剛過去的8月6日是廣島原子彈爆炸74週年紀念日，在74年前的1945年，美國分別於8月6日和8月9日向日本的廣島和長崎投下了剛研發成功的原子彈，日本天皇隨即於8月15日宣佈日本無條件投降，提前結束了第二次世界大戰。

原子彈爆炸

前言——中子發現

說到原子彈，這要從放射性元素的研究說起，科學界最著名的女性居里夫人的女兒和女婿，法國科學家約里奧-居里夫婦在實驗中發現了一種強穿透力的射線，當時他們以為是一種伽馬射線，後來被英國著名物理學家盧瑟福的學生查德威克證明是一種他老師盧瑟福預言的新粒子——中子。約里奧-居里夫婦錯失了一個諾貝爾獎，1935年諾貝爾物理學獎頒給了中途截胡的查德威克。

約里奧-居里夫婦和錢三強

基礎原理——核裂變發現

但勤奮是居里家族的優良傳統，很快，約里奧-居里夫婦透過中子轟擊鈾核來產生新的放射性元素，並以此獲得了1935年的諾貝爾化學獎，與錯失的諾貝爾物理學獎同年頒發。

當然故事還沒結束，在透過中子轟擊製造新元素的過程中，約里奧-居里夫婦發現一個奇怪的現象，通常情況下鈾核吸收一箇中子以後產生衰變透過放出α粒子或β粒子從而使原子序數增加或減少1-2，但實驗中發現會出現少量原子序數少一大截的元素，這在當時約里奧-居里夫婦無法解釋，最終解釋權落到了德國物理學家邁特納和哈恩手上，約里奧-居里夫婦所發現的正是核裂變！

核裂變

終極原理——鏈式反應發現

再一次錯失重大發現的約里奧-居里夫婦依然不屈不撓，他們這次選擇了從哪裡跌倒就從哪裡爬起，繼續深入研究了核裂變反應。根據重核中子數佔比遠高於輕核的自然現象，他們推論出當鈾核被中子轟擊裂變成兩個較輕的原子核的過程中將產生出2到3箇中子，而這2到3箇中子會繼續轟擊周圍的鈾核導致連鎖反應，結果大量的鈾核在互相轟擊下幾乎同時產生核裂變並釋放出大量能量，這就是原子彈製造的基礎——鏈式反應。

鏈式反應

難點一：鈾235提純

物理過程搞清楚了但是問題來了，並不是所有的鈾都能產生核裂變的，只有鈾235可以，而鈾235在所有的天然鈾中含量大約只有0。71%，其餘99%以上都是不能裂變的鈾238。（這就是為什麼當初約里奧-居里夫婦在轟擊實驗中只發現了少量輕核的原因）關鍵問題是鈾238不單不能透過吸收中子產生連鎖反應，它甚至會吸收多餘的中子，也就是它至少能吸收1箇中子，這樣鈾235核裂變產生的2到3箇中子很快就會被比自身多一百多倍的鈾238吸收完了，無法繼續轟擊其餘的鈾235，鏈式反應瞬間停止了……

因此要使鏈式反應生效的方法是要提高鈾235的濃度，這就是常說的鈾235提純。根據當時的計算，鈾235的濃度要達到90%以上才能用於製造核武器。這是當年製造核武器最大的難點。由於鈾235是混合在鈾238裡面的，而且常規的鈾是固態的，而鈾235和鈾238是同一種元素，化學性質幾乎完全一樣，所以根本沒法透過化學方法來提取鈾235，當時科學家提出了好幾種方法，但都耗能異常巨大，需要耗費大量能源，目前最常用的方法是氣體離心法，透過大型離心機把含有鈾的化學氣體中質量較輕的鈾235提取出來，因此目前是否擁有大型離心機已經成為是否研究核武器的判斷標準之一了。

終極裂變材料——鈽239發現

由於提純鈾235極其困難，很快科學家發現了另一種核裂變材料——鈽239，這是一種自然礦石裡找不到的元素，原子序數是94，比天然最重的元素鈾的原子序數92還高2。這種元素最初是在核反應堆裡發現的，在核反應堆裡鈾238透過吸收一顆慢中子，會有一定機率透過兩次衰變成為鈽239，而鈾238的天然含量巨大，是最容易獲得的鈾元素，而且鈽的化學性質與鈾完全不一樣，可以很方便的透過化學方法從鈾中提取出來，因此鈽239成了製造原子彈的最佳選擇。鈽239是在核反應堆裡自然產生的，而核反應堆的鈾235濃度要求只有3%，遠低於核武器要求的90%，因此，核武器的提純工藝要求瞬間大降了。

難點二：引爆裝置設計

除了提純，引爆裝置的設計也是難點之一。由於鏈式反應必須在擁有足夠的臨界質量以上時才能發生，否則由於質量過低而中子快速跑飛而無法進行下一輪轟擊反應。另一方面，反應物（鈾235或鈽239）質量過大超過了臨界質量，則會自動反應併發生爆炸。因此單塊的反應物必須小於臨界質量，而起爆時讓其快速超過臨界質量併發生鏈式反應，問題是這過程必須足夠快，否則鏈式反應剛開始產生的熱膨脹就又炸開了，鏈式反應就無法進行下去。

美國最早設計了兩種引爆方式：

一種是槍式，在一個類似槍膛的管內放入兩塊以上對於臨界質量的反應物（鈾235），引爆時透過炸藥推動鈾塊壓逼在一起導致鈾塊質量超過臨界質量，並同時壓迫末端中子源鈹，釋放出中子，在中子轟擊下發生鏈式反應產生核爆炸。這種引爆方式的缺點非常明顯，就是在鏈式反應初期就由於能量釋放產生熱膨脹導致鈾塊的臨界密度降低從而結束鏈式反應。74年前美軍投向廣島的原子彈“小男孩”就是使用這種設計，結果原子彈內封裝的約60kg高濃縮鈾235大約只反應了1kg，反應率只有1%多一點，但經不住鈾多，爆炸還是很猛烈的，大約相當於1。5萬噸TNT當量。

槍式設計

另一種設計是內爆式，這種設計把低於臨界質量的反應物（鈽239）做成球形，外層包裹著炸藥，起爆時同時點燃外層炸藥，瞬間產生的熱膨脹會向內壓迫包裹鈽球的殼體，殼體變形並擠壓裡面的鈽球導致鈽239的密度極具增加並超過臨界狀態，擠壓同時導致鈽球中心的中子源鈹球釋放出中子引起連鎖反應並瞬間爆炸。這種設計從核心起爆反應均勻，能最大限度地利用反應物，反應率遠高於槍式設計。74年前美軍投向長崎的原子彈“胖子”即為內爆式設計，並使用比鈾235更易裂變和更易提取的鈽239作為反應物。這顆鈽彈只使用了約6kg的鈽239，但爆炸當量達到了2。2萬噸TNT當量，比反應物多十倍的“小男孩”鈾彈還高。

內爆式設計

祈望

原子彈、氫彈等核武器作為一種大規模殺傷性武器，具有極大的危險性，但同時由於其震懾力也使少數幾個有核大國取得了軍事平衡，誰也不敢動誰，很多人認為現在目前第三次世界大戰還沒有發生，核武器功不可沒。但畢竟這是一種危險的武器，現在大國設立了核不擴散條約制約無核國家研究核武器，我們希望世界和平，希望人類再也用不著核武器！