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原子彈

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人類歷史上首次核爆,「三位一體核試驗」的場面
槍式原子彈起爆瞬間過程

原子彈又稱裂變彈英語Atomic bomb[1],是一種利用原理製成的核武器。由美國最先研製成功,具有極強的破壞力與殺傷力,在爆炸的同時會放出強烈的核輻射,危害生物和非生物組織。

原子彈原理及其結構[編輯]

原子彈爆炸原理[編輯]

235U 原子核的一種裂變過程

原子彈是利用等較容易裂變的重原子核核分裂瞬間可以發出巨大能量的原理而發生爆炸的[1]

鈾-235鈈-239此類重原子核在中子的轟擊後,通常會分裂變成兩個中等質量的核[1],同時再放出2到3個中子和200兆電子伏的能量[1]。在裂變中放出的中子,一些在裂變系統中損耗了,而一些則繼續進行重核分裂(繼續轟擊重原子核)反應[1]。只要在每一次的核分裂中所裂變出的中子數平均多餘一個(即中子的增值係數大於1),那麼核分裂即可以繼續進行,一次一次的反應後,裂變出的中子總數以指數形式增長[1],而產生的能量也隨之劇增。如果不加控制,最終,這個裂變系統會變為一個劇烈的鏈式裂變反應[1]

在此類重核分裂反應中,系統可以在極短的時間內釋放出大量的能量[2]。當「下一代」中子數定位兩個時,在不到一微秒的時間內,一千克的鈾或鈈中會有2.5\times 1024個原子核發生裂變反應[1],而就在這不到一微秒的時間內,此反應所產生出能量相當於2萬噸TNT當量[1]。這也是原子彈那極具破壞性威力的來源。

而在原子彈的實際使用及爆炸中,需要提高爆炸的威力,為了利用「快中子裂變體系」,需要使用高濃度的裂變物質作為裝藥[3],同時裝藥量必須遠遠超過臨界質量,使得中子的增值係數遠遠大於一[3]

原子彈結構及其裝藥[編輯]

原子彈是由引爆控制系統,高能炸藥,反射層,含有核裝料的核部件,中子源及彈殼所組成[3]

高能炸藥[編輯]

高能炸藥是推動和壓縮反射層以及核裝料的能量來源[3]

反射層[編輯]

反射層一般由鈹或鈾-238組成,其作用為反射鏈式反應中射出反應系統的中子,使其回到反應過程中繼續參與鏈式反應[3]

鈾-238不止可以反射中子,因為其密度較大,可以減緩核裝料在釋放能量過程中的膨脹,使得鏈式反應可以維持較長時間[3]

核裝料[編輯]

現在,能夠大量得到且可以使用於原子彈的裝藥有鈾-233鈾-235鈈-239鈾235裡面有鈈239,釷232裡面有鈾233[3]

核裝藥為原子彈引爆的主體,只要其的體積或質量超過一定的臨界值,原子彈就會發生爆炸[3]

原子彈類型[編輯]

根據原子彈的引發機制的不同,原子彈可分為「槍式」和「收聚式(內爆式)」兩種[4]。現代原子彈通常綜合了這兩種結構的特點,以提高核裝藥的利用率和增強破壞力。

原子彈的兩種引發裝置

槍式原子彈[編輯]

槍式原子彈內,兩塊皆小於臨界體積的半球形的裂物質分開一定距離放置[4],中子源置於兩瓣裂物質中間[4]。在核裝藥的球面上包裹了一層反射中子的材料(反射中子,提高鏈式反應效率),而中子反射層外是高速炸藥、傳爆藥以及雷管[4]。雷管再與起爆器相連,起爆器能夠自動的起爆炸藥[4]

在起爆原子彈時,兩塊半球形裂變物質在炸藥的轟擊下迅速壓縮為一個扁球形,即刻即達到超臨界狀態[4]。中子源此時釋放出大量的中子參與到鏈式反應中,使得裂變物質在極短的時間內釋放出巨大的能量,最終使得原子彈起爆[4]

收聚式原子彈[編輯]

收聚式原子彈與槍式原子彈不同,普通的烈性炸藥被製成球形裝置,並且把多個小於臨界體積的核裝藥製成小球置於炸藥球當中[4]

炸藥起爆時,核裝藥小球被迅速壓緊超過臨界體積並起爆原子彈[4]。收聚式原子彈的結構較為複雜,但是裝藥利用率高,破壞性大[4]

原子彈的破壞效應[編輯]

原子彈的破壞力和殺傷破壞方式主要有光輻射、衝擊波、早期核輻射、電磁脈衝及放射性沾染等[4]

光輻射[編輯]

在原子彈引爆後,核爆過程會釋放出強烈的輻射光。1枚當量在2萬噸左右的原子彈在當空爆炸後,距離爆炸核心7000米的地方人會受到比陽光強13倍的光輻射的照射[4]。而在2800米範圍內,光輻射會使人迅速致盲,且皮膚會因為光輻射照射而大面積灼傷潰爛,一些物體也會燃燒[4]

衝擊波[編輯]

原子彈爆炸後,核爆會產生出一種巨大的氣流超壓[4]。一枚三萬噸當量的原子彈爆炸後,在離爆炸核心800米處,衝擊波會以200米每秒的速度席捲一切[4]

早期核輻射[編輯]

在原子彈最初起爆的幾十秒中內,核爆會釋放出中子流和γ射線[4]。一枚兩萬噸當量的原子彈爆炸時,離它1100米以內的人員單位會受到射線和中子流的極度殺傷[4]

電磁脈衝[編輯]

原子彈爆炸所造成的核爆會製造出電磁脈衝,而電磁脈衝的電場強度可達1萬至10萬伏,完全可以摧毀起爆點周圍的一切電子設備[4]

放射性沾染[編輯]

在原子彈爆炸後,隨着蘑菇雲的飄散會有大量的放射性粉塵飄落到地面,會對人體造成照射或皮膚灼傷,嚴重者最終導致死亡[4]

原子彈歷史[編輯]

早在1938年年底,納粹德國科學家奧托·漢因弗里茨·施特拉斯曼發現了核分裂現象,此現象也被刊登於科學雜誌上。至1939年9月,科學界普遍同意製成原子彈的可能性,唯技術細節尚未明朗[5]。除了德國外,當時研究原子彈的國家另有法國美國蘇聯英國日本

軸心國[編輯]

參見:德國核武器開發計劃日本核研究

納粹德國的一座實驗用反應爐

德國因為漢堡大學的教授向德國軍方進言的要求而研發核武器。1939年9月26日,德國軍備規劃局制定了鈾規劃,並着手開始進行對核武器的研製[6],以維爾納·海森堡為首組成特別小組[5]。接着在1940年於德國佔領的挪威設立由法本公司管理的重水製造廠以大量生產重水來製造,也研究著如何分離鈾-235。1941年尾,由於德國進攻蘇聯的作戰沒有達到期望的結果,戰爭轉為長期,絕大多數的資源被移到急需的坦克飛機上,並得到了「3年內無法將原子彈實用化」的結論[5]。1942年初,德國取消了研究計劃,雖然研究小組仍持續在工作並建造了數座小型實驗用核反應爐,但納粹德國的核武研究計劃就停留於理論上,已無有系統的生產計劃。雖然後來生產鈈的挪威工廠被英國突擊隊摧毀,但實質上對德國核武開發沒有決定性影響[5]

與此同時,日本也正籌劃他們的核武器研製計劃。1941年5月,日本陸軍大臣東條英機批准了空軍科技署的「製造鈾彈報告」,近百名科學家在仁科芳雄的帶領下開始執行「仁方案」[6]。而此時,日本的核計劃卻遇到阻力。由於國內缺乏可供研究的「鈾」,且由於各大研究所並未合作而使得資源分散、進度緩慢。日本的核計劃在1943年初就宣告終止,原因是日本估計即使是進行單一的鈾分離工程也必須消耗全國10%的電力、半年的銅產量和十年的時間完成其必要設施,代價過於龐大[5]。但研究人員仍持續在工作,納粹德國雖然有派遣潛艇向日本運送多達一噸的鈾礦,但是其於馬六甲被美艦擊沉,之後也因為盟軍越來越頻繁的轟炸研究工作一直受阻,日本的核武發展直到戰爭結束都未脫離理論階段。

同盟國[編輯]

由於納粹德國對德國本土的猶太人的迫害,使得許多猶太人科學家逃到美國避難,在當中,很多人提醒美國當局,德國人正在製造一種「超級武器」[7]

1939年,匈牙利科學家格拉德擔心德國製造出核武器,希望美國政府能夠先行研製出,但是當他找到一些官員時,他們認為只是天方夜譚,最終,他只得找到愛因斯坦[8]

1939年8月2日,在愛因斯坦與其他幾名科學家一同致信美國總統羅斯福,建議美國政府務必在納粹德國前研製出核武器[9]。羅斯福並沒有對此表示重視,而負責轉交信件的羅斯福的科學顧問亞歷山大·薩克斯擔負起了說服羅斯福的責任,他引用了一個著名的例子:當年拿破崙沒有採取富爾頓蒸汽船的建議,使其沒有建立起強大的海軍,最終不敵英國海軍。羅斯福被薩克斯說服,決定研製核武器[7]

1939年10月19日,羅斯福正式簽署了研製原子彈的文件,兩日後,美國成立了「研究原子武器的委員會」,代號為S-11[10]

1941年12月7日,日本轟炸的美國海軍軍港「珍珠港」,這使得美國政府更加下定決心加速執行他們的「核計劃」。1942年6月,美國原子彈研製計劃正式開始,由於總部設在美國紐約曼哈頓區,所以此項計劃又被稱為「曼哈頓計劃」[7]。同月,美國總統羅斯福與英國首相丘吉爾華盛頓會晤,兩國決定聯合研製原子彈,即把英國原有的「合金管」計劃融入到「曼哈頓計劃」中[7]。而此前逃亡到英國的一些法國科學家此時也加入到原子彈研究中[7]

新墨西哥州的蘑菇雲[編輯]

1942年,洛斯阿拉莫斯實驗室新墨西哥州一望無際的沙漠上建立了起來[7]

1945年7月初,美國終於研製出了三枚原子彈,他們立即準備着手實驗[7]。當得知要進行原子彈實驗時,美國總統杜魯門推遲了波茨坦會議時間,因為其希望該武器能夠在波茨坦會議期間爆炸,以提高美國的國際地位[7]

7月15日,杜魯門到達波茨坦。7月16日5時29分45秒,人類歷史上的首枚原子彈在阿拉莫戈多沙漠上爆炸。實驗極其成功[7]

從廣島到長崎[編輯]

長崎爆炸騰起的蘑菇雲

在1943年後,美軍在太平洋戰場上損失慘重,硫磺島戰役沖繩島戰役使得美軍傷亡巨大,經過這幾場戰爭的傷亡比率推算,美軍需要犧牲掉100萬陸戰隊員的生命才能奪下日本本土,所以在得知原子彈成功爆炸後,軍方極力要求對日本人使用這種新式武器[7]

但是此時許多科學家卻開始反對美國使用原子彈,奧本海默認為日本的失敗已是必然,沒有必要使用原子彈。一些物理學家也聯名致信要求美國不要使用原子彈[7]

但是美國堅持使用原子彈,除了希望能夠儘快解決太平洋戰爭以外,也希望削弱蘇軍對日作戰的意義[7]

1945年7月30日,美英中三國在波茨坦向日本發出最後通牒,威脅說日本如果不立即投降,「日本即將迅速完全毀滅」[11]。日本於同日拒絕接受波茨坦公告。波茨坦公告後,杜魯門在回國途中向軍方下達命令:「去投擲那顆大炸彈吧,現在沒有任何選擇的餘地了。」[7]

美國投向廣島和長崎的兩顆原子彈都是從提尼安島裝載起飛的。現在島上留有當時安放原子彈的鐵架等遺迹。

1945年8月6日早上8點15分,艾諾拉·蓋號在廣島上空投下人類歷史上第一枚用於戰爭的槍式原子彈(小男孩原子彈),造成廣島十萬多居民死亡。

1945年8月9日,B-29轟炸機大貨櫃在長崎上空投下收聚式原子彈胖子原子彈,導致長崎市近四萬人直接死亡[12],總計十四萬人員死傷[7]

1945年8月15日日本標準時間中午12點,裕仁天皇宣布日本投降,第二次世界大戰結束。

二次世界大戰之後[編輯]

軍事博物館內的中國第一顆原子彈的模型

蘇聯得知美國成功研製原子彈後,根據諜報立即展開製造原子彈的緊急計劃,並於1949年試爆第一枚原子彈。英國在參考曼哈頓計劃的情況下,於1952年試爆了自己的原子彈。1960年,法國試爆原子彈成功。

中國在原子彈製造初期獲得少量蘇聯援助,後來在旅美歸來的鄧稼先帶領下,於1959年6月開始研製核武器,1962年成功,於1964年引爆了自己的原子彈。1974年,印度引爆了自己的原子彈,而巴基斯坦也於1997年試爆了自己的核武器。朝鮮則於2006年,2009年,2013年進行了三次核試驗。

參見[編輯]

參考資料[編輯]