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通俗易懂的解釋下原子彈和氫彈的原理,識字就能看懂!

5月
04
2019

2019年5月04日03時 星辰大海的種花家

星辰大海的種花家

原子彈的原理是什麼?能通俗地解釋一下麼?

原子彈的另一個名稱是裂變彈,和聚變彈(氫彈)一起統稱為核武器!儘管核武器將兩者統一在了一起,但裂變彈的原理和聚變彈是完全不一樣的,甚至完全相反,但事實上兩者卻還得攜手合作完成終極能量爆發過程!

一、裂變彈的原理

顧名思義,裂變彈就是利用重元素的裂變釋放能量的一種武器,一般利用的裂變材料有鈾235或者鈽239!其原理(以鈾235為例)是熱中子在撞擊鈾235原子核以後分裂成鋇144和氪89,並釋放出0.86 MeV的能量,另外還將釋放出2-3個中子!

而釋放出的2-3個中子又將撞擊其他鈾原子核,這些有原子核將繼續分裂並釋放出更多的中子,如此循環形成鏈式反應!那為什麼會裂變呢?是不是其他元素在遭受熱中子撞擊後也會裂變?要了解這個過程我們必須來了解下原子核,原子核是由質子和中子組成的,如下圖:

1.為什麼會裂變

質子數的區別決定了元素的種類,而中子數則決定元素的同位素!從1號氫元素開始到118號人造元素og為止,每一個質子數都代表一種元素,比較容易實現聚變的氫元素開始到鐵元素為止,原子核之間的結合能是增加的,元素逐漸穩定,當過了鐵元素之後的重元素,原子核的不穩定性逐漸增加,因為組成原子的質子和中子之間是有四種作用力中最強的強作用力聚合在一起的,但它的作用距離有限,在更多的質子聚合在一起的時候將會受到質子之間電磁斥力(質子帶正電),質子越多則越不穩定,一直到能夠衰變的放射性元素!比如118號元素,存在時間只有0.9毫秒即衰變成116號元素,隨後則衰變成114號元素,再是112號元素,最後是56號元素鋇!

2.臨界質量

了解了為什麼會裂變之後,我們必須要了解一個臨界質量的概念!對於中子來說,原子核之內的空間猶如一個高爾夫球面對整個體育場,因此要讓熱中子在創出這塊裂變材料之前儘可能撞到別的原子核,那麼需要足夠大的質量!而這個質量就是核材料的臨界質量!

鈽—239的臨界質量為5千克;

鈾—235的臨界質量為15千克;

請注意,以上臨界質量需要鈾—238作為中子反射材料!

即使如此,在原子彈內的核材料被炸散之前參與裂變的比例仍然很低,比如廣島原子彈的核裝藥大約是64千克鈾235,但只有不到1千克的核材料參與了裂變,最終產生的質量虧損約1克不到,但其釋放的能量約相當於2萬噸TNT,當然有興趣的各位也可以根據質量虧損約0.0945%以及愛因斯坦的質能公式計算下具體的當量!

二、聚變彈的原理

其實相對於裂變彈,聚變彈的原理更簡單一些!即輕核原子核聚變成重核原子核,並釋放出巨大能量!

說起來容易做起來難,要讓原子核撞擊到一起聚變需要極高的能量,因為第一原子核周圍存在電子,比如要在高溫下使其核外電子脫離原子核的束縛而讓原子核有機會碰撞,但並非核外電子游離即可,而是需要極高的能量讓原子核高速運動,才有更多的機會撞擊到一起形成新的元素,而這個溫度簡直就是變態!比如在無壓力的條件下,氚氘原子核需要大約1億度的溫度才能實現聚變!(太陽核心大約是1500萬攝氏度以及2500億個大氣壓)

當然這並沒有難倒我們的科學家,因為原子彈爆炸的即形成超高溫與超高壓條件,只要將原子彈的高溫高壓在聚變裝藥的周圍保持足夠的時間,那麼中心的聚變裝藥(一般是氘氘化鋰6氚氚化鋰6)素就有有機會大量聚變!而這個聚焦結構設計這是絕密,全世界真正突破的國家就兩個,一個是美國,用大量實驗得到的結果!另一個就是中國,是于敏老爺子拿這筆桿子計算出來的!因此真正算得上大神的唯有于敏老爺子!

前文說了在原子彈裝藥被炸散前儘量讓更多的裂變元素參與聚變,並且不能讓裝藥的裂變材料超過臨界質量,因為在臨界質量以上的話衰變產生的中子即可鏈式反應,這將導致意外的不可控狀態!多個條件將導致原子彈的威力不能無限制增加(一般都不超過幾十萬噸),因為大部分都是浪費的!但氫彈則沒有這個問題,可以通過優化設計而達到令人難以想像的程度,比如全世界最大威力的氫彈-前蘇聯製造的沙皇炸彈,原本威力是一億噸,但後因測試地條件限制減配為5000萬噸,實測威力5800萬噸,爆炸測試點是北極圈內的新地島!

沙皇炸彈總共製造了兩枚,這是另一枚!

無論是什麼原理或者是多大威力,我們並不希望有第三枚原子彈或者氫彈被實彈應用,核武器或者熱核武器對於人類來說,那都是毀滅性的,希望未來不會有熱核戰爭!


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