原子弹的原理是什么?你能用简单的英语解释它吗?
原子弹的另一个名字是裂变弹,和聚变弹(氢弹)一起统称为核武器!虽然核武器统一了两者,裂变弹和聚变弹的原理完全不同,甚至完全相反,但实际上它们要共同完成终极的能量爆炸过程!
一、裂变弹的原理
顾名思义,裂变弹是利用重元素裂变释放能量的武器。一般使用的裂变材料是铀235或者钚239!它的原理(以U-235为例)是热中子撞击U-235的原子核后分裂成Ba-144和氪-89,释放0.86 MeV的能量,此外还会释放2-3个中子!
释放的2-3个中子会撞击其他铀核,铀核会继续分裂,释放出更多的中子,从而形成连锁反应!为什么会分裂?其他元素被热中子击中后也裂变吗?为了理解这个过程,我们必须了解原子核,它是由质子和中子组成的,如下图所示:
1.为什么会裂变
质子数的不同决定了元素的种类,而中子数决定了元素的同位素!从1号氢元素到118号人造元素og,每一个质子数都代表一种元素。容易实现聚变的氢元素从铁元素开始,核间结合能增加,元素逐渐稳定。当铁元素之后的重元素经过时,原子核的不稳定性逐渐增加,因为组成原子的质子和中子被四种力中最强的一种聚集在一起,但其作用距离有限。当更多的质子聚集在一起时,会受到电磁力的排斥(质子带正电)。质子越多越不稳定,直到达到可以衰变的放射性元素!比如只存在0.9毫秒的118号元素,衰变成116号元素,再衰变成114号元素,然后是112号元素,最后是钡56号元素!
2.临界质量
了解了为什么会发生裂变,就要了解临界质量这个概念!对于中子来说,原子核内部的空间就像一个高尔夫球面对着整个球场。所以,要让热中子在创造出这种裂变物质之前,尽可能多的撞击其他原子核,就需要有足够的质量!而这种品质就是核材料的临界品质!
钚―239的临界质量为5千克;
铀―235的临界质量为15千克;
请注意,上述临界质量需要铀-238作为中子反射材料!
即便如此,原子弹爆炸前参与裂变的核材料比例仍然很低。比如广岛原子弹的核装药量约为64kg的U-235,但只有不到1kg的核材料参与裂变,产生不到1g的质量缺陷,但释放的能量约为2万吨TNT。当然,有兴趣的人可以根据质量亏损的0.0945%左右和爱因斯坦质能公式计算出具体的当量!
二、聚变弹的原理
其实相比裂变弹,聚变弹原理更简单!也就是轻原子核汇聚成重原子核,释放出巨大的能量!
说起来容易做起来难。让原子核碰撞融合在一起需要极高的能量,因为第一个原子核周围有电子。比如在高温下,要让核外电子摆脱原子核的束缚,这样原子核才有机会碰撞。但是,并不是说核外电子是自由的,而是需要极高的能量才能使原子核高速运动,从而有更多的机会碰撞形成新元素。而且这个温度简直不正常!比如在没有压力的情况下,氚和氘原子核需要一亿度左右的温度才能实现聚变!(太阳的核心大约有1500万摄氏度和2500亿个大气压)
当然,这并没有难倒我们的科学家,因为原子弹爆炸,就是超高温超高压条件形成的。只要把原子弹的高温高压保持在聚能装药周围足够长的时间,那么中央的聚能装药(一般是氘化锂6氚化锂6)就有机会大量聚变!而这个对焦结构设计是绝密的。世界上真正有突破的国家只有两个,一个是美国,这是大量实验的结果!别的
个就是中国,是于敏老爷子拿这笔杆子计算出来的!因此真正算得上大神的唯有于敏老爷子!前文说了在原子弹装药被炸散前尽量让更多的裂变元素参与聚变,并且不能让装药的裂变材料超过临界质量,因为在临界质量以上的话衰变产生的中子即可链式反应,这将导致意外的不可控状态!多个条件将导致原子弹的威力不能无限制增加(一般都不超过几十万吨),因为大部分都是浪费的!但氢弹则没有这个问题,可以通过优化设计而达到令人难以想象的程度,比如全世界最大威力的氢弹-前苏联制造的沙皇炸弹,原本威力是一亿吨,但后因测试地条件限制减配为5000万吨,实测威力5800万吨,爆炸测试点是北极圈内的新地岛!
沙皇炸弹总共制造了两枚,这是另一枚!
无论是什么原理或者是多大威力,我们并不希望有第三枚原子弹或者氢弹被实弹应用,核武器或者热核武器对于人类来说,那都是毁灭性的,希望未来不会有热核战争!