原子弹与原子无关，氢弹与氢关系不大

电影《奥本海默》的热映，再次引起了公众对原子弹的关注。奥本海默（Oppenheimer）作为曼哈顿计划的领头人，在人类历史上第一颗原子弹的诞生过程中起到重要作用，被世人称为“原子弹之父”。

自从1905年爱因斯坦写下质能方程，物理学家就知道，微小的原子核中蕴藏着巨大的能量。从科学概念的诞生到实际应用，其中需要克服无数工程技术上的难点。如果不是为了与纳粹德国竞争，美国也不会发起曼哈顿计划，以举国之力制造原子弹。威力巨大的核武器自诞生之日起就彻底改变了人类历史进程，给人类社会带来了巨大冲击和影响。

在大众媒体中，很多关于核武器的说法语焉不详，一些常用的术语并不能完全准确地道出其背后真正的物理含义。现今世界上的几个核大国都将核武器技术视为最高国家机密，制造核武器的技术细节不便公诸于众。这也是有些核武器术语显得含糊其辞的原因之一。尽管核武器技术细节是国家机密，但其基本物理原理是完全公开的。在学术界，与核武器相关的物理原理没什么秘密可言。本文将从物理原理出发，分析一些与核武器相关的名词术语，细究其背后的物理内容。

原子弹与原子无关        

提起核武器，公众最耳熟能详的莫过于原子弹（Atomic Bomb）。当代社会中几乎每个人都至少听说过原子弹。然而，从科学的角度来看，原子弹这个称谓本身就很不严谨。原子弹其实与原子（Atom）没什么关系，而是与原子核（Nucleus）有着密切的关系。

原子的中心是原子核，电子（Electron）分布在原子核周围。原子物理（Atomic Physics）的研究对象是原子里面的电子，原子核的作用仅仅是对电子提供一个外电场而已。研究原子核内部结构的学问则称为核物理（Nuclear Physics）。原子弹爆炸的能量完全来自原子核内部的核裂变（Fission），因此原子弹更准确的名称应该是裂变弹（Fission Bomb），一种核弹（Nuclear Bomb）。

由于原子弹完全基于核裂变，它其实有一个学名，叫做纯裂变核武器（Pure Fission Weapons）。二战末期，美国在日本的广岛和长崎投下的两颗原子弹，都属于纯裂变核武器。

原子弹中使用的核装药为铀-235（U-235）或钚-239（Pu-239）。铀、钚都是元素的名称，分别翻译自英文单词Uranium、Plutonium。金属元素的汉语名称一般都带金字旁。元素周期表中有九十多种金属元素，都要用金字旁的汉字来命名，还要多少与英文有点谐音，并非易事。说起来这还与明太祖朱元璋有关。朱元璋立下遗训，子孙的名字里面的第三个字必须使用以“五行”为偏旁的字，即“火、土、金、水、木”中的一个字。如此一来，延续了两百多年的明朝皇族创造出了许多金字旁的汉字，其中很多字本身并没什么含义，没想到在近代命名金属元素时正好用得上。

至于铀-235和钚-239后缀的数字“235”“239”则是该元素的质量数（Mass Number）。原子核由中子和质子构成，质子数与中子数之和即为质量数。同一元素一般有多种不同的同位素（Isotope）。同位素具有相同的质子数、不同的中子数，因而也具有不同的质量数。例如，铀元素有92个质子，两种常见同位素的质量数分别为235、238，因此称为铀-235、铀-238。

铀-235和钚-239都是裂变物质，在中子的撞击下发生裂变。裂变是指较重的原子核分裂成两个较轻的原子核，由于有质量亏损而放出能量。爱因斯坦的质能方程E=mc²指的是，微观粒子的能量等于其静止质量乘以光速的平方。光速的数值非常巨大，因此很小的质量亏损就能产生很大的能量。这就是原子弹的能量来源。

重核裂变过程还产生了中子。新产生的中子撞击附近的铀原子核，并导致它们也发生裂变，使得发生裂变的原子核数量以指数的速率增加，这就是所谓的核链式反应（Nuclear Chain Reaction）。在短短的一微秒内，发生裂变的原子核数就可以增加一百倍。链式反应可以在短时间内释放出爆炸所需的能量。只需要几公斤的裂变材料发生裂变，释放出来的能量就足以摧毁一个城市。

图1：原子弹中发生的链式反应。铀-235原子核在中子的撞击下发生裂变，产生两个较小的原子核和中子。新产生的中子撞击其它铀-235原子核，导致更多的裂变。| 图源：www.nuclear-power.com

引爆原子弹的关键是要将裂变物质挤压在一起，使其达到产生链式反应所需的临界质量（Critical Mass）。现有的原子弹有两种引爆方式。第一种是枪式。这种方式是像子弹打靶一样，利用常规炸药爆炸的推力将一部分裂变物质高速射向另一部裂变物质，使得裂变物质紧密结合在一起，达到临界质量。第二种是内爆式。在这种方案中，常规炸药在外层，裂变物质在内部。当常规炸药爆炸时，产生向内的压力，挤压裂变物质，从而使裂变物质达到临界质量。

核裂变所释放出来的热量会使裂变材料发生膨胀，导致铀原子之间的距离变远。由于核反应截面随着距离的增大而迅速下降，新产生的中子撞击到铀原子的几率就大大降低，进而导致链式反应停止。原子弹设计的关键之一是让裂变材料在尽可能长的时间内不被炸散，以便被充分利用。上面提到的核反应截面（Nuclear cross section）是用来衡量反应发生概率的物理量，具有面积的量纲。

氢弹与氢关系不大        

氢弹（Hydrogen Bomb）是比原子弹威力更大的核武器。由于氢弹的巨大杀伤力，原子弹之父奥本海默出于人道主义考虑，抵制美国政府制造氢弹，却因此被撤销了安全许可，意味着政治生涯的结束。电影《奥本海默》花了很大的篇幅讲述安全许可听证会的详细过程。奥本海默、爱因斯坦等著名科学家的反对并没能阻止氢弹的研发进程。在原子弹造出来之后数年，氢弹也于1951年研制成功。

氢弹的设计方案巧妙地利用了原子核聚变（Fusion）产生的能量。与核裂变的过程相反，核聚变过程是由两个较轻的原子核融合生成较重的原子核。氢弹利用的核聚变过程如下：氘原子核与氚原子核融合产生一个氦原子核和一个中子。

图2：氘和氚原子核发生聚变，产生一个氦原子核和一个中子，并放出能量 | 图源：wiki

氘与氚都是氢的同位素。与氢一样，氘与氚的原子核都有一个质子，核外有一个电子。由于元素的化学性质完全由核外电子决定，因此氢、氘、氚三种同位素的化学性质完全一样，其单质都是气体。不同的是中子数和质量数，氢、氘、氚原子核的质量数分别为1，2，3。氘的英文为Deuterium，在希腊语是“第二”的意思。氚的英文为Tritium，在希腊语是“第三”的意思。氘（念Dao）、氚（念Chuan）与英文谐音，气字旁反映了其单质为气体这个化学特性，下面的两划、三划分别代表其质量数。这两个字可以说是结合了音译和意译的典范。

核聚变过程中有质量亏损，根据质能方程，亏损的质量转化为能量。太阳内部每时每刻都在进行着数量巨大的核聚变，聚变能以电磁波的形式往外辐射。一部分电磁波（包括可见光）传播到地球，成为地球上几乎所有能量的来源。

与核裂变相比，单位质量的聚变物质产生的能量更大。值得注意的是，这并不是氢弹威力比原子弹更大的原因。完全利用聚变能的核武器称为纯聚变武器（Pure Fusion Weapons），仅仅在理论上存在，在现实中没有被制造出来。目前的氢弹确实利用了核聚变，但核聚变的主要作用是产生新的中子，进而引起更多的裂变材料发生核裂变，产生更大的裂变能。氢弹的主要能量仍然来自核裂变，氢的同位素发生核聚变所产生的能量基本上可以忽略不计。从这个角度来说，氢弹与氢的同位素关系不大，因此氢弹这个名称也不严谨。由于核聚变一定需要很高的温度，氢弹更专业的说法是“热核弹”（Thermonuclear Bomb）。

氢弹主要设计方案有两种。第一种是聚变增强裂变核武器（Boosted Fission Weapons）。这是内爆式原子弹的一种改进。当原子弹发生爆炸时，由于核裂变材料会被炸开而导致链式反应停止，很多裂变材料没被利用上。在裂变材料铀的中心重注入氘和氚，爆炸产生的高温可以使氘氚发生聚变反应。聚变产生的中子撞击到外围的裂变物质上，引发新的核裂变的链式反应。这样就更充分地利用了裂变物质，最终释放的能量是原来的两倍以上。由于这种设计同时使用了裂变材料铀和聚变材料氢的同位素，因此也称作“氢铀弹”（Uranium Hydride Bomb）。

第二种方案是由特勒（Teller）和乌拉姆（Ulam）提出的，因此也称为特勒-乌拉姆方案。特勒被认为是氢弹之父。在电影《奥本海默》中，特勒以反派角色出场，在听证会中作出对奥本海默不利的证词。

这种方案设计的氢弹也称为二阶段热核武器（Staged Thermonuclear Weapons），由两颗上面所说的聚变增强裂变核弹组成，一颗称为初级核弹，另一颗称为次级核弹。在第一阶段，常规爆炸引爆初级核弹。在第二阶段，初级核弹爆炸时产生的高能X射线引爆次级核弹。这个过程称为辐射内爆，比第一阶段的效率更高，释放的能量要比初级核弹大得多。这种方案结合了聚变增强裂变、裂变增强聚变两种技术，因此能更加充分地释放能量。

作者简介：陈少豪，清华大学物理学学士，清华大学原子分子物理博士，曾为美国科罗拉多大学博尔德分校博士后研究员，先后在路易斯安那州立大学、波士顿大学任职，现在就职于麻省理工学院，从事高性能计算工作。

本文受科普中国·星空计划项目扶持

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本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：陈少豪（美国麻省理工学院）