聊粒子-原子弹和氢弹的制作

18 2月

上世纪40年代左右就是二战了,全世界打成一团。基础科研开始大规模投入应用,最典型的就是军工业。

自从发现了原子核具有天然放射性可以衰变后,物理学家们又发现了人工放射性,就是某元素本身不具备放射性,用粒子轰击它,看能不能轰出些什么。

但不论是天然放射性的衰变还是人工放射性的粒子轰击,前后核素的变化范围都不会很大。

例如铀238具有天然放射性,可以自发衰变成钍234+一个α粒子,α粒子就是氦核有4个原子。从238变成234,变化不大。

用α粒子轰击其他元素,α粒子可能就会粘住,例如人工放射性,卢瑟福用一个α粒子(氦原子核)轰击氮原子会变成一个氧原子+氕(氢的同位素)。从14变成17,变化也不大。

等中子被发现后,物理学家就开始用中子去轰击别的元素。

1938年哈恩(1879-1968)发现用中子轰击铀235,这回核素可不是小范围波动了,会生成两个元素钡和氪,和3个中子,并释放大量能量。这就不是衰变了,就是核裂变

核裂变形象点说就是原子核被轰击炸开了,哈恩因此获得了1944年诺贝尔化学奖

发现核裂变现象,加上轴心国当时占领了捷克斯洛伐克全世界最大的铀矿,德国立马成立了铀俱乐部,开始研究原子弹的可行性。

领头人就是哈恩,还有量子力学大佬海森堡(1932年诺奖得主),盖革(发明盖革计数器),劳厄(1914年诺奖得主),瓦尔特.博特(1954年诺奖得主)等。

另一边美国也制定了曼哈顿计划,参与的有奥本海默,量子力学大佬玻尔(1922年诺奖得主),费米(1938年诺奖得主),查德威克(1935年诺奖得主),塞格雷(1959年诺奖得主),劳伦斯(1939年诺奖得主)等。

爱因斯坦虽然没有参与曼哈顿计划,但他给美国总统罗斯福写信,也是曼哈顿计划得以实施的关键。

不论是德国的铀俱乐部,还是美国的曼哈顿计划,两边都被后人称为诺奖集中营。也有人说二战是物理学家们之间的战争,虽然有点夸张,但也不是没有道理,如果轴心国先拥有了原子弹,什么斯大林格勒保卫战,莫斯科的严寒都是浮云。

最终美国的曼哈顿计划胜出,核裂变被发现的6年之后,原子弹就在日本广岛爆炸了。

原子弹

原子弹的原理其实并不复杂,三个关键词:核裂变,链式反应,临界质量。

核裂变形象点说就是原子核被轰击炸开了。一些非常重的原子,常是元素周期表靠后的元素,例如铀,钚等,铀原子里面有92个质子,和100多个中子。

这些重原子在中子轰击下会炸开成两个更轻的原子,如碘、铯、锶,和一堆中子。但这两个更轻的原子和一堆中子加起来都没有重原子重。因为过程中会损失质量,这些亏损的质量,根据爱因斯坦的质能方程会产生巨大的能量,释放出光和热。

链式反应就是要让核裂变中产生的这一堆新的中子,继续撞击其他铀原子产生裂变。就像多米诺骨牌,每个铀原子的裂变都会产生新的中子,继续轰击其他的铀原子。

链式反应将一公斤的铀原子全反应掉,产生的热量能将2亿吨的水烧开。

临界质量就是一堆铀原子的最小总数,如果铀原子太少,裂变产生的新中子可能会撞击不到其他铀原子。

例如一个铀原子裂变产生10个中子,这10个中子一个都没有撞击到下一个铀原子,多米诺骨牌就断了,链式反应就中断了。所以要保证铀的数量足够多,保证铀原子裂变产生的10个中子,至少有一个能撞击到下一个铀原子。

当你的铀超过临界质量,只要用一个中子轰击一下,整个核反应就像多米诺骨牌一样统统推倒,造成原子弹爆炸的威力。

原子弹的工程构造有枪靶式环式

广岛原子弹“小男孩”,就是枪靶式,用两块都比临界质量小的铀235(必须都比临界质量小,否则就不稳定了),中间放炸药。引爆炸药,产生高温高压,将这两块铀235合并成一块大于临界质量的铀235,就能产生爆炸。

抢把式的缺点是威力不大,因为一共两块铀,且都比临界质量小,加起来最多也只能接近两倍临界质量,所以威力有上限。

美国在长崎扔的第二颗原子弹“胖子”,用的是环式,将N块都比临界质量小的钚239堆围成一个圆(曼哈顿计划里发现不仅铀235,钚239也可以核裂变),通过炸药引爆,将它们往圆心中间挤,合并成一块大于临界质量的钚239,产生爆炸。

虽然原子弹的制造原理非常简单粗暴,但实际因为铀矿里含铀量非常小,提纯是非常困难的。所以除非国家机器,否则个人或机构是造不了原子弹的。

氢弹

氢弹的原理靠核聚变,就是核裂变的逆过程。

原子弹的核裂变是中子轰击在元素周期表里靠后的重的原子,轰出两个轻的原子和一堆中子,且反应前后有质量亏损,这部分质量转化成能量,释放出光和热。

核聚变的过程完全相反,是两个轻的原子(如氢的同位素,氕,氘)在高温高压下发生碰撞变成一个重的原子(如氦)并释放中子。过程中也有质量亏损,放出光和热。

条件就是高温高压。温度是微观物体的运动速度取的宏观平均值,温度越高粒子的运动速度越快。

原子核靠强力将质子和中子捆绑在一起,但强力是短程力,力气虽大,力距却非常短。

高压让粒子尽可能聚拢,增加碰撞的几率。高温使得粒子高速碰撞,让原子核冲破外面的电子保护层,两个原子核互相摸到对方,一旦摸到,强力就能让两个原子核合并成一个。

要使得核聚变能发生,温度需要高达4千万度。所以氢弹的核心是如何产生4千万度的高温让原子核发生聚变?在氢弹里放一颗原子弹!因为原子弹爆炸时中心温度瞬间能高达1亿度。

相比原子弹,氢弹的优势在于材料易得,爆炸威力大,更环保。

核裂变的铀在自然界很难获得,但聚变的材料到处都是,海水中就有大量的氕,氘,用海水就行。聚变的材料是取之不尽,用之不竭的 。

原子弹有临界质量,所以爆炸当量无法做的非常大,但氢弹就没这个问题了,海水越多,爆炸的威力就线性增长。前苏联的一颗名叫“第三皇帝”的氢弹,号称可以把地球炸飞一半。

原子弹和氢弹都很不环保,因为裂变和聚变都会发出中子,辐射很厉害。但是聚变反应分很多种,最完美的聚变反应,是由两个氦3(氦原子有两个质子两个中子,氦的同位素氦3拥有两个质子和三个中子)发生聚变,成为两个氢元素,但不产生中子,纯天然环保。

问题是氦3在自然界非常少,整个地球上氦3加起来也没多少。但在月亮上氦3非常多,经计算月亮上的氦3拿来做聚变材料,可供全球人类使用1万年。

2009年科幻电影《月球》,男主在月球上的工作就是采集氦3。

2014年10月,我国嫦娥五号已经从月球运载回来带氦3的月球土壤,这方面我国是领先全球的。

世界能源工业中有个很重要的方向就是可控核聚变,就是让这个爆炸不要一下子全部爆开,而是缓慢地放出来,释放的能量用来发电。目前看是很困难的,如果能突破这个问题,人类就等于能制造一个小太阳,太阳就是不断发生核聚变释放出光和热。

评论(1)

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注