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原子弹

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人类历史上首次核爆,“三位一体核试验”的场面
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核武器
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原子弹又称裂变弹英语:Atomic bomb[1],是一种利用原理制成的核武器。由美国最先研制成功,具有极强的破坏力,在爆炸的同时会放出强烈的核辐射,危害生物和非生物组织。第一个裂变(原子弹)试爆释放出的能量为约20,000吨TNT(见三位一体核试爆)的相同的当量。第一个热核(氢弹)试爆释放相同的能量为10,000,000吨TNT的当量。

原子弹原理及其结构[编辑]

原子弹爆炸原理[编辑]

235U 原子核的一种裂变过程

原子弹是利用等较容易裂变的重原子核核裂变瞬间可以发出巨大能量的原理而发生爆炸的[1]

铀-235钚-239此类重原子核在中子的轰击后,通常会分裂变成两个中等质量的核[1],同时再放出2到3个中子和200兆电子伏的能量[1]。在裂变中放出的中子,一些在裂变系统中损耗了,而一些则继续进行重核裂变(继续轰击重原子核)反应[1]。只要在每一次的核裂变中所裂变出的中子数平均多余一个(即中子的增值系数大于1),那么核裂变即可以继续进行,一次一次的反应后,裂变出的中子总数以指数形式增长[1],而产生的能量也随之剧增。如果不加控制,最终,这个裂变系统会变为一个剧烈的链式裂变反应[1]

在此类重核裂变反应中,系统可以在极短的时间内释放出大量的能量[2]。当“下一代”中子数定位两个时,在不到一微秒的时间内,一千克的铀或鈈中会有24个原子核发生裂变反应[1],而就在这不到一微秒的时间内,此反应所产生出能量相当于2万吨TNT当量[1]。这也是原子弹那极具破坏性威力的来源。

而在原子弹的实际使用及爆炸中,需要提高爆炸的威力,为了利用“快中子裂变体系”,需要使用高浓度的裂变物质作为装药[3],同时装药量必须远远超过临界质量,使得中子的增值系数远远大于一[3]

原子弹结构及其装药[编辑]

原子弹是由引爆控制系统,高能炸药,反射层,含有核装料的核部件,中子源及弹壳所组成[3]

高能炸药[编辑]

高能炸药是推动和压缩反射层以及核装料的能量来源[3]

反射层[编辑]

反射层一般由铍或铀-238组成,其作用为反射链式反应中射出反应系统的中子,使其回到反应过程中继续参与链式反应[3]

铀-238不止可以反射中子,因为其密度较大,可以减缓核装料在释放能量过程中的膨胀,使得链式反应可以维持较长时间[3]

核装料[编辑]

现在,能够大量得到且可以使用于原子弹的装药有铀-233铀-235鈈-239铀235里面有钚239,钍232里面有铀233[3]

核装药为原子弹引爆的主体,只要其的体积或质量超过一定的临界值,原子弹就会发生爆炸[3]

原子弹类型[编辑]

根据原子弹的引发机制的不同,原子弹可分为“枪式”和“收聚式(内爆式)”两种[4]。现代原子弹通常综合了这两种结构的特点,以提高核装药的利用率和增强破坏力。

原子弹的两种引发装置

枪式原子弹[编辑]

枪式原子弹内,两块皆小于临界体积的半球形的裂物质分开一定距离放置[4],中子源置于两瓣裂物质中间[4]。在核装药的球面上包裹了一层反射中子的材料(反射中子,提高链式反应效率),而中子反射层外是高速炸药、传爆药以及雷管[4]。雷管再与起爆器相连,起爆器能够自动的起爆炸药[4]

在起爆原子弹时,两块半球形裂变物质在炸药的轰击下迅速压缩为一个扁球形,即刻即达到超临界状态[4]。中子源此时释放出大量的中子参与到链式反应中,使得裂变物质在极短的时间内释放出巨大的能量,最终使得原子弹起爆[4]

收聚式原子弹[编辑]

收聚式原子弹与枪式原子弹不同,普通的烈性炸药被制成球形装置,并且把多个小于临界体积的核装药制成小球置于炸药球当中[4]

炸药起爆时,核装药小球被迅速压紧超过临界体积并起爆原子弹[4],收聚式原子弹的结构较为复杂,但是装药利用率高,破坏性大[4]

原子弹的破坏效应[编辑]

原子弹的破坏力和杀伤破坏方式主要有光辐射、冲击波、早期核辐射、电磁脉冲及放射性沾染等[4]

光辐射[编辑]

在原子弹引爆后,核爆过程会释放出强烈的辐射光。1枚当量在2万吨左右的原子弹在当空爆炸后,距离爆炸核心7000米的地方人会受到比阳光强13倍的光辐射的照射[4]。而在2800米范围内,光辐射会使人迅速致盲,且皮肤会因为光辐射照射而大面积灼伤溃烂,一些物体也会燃烧[4]

冲击波[编辑]

原子弹爆炸后,核爆会产生出一种巨大的气流超压[4]。一枚三万吨当量的原子弹爆炸后,在离爆炸核心800米处,冲击波会以200米每秒的速度席卷一切[4]

早期核辐射[编辑]

在原子弹最初起爆的几十秒中内,核爆会释放出中子流和γ射线[4]。一枚两万吨当量的原子弹爆炸时,离它1100米以内的人员单位会受到射线和中子流的极度杀伤[4]

电磁脉冲[编辑]

原子弹爆炸所造成的核爆会制造出电磁脉冲,而电磁脉冲的电场强度可达1万至10万伏,完全可以摧毁起爆点周围的一切电子设备[4]

放射性沾染[编辑]

在原子弹爆炸后,随着蕈狀雲的飘散会有大量的放射性粉尘飘落到地面,会对人体造成照射或皮肤灼伤,严重者最终导致死亡[4]

原子弹历史[编辑]

早在1938年年底,纳粹德国科学家奥托·汉因弗里茨·施特拉斯曼发现了核裂变现象,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[编辑]

参见:德国核武器开发计划日本核研究

納粹德國的一座實驗用反應爐

德國因為汉堡大学的教授向德国军方进言的要求而研发核武器。1939年9月26日,德国军备规划局制定了铀规划,并着手开始进行对核武器的研制[6],以维尔纳·海森堡為首組成特別小組[5]。接著在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,德國取消了研究計畫,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畫就停留於理論上,已無有系統的生產計畫。雖然後來生產鈽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]

与此同时,日本也正筹划他们的核武器研制计划。1941年5月,日本陆军大臣东条英机批准了空军科技署的“制造铀弹报告”,近百名科学家在仁科芳雄的带领下开始执行“仁方案”[6]。而此时,日本的核计划却遇到阻力。由于国内缺乏可供研究的“铀”,且由於各大研究所並未合作而使得資源分散、進度緩慢。日本的核计划在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,纳粹德国雖然有派遣潜艇向日本运送多达一吨的铀矿,但是其于马六甲被美舰击沉,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[编辑]

由于纳粹德国对德国本土的犹太人的迫害,使得许多犹太人科学家逃到美国避难,在当中,很多人提醒美国当局,德国人正在制造一种“超级武器”[7]

1939年,匈牙利科学家利奥·西拉德担心德国制造出核武器,希望美国政府能够先行研制出,但是当他找到一些官员时,他们认为只是天方夜谭,最终,他只得找到爱因斯坦[8]

1939年8月2日,在爱因斯坦与其他几名科学家一同致信美国总统罗斯福,建议美国政府务必在纳粹德国前研制出核武器[9]。罗斯福并没有对此表示重视,而负责转交信件的罗斯福的科学顾问亚历山大·萨克斯担负起了说服罗斯福的责任,他引用了一个著名的例子:当年拿破仑没有采取富尔顿蒸汽船的建议,使其没有建立起强大的海军,最终不敌英国海军。罗斯福被萨克斯说服,决定研制核武器[7]

1939年10月19日,罗斯福正式签署了研制原子弹的文件,两日后,美国成立了“研究原子武器的委员会”,代号为S-11[10]

1941年12月7日,日本轰炸的美国海军军港“珍珠港”,这使得美国政府更加下定决心加速执行他们的“核计划”。1942年6月,美国原子弹研制计划正式开始,由于总部设在美国纽约曼哈顿区,所以此项计划又被稱为“曼哈顿计划”[7]。同月,美国总统罗斯福与英国首相丘吉尔华盛顿会晤,两国决定联合研制原子弹,即把英国原有的“合金管”计划融入到“曼哈顿计划”中[7]。而此前逃亡到英国的一些法国科学家此时也加入到原子弹研究中[7]

新墨西哥州的蘑菇云[编辑]

1942年,洛斯阿拉莫斯实验室新墨西哥州一望无际的沙漠上建立了起来[7]

1945年7月初,美国终于研制出了三枚原子弹,他们立即准备着手实验[7]。当得知要进行原子弹实验时,美国总统杜鲁门推迟了波茨坦会议时间,因为其希望该武器能够在波茨坦会议期间爆炸,以提高美国的国际地位[7]

7月15日,杜鲁门到达波茨坦。7月16日5时29分45秒,人类历史上的首枚原子弹在阿拉莫戈多沙漠上爆炸。实验极其成功[7]

从广岛到长崎[编辑]

长崎爆炸腾起的蘑菇云

在1943年后,美军在太平洋战场上损失惨重,硫磺岛战役冲绳岛战役使得美军伤亡巨大,经过这几场战争的伤亡比率推算,美军需要牺牲掉100万陆战队员的生命才能夺下日本本土,所以在得知原子弹成功爆炸后,军方极力要求对日本人使用这种新式武器[7]

但是此时许多科学家却开始反对美国使用原子弹,奥本海默认为日本的失败已是必然,没有必要使用原子弹。一些物理学家也联名致信要求美国不要使用原子弹[7]

但是美国坚持使用原子弹,除了希望能够尽快解决太平洋战争以外,也希望削弱苏军对日作战的意义[7]

1945年7月30日,美英中三国在波茨坦向日本发出最后通牒,威胁说日本如果不立即投降,“日本即將迅速完全毀滅”[11]。日本于同日拒绝接受波茨坦公告。波茨坦公告后,杜鲁门在回国途中向军方下达命令:“去投掷那颗大炸弹吧,现在没有任何选择的余地了。”[7]

美国投向广岛和长崎的两颗原子弹都是从提尼安岛装载起飞的。现在岛上留有当时安放原子弹的铁架等遗迹。

1945年8月6日早上8點15分,艾诺拉·盖号在广岛上空投下人类历史上第一枚用于战争的槍式原子弹(小男孩原子弹),造成广岛十万多居民死亡。

1945年8月9日,B-29轰炸机大貨櫃在长崎上空投下收聚式原子彈胖子原子弹,导致长崎市近四万人直接死亡[12],总计十四万人员死伤[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,第二次世界大战结束。

二次世界大战之后[编辑]

军事博物馆内的中华人民共和国第一颗原子弹的模型

苏联得知美国成功研制原子弹后,根据谍报立即展开制造原子弹的紧急计划,并于1949年试爆第一枚原子弹。英国在参考曼哈顿计划的情况下,于1952年试爆了自己的原子弹。1960年,法国试爆原子弹成功。

中华人民共和国在原子弹制造初期获得少量苏联援助,后来在旅美归来的邓稼先带领下,于1959年6月开始研制核武器,1962年成功,于1964年引爆了自己的原子弹。1974年,印度引爆了自己的原子弹,而巴基斯坦也于1997年试爆了自己的核武器。至2017年为止,朝鲜则于2006年10月,2009年5月,2013年2月,2016年1月和9月共进行了五次核试验。媒体报道2017年4月15日朝鲜太阳节可能会进行第六次核爆试验。

参见[编辑]

参考资料[编辑]