事件：

1. 裂變核彈爆炸，釋放出X-射線

2. 這些X射線會加熱核彈的內(nèi)部以及阻擋層；這層阻擋層會防止燃料的過早引爆

3. 熱量會導(dǎo)致阻擋層膨脹并溶解，向內(nèi)部的氘化鋰施加壓力。

4. 氘化鋰被擠壓至30分之1

5. 壓力沖擊波引發(fā)钚桿中的裂變

6. 裂變的钚桿釋放出輻射、熱量以及中子

7. 中子進(jìn)入氘化鋰，與鋰混合生成氚

8. 高溫加高壓的組合足以引發(fā)氚-氘和氘-氘聚變反應(yīng)，制造出更多的熱量、輻射和中子

9. 聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子又引發(fā)了阻擋層和保護(hù)層中鈾-238部分的裂變

10. 阻擋層和保護(hù)層中的裂變又制造出更多的輻射和熱量

11. 核彈爆炸

以上這一切都發(fā)生在6000億分之1秒內(nèi)。結(jié)果會帶來一場有著10000千噸當(dāng)量的超級爆炸——是小男孩核彈威力的700多倍。

七、核彈的運輸

建造核彈是一回事，而將它運至預(yù)設(shè)目標(biāo)成功引爆又是另外一回事兒。二戰(zhàn)末科學(xué)家打造的首枚核彈尤其是這樣?！奥D計劃”的成員之一Philip Morrison在一篇文章中指出：“1945年的全部三顆核彈——一顆實驗用核彈和兩個扔到日本的核彈——更像是即興發(fā)揮出來的實驗室復(fù)雜設(shè)備，而不是可靠的武器。”

將這些核彈運至最終目的地也幾乎和設(shè)計與建造一樣靠的是即興發(fā)揮。USS印第安納波利斯號在1945年7月28日將“小男孩”的部件和濃縮鈾燃料運送到了太平洋上的天寧島?！芭肿印钡牟考t是由三架改裝后的B-29于8月2日運達(dá)的。60名科學(xué)家從新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯飛到了天寧島來協(xié)助組裝?！靶∧泻ⅰ北皇紫冉M裝好，核彈重達(dá)4400千克，長3米。8月6日，地勤人員將核彈裝載到了“艾諾拉·蓋”號B-29轟炸機(jī)上，機(jī)長是Paul Tibbets上校。這架轟炸機(jī)飛行了1200公里，到達(dá)了廣島上空投下了“小男孩”，核彈在上午8點12分爆炸。8月9日，Charles Sweeney少校駕駛著第二架B-29轟炸機(jī)“ 博克斯卡”號運載著5000公斤重的“胖子”完成了對長崎的轟炸。

現(xiàn)如今，這種運送核武器的方式仍是可行的。但是這么多年過去了，隨著核彈頭體積的縮小，運送方式的選擇面也就寬了。很多國家都儲存有若干裝有核設(shè)備的彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈。大多數(shù)彈道導(dǎo)彈都是從地面基地的豎井或者潛艇中發(fā)射的。它們會飛出地球的大氣層，飛行數(shù)千英里至目標(biāo)，然后再重新進(jìn)入大氣層來部署核武器。比起彈道導(dǎo)彈，雖然巡航導(dǎo)彈的射程更短，核彈頭的體積也更小，但是它們更難被偵測和攔截。它們可以在空中發(fā)射，可以從地面上的移動發(fā)射器中發(fā)射，也可以從海上的艦艇中發(fā)射。

在冷戰(zhàn)期間，戰(zhàn)術(shù)核武器(TNW)也變得很流行。TNW目的是攻擊較小的區(qū)域，TNW包括短程導(dǎo)彈、炮彈、地雷和深水炸彈。類似于Davy Crockett核步槍這類便攜式TNW使得單人小隊或者兩人小隊實施核攻擊成為了可能。

八、核彈的影響和健康風(fēng)險

核武器的爆炸會釋放出巨大的破壞力，而廢墟中還會含有核彈材料來源的微觀證據(jù)。在有人居住的城市上空引爆一顆核彈所造成的破壞是無與倫比的。破壞的程度取決于與爆炸中心之間的距離，也就是與原爆點之間的距離。離得越近，破壞越大。破壞是由以下幾方面造成的：

1. 爆炸產(chǎn)生的超高溫

2. 爆炸產(chǎn)生的沖擊波

3. 輻射

4. 輻射塵

在原爆點，所有東西都會被3000萬攝氏度的超高溫瞬間蒸發(fā)掉。原爆點以外的區(qū)域，大多數(shù)傷亡是因為高溫、沖擊波吹飛的建筑物殘骸以及急性暴露在高輻射下而造成的。在緊鄰爆炸區(qū)域之外的地方，傷亡主要是由于高溫、輻射以及熱浪引發(fā)的火災(zāi)造成的。從長期來看，由于盛行風(fēng)的原因，輻射塵出現(xiàn)的區(qū)域會更廣。輻射塵顆粒會進(jìn)入供水系統(tǒng)，或者通過呼吸道和消化道進(jìn)入距離爆炸點很遠(yuǎn)的人體內(nèi)。

科學(xué)家對廣島和長崎核爆后的生還者進(jìn)行研究，以理解核輻射對人類健康的短期及長期影響。輻射和輻射塵會影響人體中快速分裂的細(xì)胞(頭發(fā)、腸道、骨髓以及生殖器官)。其中的一些健康影響包括：

· 惡心、嘔吐和腹瀉

·白內(nèi)障

·脫發(fā)

·血細(xì)胞減少

這些癥狀通常會增加白血病、癌癥、不育以及嬰兒先天畸形的風(fēng)險。

科學(xué)家和物理學(xué)家仍在研究日本核彈幸存者，希望隨著時間的推移，能夠得到更多的研究成果。

20世紀(jì)80年代時，科學(xué)家評估了核戰(zhàn)爭可能的影響并且提出了“核冬天”的理論。在“核冬天”的情形中，多枚核彈的爆炸會導(dǎo)致大量的塵埃和放射性物質(zhì)進(jìn)入地球大氣層。這些塵云會阻擋陽光。光照的減少會降低地表溫度，植物和細(xì)菌賴以為生的光合作用也會隨之減少。而光合作用的下降會破壞食物鏈，導(dǎo)致大量生命體滅絕(包括人類)。這個場景和導(dǎo)致恐龍滅絕的小行星撞擊假說類似?！昂硕臁钡闹С终咧赋?，美國的圣海倫火山以及菲律賓的皮納圖博火山噴發(fā)后，由火山灰和碎巖組成的云也飄到了很遠(yuǎn)的地方。

核武器有著極其長遠(yuǎn)的破壞力，影響范圍會遠(yuǎn)超原目標(biāo)之外的地方。這就是為什么世界各國都在試著控制核武器制造技術(shù)和材料的擴(kuò)散，并削減冷戰(zhàn)期間部署的核武器數(shù)量。這也是為什么朝鮮和其他國家進(jìn)行核試驗會引發(fā)國際社會的強(qiáng)烈反響。廣島和長崎的核爆炸可能已經(jīng)過去了好幾十年，但是那個8月早上的恐怖景象仍深深的烙印在人類的腦海中。

原文：https://science.howstuffworks.com/nuclear-bomb.htm