原子弹为什么都在空中爆炸（原子弹是如何工作的）

前言：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）两个城市投下两颗原子弹。 原子弹共造成214,000人死亡，其中大部分是平民。

日本原子弹爆炸

二战结束时，美国是世界上唯一拥有核武器的超级大国。但这并没有持续多久，苏联在间谍的帮助下窃取美国核机密，在1949年成功地测试了他们自己的原子弹。随后，英国、法国、中国和以色列也在60年代后期都拥有核武器。

1991年，美国总统布什和戈尔巴乔夫签署了一项更重要的条约，START I，并同意大幅削减他们的武器库。1991年苏联解体后，美国布什和新俄罗斯联邦总统叶利钦于1992年签署了另一项条约，即 START II，进一步削减了弹头和导弹的数量。

但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其独裁者萨达姆，部分原因是担心他正试图发展核武器。事实证明，萨达姆已经放弃了核试验。1998年，巴基斯坦已测试了第一枚核武器。2009年，朝鲜成功地试验了一种威力堪比摧毁广岛原子弹的核武器。

2020年，俄罗斯与西方国家之间日益紧张的局势，引发了一场可怕的新核军备竞赛。

裂变炸弹设计

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。通过制造中子发生器引入中子。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。在这个生成器中发生如下反应：

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。

然后这些 α 粒子与铍9碰撞产生铍8和自由中子。

然后中子引发裂变。

最后，这种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

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裂变顺序：

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“小男孩”核弹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“胖子”炸弹就是所谓的内爆触发炸弹之一。

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（充当触发器）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%。反应流程如下：

1、炸药开火，产生了冲击波；

2、冲击波压缩了核心；

3、裂变反应开始了；

4、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。下面，我们来了解聚变炸弹的内部工作原理。

聚变炸弹

裂变炸弹虽然有效，但效率不高。很快，科学家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、热核弹或氢弹。

聚变炸弹比裂变炸弹具有更高的产量和更高的效率，但它也存在着一些必须解决的问题：

1、用于聚变的燃料氘和氚都是气体，难以储存；

2、氚供应短缺，半衰期短；

3、炸弹中的燃料必须不断补充；

4、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，聚变炸弹包含两级设计——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。炸弹的爆炸会导致一系列的反应：

裂变炸弹爆炸，释放出X射线。

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。

热量导致捣固剂膨胀并燃烧掉，向内对氘酸锂施加压力。

氘酸锂被挤压了大约三十倍。

压缩冲击波在钚棒中引发裂变。

裂变棒释放出辐射、热量和中子。

中子进入氘酸锂，与锂结合生成氚。

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。

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。

篡改和屏蔽件的裂变会产生更多的辐射和热量。

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”炸弹爆炸的威力大700倍。

核弹发射

制造核弹是一回事，将核弹投放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》杂志上撰文谈到了早期的武器：“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。”

将这些炸弹运送到最终目的地的方式几乎与它们的设计和建造一样多是即兴的。1945年7月28日，印第安纳波利斯号航空母舰将“小男孩”炸弹部件和浓缩铀燃料运送到太平洋天宁岛。由三架改装B-29携带“胖子”炸弹部件于1945年8月2日抵达。

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往天宁岛协助组装。“小男孩”炸弹重达9,700磅（4,400公斤），从头到尾长10英尺（3 米）——首先准备就绪。8月6 日，一名机组人员将“小男孩”炸弹装载到由 Paul Tibbets 上校驾驶的B-29飞机 Enola Gay 上。这架飞机完成了750英里（1,200公里）的日本之旅，并将炸弹投向广岛上空，并在上午 8点12分准确地引爆。

8月9日，重达11,000磅（5,000 公斤）的“胖子”炸弹在Bockscar 上进行了同样的旅程，Bockscar 是由查尔斯·斯威尼少校驾驶的第二架 B-29。中午时分，它的致命载荷在长崎上空爆炸。

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）在冷战期间也很流行。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。

核弹爆炸带来的后果和健康风险

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。破坏通常包含以下几个方面：

1、爆炸产生的强烈热浪；

2、爆炸产生的冲击波产生的压力；

3、辐射；

4、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。

这些物质会阻挡阳光，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”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打击目标。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。

这也是解释了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。

核弹头对未来世界带来的危险

2022年全球核弹头预估数量：美国5,428枚，英国225枚，俄罗斯5,977枚，法国290枚，以色列90枚，巴基斯坦165枚，印度160枚，中国350枚，朝鲜2枚。

自广岛和长崎遭受核袭击以来，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，拥有略多于5,400件武器，以及拥有近6,000 件武器的俄罗斯，尽管美国部署的战略武器数量1,644略多，与俄罗斯1,588相比。

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，美国弹道导弹越来越多地在其金属外壳的尖端包含复杂的电子传感器，这使它们能够在准确的时间在目标上引爆以造成最佳破坏量。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。

虽然此类武器可能会阻止对手采取可能引起核反应的侵略行动，但核战略专家也担心敌人可能会决定先发动攻击，以避免他们的武器被先发制人的打击摧毁的风险。

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