裂变|小小的原子为何可以释放出巨大能量，原子弹为何那么难造？核聚变|科学家

文章图片

文章图片

文章图片

我们知道原子是所有物质的基本组成单位，它是由一个原子核和围绕着原子旋转的若干个电子组成，而其中的原子核则由质子和中子这两种粒子组成，原子弹爆炸的威力就是来自于撞裂原子中的原子核时所产生的能量。其实要使原子核聚合在一起，需要极高的能量，而当我们使用某种方法将原子核撞裂时，这股巨大的能量就会被释放出来。
在制造原子弹时，科学家们选择了自然界中最大最重要原子核来完成这一过程，铀原子的原子核中有92个质子和146个中子，所以铀的原子质量为238 ，人们称这种铀为铀238 ，自然界中大部分的铀都是以铀238的形式存在的，但是在开采出的铀矿中有非常小的一部分，它的原子核中同样也有92个质子，但是却只有143个中子，这种铀被称为铀235 ，而原子弹最重要的原料就是这个铀235 。
科学家们会先把一定量的铀235填装在一起，然后用中子去轰击这一堆铀235 ，由于铀235非常的不稳定，当中子撞击到铀235原子核上的时候，铀235就会变成铀236 ，而因为铀236更加不稳定，它会立即分裂成两个新原子氪和钡。在这个铀236分裂成氪和钡的过程中，将会释放出一股巨大的能量，同时他会再产生3个中子，这3个新产生的中子又会去撞击其他的铀235原子，这样就产生一个链式反应，导致越来越多的铀235裂变，同时释放出越来越多的能量，以上整个过程就被称为核裂变反应。
那么核裂变反应产生的这股巨大的能量，他的原理是什么呢？其实这是来自于爱因斯坦的那个著名的质能方程，这个方程告诉我们质量可以转换为能量，经过计算， 1千克质量可以转化的能量相当于2千万吨TNT爆炸后所释放出来的能量。上面说到在引起原子弹爆炸的核裂变反应过程中，铀235原子裂变为氪原子和钡原子，但是氪原子和钡原子加在一起的质量小于铀235原子的质量，而丢失的这一部分质量就转化成为了能量。
虽然装填在原子弹中的铀235在爆炸后，其质量比起爆炸前只有0.1%的减少，但是根据质能方程，就是这0.1%的质量将会释放出巨大的能量。那么既然原子弹的原理已经不是秘密，为什么现在只有少数国家才拥有原子弹呢？其实在原子弹的制造过程中，有好几个难关，首先一个问题就是铀235 ，天然铀矿中只含有0.7%的u铀235 ，但是想要制造一个原子弹，却需要大量的铀235 ，而对油矿的开采和铀235的提成并不是所有国家都可以实现的。
另外一个问题就是如何束缚住中子，前面提到当第一次考裂变发生时，会新产生3个中子，可是我们如何能保证这三个中会老老实实的去撞击其他的铀235 ，而不是逃脱到炸弹外面去呢？这里就需要制作一个特殊的容器来束缚住中子，这种可以束缚住中子的容器对材质要求非常高，并不是谁都可以制造出来的。最后再给这个密闭容器里填装铀235时，其质量必须达到一个值，术语叫做超临界质量，如果满足不了超临界质量，链式反应是维持不下去的。
而且直到爆炸的前一刻，还必须把容器中达到超临界质量的铀235分成两个部分，否则会因为铀235极不稳定，核爆很可能会在我们不想让他爆炸之前就自动发生。二战时，美国投到广岛的原子弹所释放出的能量相当于15000吨TNA炸药的能量，虽然这已经是一个超出一般认知的巨大数字，但在后来研发出的第一颗氢弹爆炸后所释放出的能量，达到了惊人的1千万吨听TNT炸药的能量。
下面我们就来看一看清代究竟使用了什么原理，竟然能释放超出原子弹几百倍的能量。原子弹的爆炸是利用了撞裂原子核，也就是核裂变反应，而氢弹则是利用了融合原子核，也就是核聚变反应，核聚变要比核裂变强大的多。氢弹爆炸的原理简单来说，是利用了将氢的两个同位素氘和氚融合成为氦时所释放出的巨大能量，在氢原子的原子核中只有一个质子，而在氘原子的原子核中多出了一个中子，氚原子的原子核中多出了两个中子，当氘原子和氚原子融合成为氦原子的时候，由于氦原子的能量小于氘原子和氚原子能量的总和，所以这部分剩余的能量就被释放出来，成为氢弹爆炸后的那股巨大的能量。