昨天聽了原子彈的一點(diǎn)兒基礎(chǔ),，今天接著聽Muller老師講幾種核彈的“簡單”設(shè)計(jì),，這也是我們的最后一堂“核課”了,。
1945年，杜魯門總統(tǒng)動(dòng)用了廣島核彈,。他稱它為原子彈,。這個(gè)名稱至今還在使用,。名字恰當(dāng)嗎,？有人說不,，他們認(rèn)為普通TNT就用的是原子結(jié)合和分解的能量，所以“原子”應(yīng)該留給普通炸藥,。
很多人都把nuclear讀成“nukular”，包括艾森豪威爾總統(tǒng),、泰勒（Edward Teller）,、卡特總統(tǒng)（曾在核潛艇上服役）以及最近的小布什總統(tǒng)。很多學(xué)者認(rèn)為發(fā)音是錯(cuò)的,，然而在韋氏和牛津的英文詞典里，都收錄了nukular,，作為nuclear的口語形式,。泰勒是氫彈發(fā)明者之一，常被人稱為“氫彈之父”,，他大概有資格用自己喜歡的方式叫它,。不過，如果你想學(xué)泰勒卻又沒有他那么大的名聲,，像他那樣說話是會(huì)遭人嘲笑的。
鈾彈——槍式設(shè)計(jì)
所有核武器都遵從相同的原理：首先攜帶彼此分離的可裂變材料（如鈾235或钚239）的碎片,。因?yàn)榉蛛x,，裂變產(chǎn)生的中子可以從空隙間飛出,，因而鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不會(huì)擴(kuò)張,。接著,，當(dāng)核彈到達(dá)敵人目標(biāo)上空時(shí),，要把那些碎片集中起來，這個(gè)困難的過程叫組裝,。必須很快完成組裝，因?yàn)樗槠拷鼤r(shí),，部分中子開始撞擊原子核,，產(chǎn)生熱——也許在所有物質(zhì)組裝完成之前就將它們炸開了。中子只要錯(cuò)過幾代,，核彈的爆炸力就會(huì)大為減小。
毀滅廣島的核彈是用鈾235造的,，采用簡單的“槍式”機(jī)制,。所謂“槍”的意思是，槍用一塊鈾235轟擊另一塊鈾235,；超過臨界質(zhì)量的是兩塊鈾的組合，而不是其中的一塊,。槍只有6英尺長，重量不過半噸,，可以裝在B29轟炸機(jī)的彈艙里,。核彈呈柱狀是因?yàn)槔锩娴臉屖侵鶢畹?。裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放的能量大約為13千噸TNT當(dāng)量,。廣島毀滅當(dāng)天,，杜魯門總統(tǒng)錯(cuò)誤地宣布為2萬噸,。原來,，總統(tǒng)錯(cuò)把阿拉莫哥多爆炸試驗(yàn)的數(shù)字當(dāng)成了廣島的數(shù)字,。
钚彈——內(nèi)爆
雖然鈾235和钚239的核彈都用鏈?zhǔn)椒磻?yīng),，但二者在技術(shù)細(xì)節(jié)上有很大不同。钚是多數(shù)核反應(yīng)堆（包括發(fā)電的反應(yīng)堆）的產(chǎn)物,。它與其他核廢料一起產(chǎn)生,，但可以用相對直接的化學(xué)方法分離出來。分離完成后,，我們就說核反應(yīng)堆的乏燃料經(jīng)過了再加工。這是報(bào)紙常見的一個(gè)關(guān)鍵詞,。簽署了NPT（核不擴(kuò)散條約）的國家同意不對乏燃料進(jìn)行再加工——即提取他們的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的钚。
再加工比鈾分離簡單得多,，而核反應(yīng)堆又那么普遍，看來钚彈似乎是巴基斯坦和朝鮮等小國的核彈選擇,。可钚彈不好設(shè)計(jì)。因?yàn)榉磻?yīng)堆同時(shí)產(chǎn)生的一種放射性雜質(zhì),，钚很容易提前引爆（即過早地發(fā)生爆炸）。也許就是因?yàn)檫@個(gè),，2006年的朝鮮核彈試驗(yàn)失敗了。它雖然達(dá)到了钚的臨界質(zhì)量,，爆炸還不足千噸級,。
那種并存在钚彈里的雜質(zhì)是钚240，也叫重钚,。重钚與钚相同，除了多1個(gè)中子,。這使它具有高度放射性,。钚240會(huì)自發(fā)裂變,，不需要中子激發(fā),。自發(fā)裂變隨機(jī)釋放出中子,。你可能以為額外的中子能起什么好的作用,，其實(shí)它們在幫倒忙,。在钚尚未完成整體組裝到達(dá)臨界質(zhì)量之前,，它們就會(huì)觸發(fā)部分鏈?zhǔn)椒磻?yīng),，這些局部的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將過早引爆核彈,，在多數(shù)能量釋放前終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng),。
這個(gè)問題是在二戰(zhàn)期間發(fā)現(xiàn)的，曼哈頓計(jì)劃的科學(xué)家們曾一度認(rèn)為钚彈是不可能的,。但后來找到了一個(gè)非凡的解決辦法：內(nèi)爆。就是說,，將钚鋪展成空心球殼,，外面用炸藥包圍。钚周圍的爆炸把钚向內(nèi)壓,，將它們擠壓成非常緊密的一團(tuán)。經(jīng)過強(qiáng)烈擠壓的钚,，原子靠得很近，因而中子沒有空間溢出,。如果壓縮恰到好處,，這種狀態(tài)會(huì)很快達(dá)到,，钚也就來不及提前引爆了,。
實(shí)現(xiàn)內(nèi)爆是極端困難的,。內(nèi)爆必須非常精確,，所用的烈性炸藥必須極其均勻，而且在钚殼的每一邊都達(dá)到精密的平衡,。它們要同時(shí)而且均勻地引爆。那需要高度技巧,，因?yàn)楸ㄍ趥€(gè)別點(diǎn)發(fā)生，而不是在整個(gè)殼層表面擴(kuò)展,。人們發(fā)展了一種專門技術(shù)將點(diǎn)爆炸轉(zhuǎn)化為內(nèi)爆,，它被稱為爆炸透鏡,。烈性炸藥在某一點(diǎn)引爆，然后聚焦起來,，均勻覆蓋整個(gè)钚殼表面。
要讓這一切都正常運(yùn)轉(zhuǎn),，比為鈾彈造一只合適的槍困難得多。它需要頂尖的科學(xué)家和工程師,，還需要精密的技術(shù)（如高精度的烈性炸藥加工）、大量的試驗(yàn),，還有大量的金錢,。因?yàn)檫@些原因，一群恐怖分子是不大可能造出钚彈來的,。它也許需要?jiǎng)佑靡粋€(gè)國家（如巴基斯坦或朝鮮）的全部資源,。即使如此,，結(jié)果也可能失敗,。朝鮮在2006年的試驗(yàn),，其爆炸還不足1千噸級,，而美國的阿拉莫哥多和長崎的設(shè)計(jì)是20千噸級。多數(shù)專家懷疑朝鮮試驗(yàn)的低能量正是那種失敗的結(jié)果,，可能是在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)達(dá)到需要的水平之前，核彈就被提前炸開了,。
現(xiàn)在我們歸納幾個(gè)重要事實(shí)：33磅鈾235就足夠造一個(gè)核彈,。如果鏈?zhǔn)椒磻?yīng)通過倍增方式進(jìn)行,，那么所有原子只需要經(jīng)過81代就分裂完了,。钚彈只需要13磅，還裝不滿一只飲料罐,。它只要51代就能釋放所有能量,，因?yàn)槊看瘟炎冡尫诺闹凶訑?shù)是3而不是2。廣島原子彈是槍式設(shè)計(jì)的鈾彈,。長崎原子彈和新墨西哥州試驗(yàn)的核彈一樣,，是內(nèi)爆式钚彈。未來總統(tǒng)需要知道這些事實(shí),，因?yàn)樗鼈儗υu估核擴(kuò)散前景非常重要,。
氫彈——聚變
所有核彈中,，最具破壞力的是氫彈,，也叫熱核彈或H彈,。試驗(yàn)的最大氫彈釋放了5500萬噸TNT當(dāng)量的能量,，比廣島原子彈高4000倍,。美國核彈庫里多數(shù)是氫彈,。氫彈可以做得很小,，一顆海神式洲際彈道導(dǎo)彈的彈頭就能裝下14顆氫彈,。導(dǎo)彈頭的錐形設(shè)計(jì)，是為了使它們能在從太空重回大氣后仍能準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)目標(biāo),。美國的三叉戟導(dǎo)彈帶有8個(gè)彈頭,，每一顆都足以毀滅一座大城市的中心。
氫彈是一種二級式裝置,。首先是爆炸一顆“普通的”鈾彈或钚彈。初級爆炸產(chǎn)生的輻射加熱特殊設(shè)計(jì)的次級過程——它包含兩種形式的氫：氘（重氫）和氚（超重氫）,。在極高溫度下,，這些形態(tài)的氫發(fā)生聚變,，生成氦并釋放巨大能量——比鈾或钚在裂變中釋放的能量還高。發(fā)生在太陽深部的為陽光供給能量的過程,，也是這種聚變,。
與钚彈的情形一樣,，氫彈的核心部分是,，使聚變過程趕在氫被初級的裂變炸開之前迅速發(fā)生。我們來看這有多難,。在裂變的钚彈中,，你只擔(dān)心烈性炸藥把核彈炸得粉碎,；在聚變彈中,，你需要在原子彈將它炸成蒸汽之前，把一切都做好,。
多年來，科學(xué)家認(rèn)為這種設(shè)計(jì)也許不可能實(shí)現(xiàn),。后來發(fā)明了一個(gè)技巧——即所謂的“氫彈機(jī)密”。機(jī)密是這樣的（最近才解密,；當(dāng)然,，細(xì)節(jié)還是機(jī)密）：裂變的钚彈發(fā)出足夠的X射線,，從鈾壁反射回來，可以用來壓縮和點(diǎn)燃?xì)?/strong>,。X射線以光速傳播，所以能在核彈爆炸將它吹散之前到達(dá)氫,。钚彈的難處在于使內(nèi)爆完全均勻，氫彈的困難則在于設(shè)計(jì),。
因?yàn)闅鋸椏烤圩儭窗褍蓚€(gè)氫核結(jié)合在一起——所以有時(shí)也叫聚變彈。因?yàn)樗蕾囉诟邷?，所以也?font face="Times New Roman">熱核彈,。于是,，H彈,、氫彈、聚變彈和熱核彈,，都是同一樣?xùn)|西的不同名稱,。
第二個(gè)機(jī)密已經(jīng)公開了更長時(shí)間：氫彈可以不用氫的放射性形態(tài)的氚,，而改用穩(wěn)定（無放射性）的金屬鋰，叫鋰6,。它與氘（重氫,，也沒有放射性）結(jié)合生成固體化合物氘化鋰（LiD）。這種材料穩(wěn)定而致密,，是很好的燃料,。當(dāng)钚彈初級引爆時(shí),，裂變武器生成的中子打碎鋰6,，生成氚。這樣,，在裂變彈爆炸的同一個(gè)微秒里，生成了一半的燃料,。另一半燃料氘可以在自然界找到,，而且很容易從普通的水提煉出來。
我前面說過聚變釋放中子,。在一般的氫彈中,，通過以貧化鈾（即鈾238，它們也會(huì)發(fā)射X射線）包圍次級裝置,，利用這些中子用來產(chǎn)生更多能量,。聚變生成的中子能量很高，鈾238在中子打擊下很容易裂變,。一般說來,，氫彈的一半能量來自這種裂變。鈾238的這種裂變也極大增加了裂變碎片的數(shù)量,，它們即所謂的核彈微塵,，能造成巨大破壞。氫彈的微塵比爆炸本身能殺死更多的人,。
既然鈾238也能裂變,，為什么不能用它來造裂變彈呢？答案是它裂變時(shí)不能生成足夠的中子來維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行,。但它的裂變確實(shí)釋放了能量和碎片,。
核微塵
百萬噸級核武器的危害主要來自核微塵,。微塵由核彈里的鈾和钚的裂變碎片組成,。如果核彈在地面附近爆炸,，微塵特別可怕，因?yàn)楸ǖ幕鹎驎?huì)吸引大量有害物質(zhì),。這些本身沒有放射性的東西,，會(huì)隨著強(qiáng)放射性的核彈碎片上升到空中。如果都高高漂浮在空中,，裂變碎片的放射性不會(huì)產(chǎn)生大的危害,。大部分原初的放射性由短半衰期的元素組成，如果在空中懸浮幾個(gè)小時(shí),，它們就衰變了,。可是,，如果地面的各種臟物混合進(jìn)來,，混合微塵的重量增大了，就會(huì)從空中落下,，將放射性帶到地面,，在大范圍擴(kuò)散，可能比核爆炸本身殺害更多的人,。
1950年代,，美國到處都建有微塵掩蔽所。它們都在地下,，準(zhǔn)備了足夠的食物和水,，人們可以在那兒躲藏一個(gè)月左右，一直等著微塵里的短半衰期放射性消失,，或至少等它降到輻射病的閾值以下,。很多人嘲笑那些掩蔽所，因?yàn)樗鼈冿@然不能躲避直接的爆炸——但那不是它們的目的,。還有些人害怕人們會(huì)爭搶掩蔽所,，不讓后來的人進(jìn)去，因?yàn)榭臻g有限,。有的人造了自己的掩蔽所,，還裝備了武器，防止他人進(jìn)入,。如果說核恐懼還不那么可怕,，這一派景象就變本加厲了。
盡管微塵的大部分放射性來自短半衰期的放射性元素,，還是有5％以上的裂變碎片由鍶90的同位素組成,，那是半衰期為29年的強(qiáng)放射性物質(zhì)，很容易進(jìn)入食物,。1950年代,，在很多人為核試驗(yàn)的長期效應(yīng)憂慮時(shí),，鍶90是家喻戶曉的名詞。Sr-90落在草地上,，被牛吃進(jìn)肚子,，然后傳染到小孩喝的牛奶，最后聚集在他們的骨頭里,，因?yàn)殒J的化學(xué)性質(zhì)與鈣相似,。
中子彈——核彈悖論
氫彈的一個(gè)變種在卡特總統(tǒng)時(shí)期出了名，就是中子彈,。氫彈聚變會(huì)產(chǎn)生大量高能中子,，它們會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的輻射病，造成大量殺傷,。中子彈的思想就是制造一種含大量中子的核彈,，目的是殺人，而釋放相對少的能量和裂變碎片,。如果俄羅斯軍隊(duì)入侵美國的哪個(gè)友好國家,，那么中子彈可以看成驅(qū)逐入侵者的一種辦法——要消滅敵人，但不能破壞朋友的家園,。
制造中子彈的竅門是,，有一個(gè)很微弱的初級過程，以盡量減少裂變碎片,；還有一個(gè)小規(guī)模的次級過程,，不讓爆炸的沖擊波造成大的破壞。但中子仍然需要傳播幾百碼的距離去消滅敵人的軍隊(duì),。
中子彈的思想公開時(shí),，很多人感到了恐慌。具有諷刺意味的是,，問題在于中子彈不如普通氫彈那么可怕,。你大概以為這樣會(huì)令人更接受中子彈，但恰恰相反,。中子彈不破壞建筑意味著它可能用得更多,，那就“降低了”使用核武器的“閾值”，從而是更不人道的,。
中子彈是“核彈悖論”的一個(gè)典型例子：發(fā)明一種可怕的武器,，顯然是不道德的。發(fā)明一種不那么可怕的武器,，同樣是不道德的——因?yàn)樗赡鼙蝗死?。由此得出的一個(gè)奇怪的結(jié)論是：不論你提出什么樣的武器變革，都會(huì)遭人唾罵。這種悖論的例子在軍事以外也能看到——例如,，有人建議警察用電擊槍來擊昏嫌疑人,。
大核彈
事實(shí)證明造大裂變彈是非常困難的。它們很可能自我毀滅,。何況鈾和钚還都很昂貴,。相反,，氘和鋰6相對便宜一些,，而且設(shè)計(jì)也進(jìn)步了，氫彈幾乎可以造得具有任意高的爆炸能量,。1950年代初期成了“大核彈”時(shí)代,。美國和蘇聯(lián)相互競爭，爭做最大的核彈,。1956年,，蘇聯(lián)贏了頭籌，爆炸了一顆能量為5500萬噸TNT當(dāng)量的核彈,，比摧毀廣島的那顆鈾彈的能量高出4000倍,。
競賽已經(jīng)停止，部分是因?yàn)楹藦椩囼?yàn)的放射性污染了地球,，產(chǎn)生了普遍的社會(huì)壓力,。實(shí)際上，大氣中的放射性碳僅僅因?yàn)槟切┰囼?yàn)就增加了一倍,。更尖刻的觀察家則說,，放棄試驗(yàn)的真正原因是核彈太大，導(dǎo)彈已經(jīng)載不動(dòng)它了,。一顆核彈分解為幾個(gè)小部分,，往往更具破壞力。（假如將8個(gè)彈頭的大核彈分解為8顆小的,，則毀滅面積將增大一倍——大核彈其實(shí)是把同一個(gè)地方毀滅了兩次,，浪費(fèi)了。）
1980年代,，里根總統(tǒng)宣布他已單方面削減美國的核武器當(dāng)量,。那時(shí)，有句話他沒有公開講出來：即使總當(dāng)量減少,，它也已經(jīng)分散到眾多小武器了,，能產(chǎn)生更大的破壞力。他是誠實(shí)的,，但不夠坦白,。要么，也許他不像你未來當(dāng)總統(tǒng)那樣懂物理學(xué)。
【最后再說明一次,，這幾堂“核課”的材料來自Richard Muller, Physics for Future Presidents, The science behind the headlines, WW Norton & Company, New York, 2008（中譯本《未來總統(tǒng)的物理課》,，李泳譯，湖南科學(xué)技術(shù)出版社,，2009）,。我翻譯和轉(zhuǎn)述的錯(cuò)誤，請批評指正,。】
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