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          較真物理學名詞:原子彈與原子無關,氫彈與氫關系不大

          返樸
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          溯源守拙·問學求新?!斗禈恪?,科學家領航的好科普。
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          在科學研究中,科學家每次發現新的自然現象或提出新的科學概念,都會創造專有名詞來命名。命名好了,復雜的現象、艱深的概念就會因名字直觀易懂而讓人銘記,或引人入勝,激起人們的好奇心和探索欲。如果命名不好,會讓人或產生誤解,或望文卻步。本系列文章即是對物理學中的一些重要名詞作一番簡要的咬文嚼字,細究其詞義,探討背后深刻的物理含義。

          ——作者

          本專欄已發表文章:

          1 較真物理學名詞:力與場的若干概念

          撰文 | 陳少豪(美國麻省理工學院)

          電影《奧本海默》的熱映,再次引起了公眾對原子彈的關注。奧本海默(Oppenheimer)作為曼哈頓計劃的領頭人,在人類歷史上第一顆原子彈的誕生過程中起到重要作用,被世人稱為“原子彈之父”。

          自從1905年愛因斯坦寫下質能方程,物理學家就知道,微小的原子核中蘊藏著巨大的能量。從科學概念的誕生到實際應用,其中需要克服無數工程技術上的難點。如果不是為了與納粹德國競爭,美國也不會發起曼哈頓計劃,以舉國之力制造原子彈。威力巨大的核武器自誕生之日起就徹底改變了人類歷史進程,給人類社會帶來了巨大沖擊和影響。

          在大眾媒體中,很多關于核武器的說法語焉不詳,一些常用的術語并不能完全準確地道出其背后真正的物理含義?,F今世界上的幾個核大國都將核武器技術視為最高國家機密,制造核武器的技術細節不便公諸于眾。這也是有些核武器術語顯得含糊其辭的原因之一。盡管核武器技術細節是國家機密,但其基本物理原理是完全公開的。在學術界,與核武器相關的物理原理沒什么秘密可言。本文將從物理原理出發,分析一些與核武器相關的名詞術語,細究其背后的物理內容。

          原子彈與原子無關

          提起核武器,公眾最耳熟能詳的莫過于原子彈(Atomic Bomb)。當代社會中幾乎每個人都至少聽說過原子彈。然而,從科學的角度來看,原子彈這個稱謂本身就很不嚴謹。原子彈其實與原子(Atom)沒什么關系,而是與原子核(Nucleus)有著密切的關系。

          原子的中心是原子核,電子(Electron)分布在原子核周圍。原子物理(Atomic Physics)的研究對象是原子里面的電子,原子核的作用僅僅是對電子提供一個外電場而已。研究原子核內部結構的學問則稱為核物理(Nuclear Physics)。原子彈爆炸的能量完全來自于原子核內部的核裂變(Fission),因此原子彈更準確的名稱應該是裂變彈(Fission Bomb),一種核彈(Nuclear Bomb)。

          由于原子彈完全基于核裂變,它其實有一個學名,叫做純裂變核武器(Pure Fission Weapons)。二戰末期,美國在日本的廣島和長崎投下的兩顆原子彈,都屬于純裂變核武器。

          原子彈中使用的核裝藥為鈾-235(U-235)或钚-239(Pu-239)。鈾、钚都是元素的名稱,分別翻譯自英文單詞Uranium、Plutonium。金屬元素的漢語名稱一般都帶金字旁。元素周期表中有九十多種金屬元素,都要用金字旁的漢字來命名,還要多少與英文有點諧音,并非易事。說起來這還與明太祖朱元璋有關。朱元璋立下遺訓,子孫的名字里面的第三個字必須使用以“五行”為偏旁的字,即“火、土、金、水、木”中的一個字。如此一來,延續了兩百多年的明朝皇族創造出了許多金字旁的漢字,其中很多字本身并沒什么含義,沒想到在近代命名金屬元素時正好用得上。

          至于鈾-235和钚-239后綴的數字“235”、“239”則是該元素的質量數(Mass Number)。原子核由中子和質子構成,質子數與中子數之和即為質量數。同一元素一般有多種不同的同位素(Isotope)。同位素具有相同的質子數、不同的中子數,因而也具有不同的質量數。例如,鈾元素有92個質子,兩種常見同位素的質量數分別為235、238,因此稱為鈾-235、鈾-238。

          鈾-235和钚-239都是裂變物質,在中子的撞擊下發生裂變。裂變是指較重的原子核分裂成兩個較輕的原子核,由于有質量虧損而放出能量。愛因斯坦的質能方程E=mc^2指的是,微觀粒子的能量等于其靜止質量乘以光速的平方。光速的數值非常巨大,因此很小的質量虧損就能產生很大的能量。這就是原子彈的能量來源。

          重核裂變過程還產生了中子。新產生的中子撞擊附近的鈾原子核,并導致它們也發生裂變,使得發生裂變的原子核數量以指數的速率增加,這就是所謂的核鏈式反應(Nuclear Chain Reaction)。在短短的一微秒內,發生裂變的原子核數就可以增加一百倍。鏈式反應可以在短時間內釋放出爆炸所需的能量。只需要幾公斤的裂變材料發生裂變,釋放出來的能量就足以摧毀一個城市。

          圖1:原子彈中發生的鏈式反應。鈾-235原子核在中子的撞擊下發生裂變,產生兩個較小的原子核和中子。新產生的中子撞擊其它鈾-235原子核,導致更多的裂變。| 圖源:www.nuclear-power.com

          引爆原子彈的關鍵是要將裂變物質擠壓在一起,使其達到產生鏈式反應所需的臨界質量(Critical Mass)?,F有的原子彈有兩種引爆方式。第一種是槍式。這種方式是像子彈打靶一樣,利用常規炸藥爆炸的推力將一部分裂變物質高速射向另一部裂變物質,使得裂變物質緊密結合在一起,達到臨界質量。第二種是內爆式。在這種方案中,常規炸藥在外層,裂變物質在內部。當常規炸藥爆炸時,產生向內的壓力,擠壓裂變物質,從而使裂變物質達到臨界質量。

          核裂變所釋放出來的熱量會使裂變材料發生膨脹,導致鈾原子之間的距離變遠。由于核反應截面隨著距離的增大而迅速下降,新產生的中子撞擊到鈾原子的幾率就大大降低,進而導致鏈式反應停止。原子彈設計的關鍵之一是讓裂變材料在盡可能長的時間內不被炸散,以便被充分被利用。上面提到的核反應截面(Nuclear cross section)是用來衡量反應發生概率的物理量,具有面積的量綱。

          氫彈與氫關系不大

          氫彈(Hydrogen Bomb)是比原子彈威力更大的核武器。由于氫彈的巨大殺傷力,原子彈之父奧本海默出于人道主義考慮,抵制美國政府制造氫彈,卻因此被撤銷了安全許可,意味著政治生涯的結束。電影《奧本海默》花了很大的篇幅講述安全許可聽證會的詳細過程。奧本海默、愛因斯坦等著名科學家的反對并沒能阻止氫彈的研發進程。在原子彈造出來之后數年,氫彈也于1951年研制成功。

          氫彈的設計方案巧妙地利用了原子核聚變(Fusion)產生的能量。與核裂變的過程相反,核聚變過程是由兩個較輕的原子核融合生成較重的原子核。氫彈利用的核聚變過程如下:氘原子核與氚原子核融合產生一個氦原子核和一個中子。

          圖2:氘和氚原子核發生聚變,產生一個氦原子核和一個中子,并放出能量 | 圖源:wiki

          氘與氚都是氫的同位素。與氫一樣,氘與氚的原子核都有一個質子,核外有一個電子。由于元素的化學性質完全由核外電子決定,因此氫、氘、氚三種同位素的化學性質完全一樣,其單質都是氣體。不同的是中子數和質量數,氫、氘、氚原子核的質量數分別為1,2,3。氘的英文為Deuterium,在希臘語是“第二”的意思。氚的英文為Tritium,在希臘語是“第三”的意思。氘(念Dao)、氚(念Chuan)與英文諧音,氣字旁反映了其單質為氣體這個化學特性,下面的兩劃、三劃分別代表其質量數。這兩個字可以說是結合了音譯和意譯的典范。

          核聚變過程中有質量虧損,根據質能方程,虧損的質量轉化為能量。太陽內部每時每刻都在進行著數量巨大的核聚變,聚變能以電磁波的形式往外輻射。一部分電磁波(包括可見光)傳播到地球,成為地球上幾乎所有能量的來源。

          與核裂變相比,單位質量的聚變物質產生的能量更大。值得注意的是,這并不是氫彈威力比原子彈更大的原因。完全利用聚變能的核武器稱為純聚變武器(Pure Fusion Weapons),僅僅在理論上存在,在現實中沒有被制造出來。目前的氫彈確實利用了核聚變,但核聚變的主要作用是產生新的中子,進而引起更多的裂變材料發生核裂變,產生更大的裂變能。氫彈的主要能量仍然來自核裂變,氫的同位素發生核聚變所產生的能量基本上可以忽略不計。從這個角度來說,氫彈與氫的同位素關系不大,因此氫彈這個名稱也不嚴謹。由于核聚變一定需要很高的溫度,氫彈更專業的說法是“熱核彈”(Thermonuclear Bomb)。

          氫彈主要設計方案有兩種。第一種是聚變增強裂變核武器(Boosted Fission Weapons)。這是內爆式原子彈的一種改進。當原子彈發生爆炸時,由于核裂變材料會被炸開而導致鏈式反應停止,很多裂變材料沒被利用上。在裂變材料鈾的中心重注入氘和氚,爆炸產生的高溫可以使氘氚發生聚變反應。聚變產生的中子撞擊到外圍的裂變物質上,引發新的核裂變的鏈式反應。這樣就更充分地利用了裂變物質,最終釋放的能量是原來的兩倍以上。由于這種設計同時使用了裂變材料鈾和聚變材料氫的同位素,因此也稱作“氫鈾彈”(Uranium Hydride Bomb)。

          第二種方案是由特勒(Teller)和烏拉姆(Ulam)提出的,因此也稱為特勒-烏拉姆方案。特勒被認為是氫彈之父。在電影《奧本海默》中,特勒以反派角色出場,在聽證會中作出對奧本海默不利的證詞。

          這種方案設計的氫彈也稱為二階段熱核武器(Staged Thermonuclear Weapons),由兩顆上面所說的聚變增強裂變核彈組成,一顆是稱為初級核彈,另一顆稱為次級核彈。在第一階段,常規爆炸引爆初級核彈。在第二階段,初級核彈爆炸時產生的高能X射線引爆次級核彈。這個過程稱為輻射內爆,比第一階段的效率更高,釋放的能量要比初級核彈大得多。這種方案結合了聚變增強裂變、裂變增強聚變兩種技術,因此能更加充分地釋放能量。

          作者簡介

          陳少豪,清華大學物理學學士,清華大學原子分子物理博士,曾為美國科羅拉多大學博爾德分校博士后研究員,先后在路易斯安那州立大學、波士頓大學任職,現在就職于麻省理工學院,從事高性能計算工作。

          本文受科普中國·星空計劃項目扶持

          出品:中國科協科普部

          監制:中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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          評論
          華科普
          大學士級
          原子彈與原子無關,氫彈與氫關系不大一一與"鉛筆里沒有鉛"一樣,不要被名字騙了!
          2023-10-10
          內蒙古四子王旗
          大學士級
          有些名詞起得特別好,精確地反映了事物的本質或特性。有些名詞,因歷史原因而偏離了本質,容易讓人產生曲解。
          2023-10-10
          傳承解惑
          太師級
          從科學的角度來看,原子彈這個稱謂本身就很不嚴謹,原子彈其實與原子沒什么關系,而是與原子核有著密切的關系。
          2023-10-10
          韩国女主播裸奶头大尺度,久久久精彩视频,欧美99综合网,国产一级二级三级视频
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