原子彈——最簡單的真簡單

朝鮮半島近來一直是個熱點，特別是在朝鮮於2016年1月6日宣布成功試驗了自己第一顆氫彈後，引發國際社會嘩然，危機持續加劇。

在熱議此事對國際社會、東北亞安全局勢影響的同時，不少機構、媒體也對這一聲明表示懷疑，認為那只是一次原子彈爆炸，而非氫彈，或者只是一顆助爆型原子彈。

那原子彈和氫彈之間到底有什麼差別？為什麼會有那樣的懷疑？要弄明白這問題，得先知道些原子彈、氫彈的基本原理和結構。咱們下面就稍微聊聊。

先附帶說明一下：核彈、核武器，這倆概念還是有區別的。核彈，也叫核戰鬥部、核彈頭，是指採用核裂變或核聚變原理放出能量的爆炸裝置。核武器，則是指配備核戰鬥部的武器系統，比如核導彈，除了核彈頭還有火箭發動機、彈體；核炮彈、核地雷，得有適合發射、掩埋的外殼，以及碰炸、壓發引信等。

先講最簡單的——核裂變原理，槍式原子彈。

原子彈是利用核裂變釋放能量。自然界中某些元素的原子核分裂成兩個小原子核後，它們的質量合計起來，要比分裂前的小。多餘的能量去哪了？根據愛因斯坦的質能方程，這些消失得質量變成了能量，而且非常大。

比如鈾235被一個中子撞擊後，會分裂為兩個小原子核，比如鋇和氪，或者氙和鍶、溴和鑭。同時放出2、3個多餘的中子。1千克鈾235全部裂變後放出的能量，接近2萬噸梯恩梯炸藥！如果用火車拉，足足需要340多節車廂，火車長達5.2千米！

比較常見的裂變原子有鈾、鈈、釷等。它們各自有多種同位素（原子核里質子一樣多，中子數卻不一樣），秉性也不盡相同。有的自己動不動就裂變，沒法控制，所以也不能用到原子彈上。現在原子彈常用的裂變元素是鈾235（質子中子一共235個）、鈈239。還有鈾238，經常作為核彈里的輔助材料。

不過原子彈光有核元素還不行，還要讓它們根據人們的控制，能夠持續進行裂變反應。比如鈾235被一個中子撞擊分裂後，會放出2、3個多餘的中子。如果這些中子撞擊到另外的原子核，引發一次，甚至更多次新的裂變，像鏈條一樣傳遞下去，就是鏈式反應。

可如果大多數中子還沒撞上原子核，就飛到外面了，裂變反應得規模就沒法變大，也就沒法形成核爆炸。

如果把這塊鈾材料加厚加大，裂變產生的新中子，就能在飛出去前，有足夠機會撞上原子核，結果一次裂變變成兩次，然後變成四次、八次……這就形成了核爆炸。一微秒內，這個數量就能超過2億億億次！基本上一千克鈾裡面的原子核都能被撞裂。

因此把核材料積累到一定數量，就能產生核爆炸，這個質量就叫做臨界質量。最簡單的原子彈，就是把兩塊都不夠臨界質量的核材料，猛地合到一起。

這叫做「槍式原子彈」，最簡單的原子彈。理論上來說，它只需要6個部件就夠了：2個分別為臨界質量一半重量的鈾235，1根鋼管，1塊炸藥，1個雷管引爆器，1個中子發生器。國際政治驚險小說大師，弗雷德里克·福賽思的暢銷小說《第四秘密議定書》，就是以此為背景創作的。

它的結構是真簡單。但它其實也有兩個致命缺點。第一，需要很多核材料。球形是最合理的，能以最小的體積讓中子最容易撞到原子核。一般來說，一個純鈾235球體的臨界質量約50千克（注意，是正常密度下），鈈239球為15～16千克。但這個量的核材料，需要龐大的核工業設施才能提煉製造出來。

第二是效率太低。你可以從上面的動畫看出，中子要飛行比較長的距離後，才能撞到原子核，產生下一次裂變，因此鏈式反應規模擴大的速度不算快。兩塊鈾還沒完全合攏前，距離接近到一定程度，自由釋放的一些中子就很容易引發鏈式反應、核爆炸。

所以這樣邊炸邊繼續裂變，還有提前爆炸，都會讓鏈式反應的效率比較低。很多核材料還沒來得及反應，就被爆炸炸飛了。槍式原子彈中核材料的利用率不到10%。

1945年8月6日美國投到廣島的原子彈，代號「小男孩」，就是一顆槍式鈾彈，威力近2萬噸梯恩梯當量。但它的核材料利用率不到2%。

核爆炸的臨界質量和體積，進而是重量有關。顯然球形是最合理的，能以最小的體積讓中子最容易撞到原子核。一般來說，一個純鈾235球體的臨界質量約50千克，鈈239球為15~16千克。

除了體積，密度也是一個重要因素。俗話說，濃縮的才是精華，原子彈也一樣。咱們下次講。

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