用CO2激光將鈾238打成鈾235和钚239就可以制造原子彈了，用綜合六次...生產(chǎn)。
- 教育綜合
- 2024-05-27 07:57:20
原子彈為什么會很難制造？
原因就在于自然界的鈾礦中存在的鈾一般都是化合物，提煉起來非常困難，而純凈的金屬鈾的存在簡直就是“放在一起就可以直接爆炸成為原子彈”
關(guān)于鈾可以制造原子彈的事情，說起來還真有一段風云往事。
偶然發(fā)現(xiàn)原子核的分裂秘密
1938年的圣誕節(jié)，比以往時候來得要冷一些。
德國的哈恩教授與他的助手斯特拉斯曼在柏林的威廉皇家化學(xué)研究所里，正在拿一個中子源轟擊92號鈾元素，在他們的工作計劃中，他們希望在轟擊的產(chǎn)物中能找到大量的88號元素——也就是居里夫人發(fā)現(xiàn)的那個鐳元素。
可是，事情似乎正在變得不可控，他們發(fā)現(xiàn)大量的92號鈾元素正在分裂為差不多質(zhì)量的2部分，比如說56號元素鋇就產(chǎn)生的特別多一些。但是，這情況是以前從來沒有預(yù)料到的，所以哈恩覺得很困惑。
對于原子核的分裂，則有點類似于整數(shù)分拆，如果沒有強相互作用的束縛，那么整個原子核系統(tǒng)可以任意分裂：
比如4=1+1+1+1=2+1+1=3+1=2+2，一共是5種可能。
鈾原子核的分裂，也像整數(shù)分拆，有很多可能。這背后有一定的規(guī)律，但這種規(guī)律是隱藏的，而且看上去像是隨機的。
在那個時候，哈恩作為一個化學(xué)家，對這個規(guī)律有點吃不準。他很希望別的實驗組也能夠做類似的實驗，大家相互驗證一下實驗結(jié)果。
于是，他就寫信給當時已經(jīng)被迫離開德國的女物理學(xué)家邁特納。哈恩把實驗的過程與結(jié)果全部和盤托出，告訴了邁特納，他希望邁特納也能做一下相同的實驗，然后再提供一下相應(yīng)的看法。
這種事情，邁特納也是第一次聽說，于是她把自己的外甥弗里茲（Otto Frisch）找來，一起討論這個事情。兩人最后想到，可以用玻爾的液滴模型來解釋這個現(xiàn)象。
液滴模型的大概意思就是說，原子核就好像是一個小水滴，依靠表面張力保持一個近似球形的形狀，但是，水滴是會變形的，也是會破碎的。
邁特納與她的外甥
在鈾原子核的內(nèi)部存在一對矛盾——那就是正電荷之間的庫侖的排斥作用，以及強相互作用的吸引力這一對矛盾。在正常的情況下，這一對矛盾力處于平衡狀態(tài)，但當外來中子闖入的時候，平衡就有可能被打破。
這就好像是一個氣球，里面已經(jīng)不能再充多一點空氣，如果有新的空氣充進來，氣球就會爆炸。
這個液滴模型很好的解釋了原子核為什么會在中子的撞擊下被破碎。但是，邁特納與她的外甥畢竟是學(xué)物理的，比哈恩這樣的化學(xué)家走得更遠一些，他們計算了一下鈾原子核分裂為2個碎片的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)2個碎片的質(zhì)量之和小于原來的質(zhì)量，這當然就意味著質(zhì)量損失，而根據(jù)愛因斯坦的E=Mc2這個公式，損失的質(zhì)量會全部轉(zhuǎn)化為能量，這是相當可觀的。
原子核時代的到來
當時的國際形勢已經(jīng)很明顯，德國正在準備入侵波蘭，準備第二次世界大戰(zhàn)。
在這種情況下，邁特納與她外甥就把這個關(guān)于原子核裂變的消息轉(zhuǎn)告給了正要登船去美國的玻爾，讓這物理大師把這個消息轉(zhuǎn)告給在美國的愛因斯坦，評估一下這個事情是不是可以用在炸彈的制作上。
作為物理人，大家都懂的，這原子核裂變會放出能量，而且，還有一個細節(jié)也是很重要的，那就是每次裂變的時候，會有多余的自由中子射出來，這就是類似以前湯生研究放電的時候所謂的雪崩效應(yīng)一樣，中子越來越多的話，反應(yīng)會越來越激烈——當然前提是你有足夠多的鈾。
比方說，一個中子轟擊鈾后，假設(shè)會發(fā)出2個中子，那么2個中子去轟擊鈾，會發(fā)出4個中子……
那么碰撞n次以后，中子的個數(shù)就有個了，這樣的話，如果有大量的鈾，能發(fā)出十分巨大的能量。
這被稱為鏈式反應(yīng)，或者說自持反應(yīng)。
哈恩也沒有閑著，自己寫了一個文章，把這個事情在學(xué)術(shù)界全部公開了。他這樣一喊，消息既然已經(jīng)走漏出去，馬上就有新的物理組跟進研究，其中居里夫人的女兒，約里奧?居里（曾是錢三強先生的研究生導(dǎo)師）的小組也驗證了這些現(xiàn)象，并且也寫了一篇文章發(fā)表在《自然》雜志上，文章的題目是“一個慢中子轟擊鈾核引起的快中子的發(fā)射”。
于是，在1939年，一些聰明人都可以看出來，人類已經(jīng)從電與光的時代，進入了一個原子核能量的新時代。這一切是在1939年發(fā)生的。從1925年海森堡建立原子核外電子運動與光譜學(xué)，到1939年，這14年可以被認為是一個過渡時期。
現(xiàn)在，這個過渡時期終于結(jié)束了。
1939年4月24日，也就是在居里的文章發(fā)表后兩天，德國漢堡大學(xué)就有教授給德國軍事部領(lǐng)導(dǎo)寫信，要求研究核爆炸裝置的可行性，并且說：“第一個擁有核爆炸裝置的國家，一定會具有其他國家無法超越的軍事實力。”
巧用資源“曲線救亡”
但是，鈾元素具有2種不同質(zhì)量的同位素，就好像雙胞胎一樣，就是重量稍有區(qū)別，一個是235amu，一個是238amu。
而且，鈾238在中子的轟擊下是不會發(fā)生裂變的（就是分成質(zhì)量差不多相等的2小塊），因此，它不可能被用來做原子彈?？墒牵厍蛏系拟櫟V石中，99%以上的含量是鈾238，鈾235少得可憐。事情沒有那么簡單，科學(xué)家馬上發(fā)現(xiàn)，鈾238不是不堪一用的廢物，在中子的轟擊下，它可以變成93號元素，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)?4號元素。94號元素是钚元素，與鈾235一樣是可以裂變的，因此鈾238也可以做原子彈的原材料。因此，這是一次“曲線救國”的故事——相當于你花100元錢買來了鈾238，用中子轟擊一下，它們變成了原子彈的原材料，價值就會翻n番，變成100萬，因此，鈾238可以成為原子彈生產(chǎn)的原材料。
原子彈沒發(fā)明時，愛因斯坦是如何知道原子核里面有巨大力量的？
原子彈沒發(fā)明時，愛因斯坦是如何知道原子核里面有巨大力量的？眾所周知原子彈還是非常有破壞力的核彈之一，很多人都認為是愛因斯坦基礎(chǔ)理論造成了原子彈發(fā)明，實際上都是空穴來風的事，愛因斯坦和原子彈發(fā)明并沒直接地聯(lián)絡(luò)，僅僅帶來了基礎(chǔ)理論適用。愛因斯坦在明確提出質(zhì)能方程的33年以后，專家才知道核反應(yīng)。
原子彈是運用非常容易裂變式的重原子在裂變式一瞬間釋放出來極大的能量基本原理而爆炸的?？梢陨a(chǎn)制造原子彈的重原子是我們熟知的鈾235和钚239，而鈾235在大自然中的總量是十分有限的，并且鈾235和鈾238混在一起，他們相對高度類似，不太好分離出來，這時候就要運用離心脫水機把鈾235從鈾238里邊甩出去。
以鈾235為例子，原子彈是熱中子在碰撞鈾235原子之后瓦解成鋇144和氪89，并釋放出來200兆電子伏動能和2-3個氫核，釋放出來的2-3個氫核又還將繼續(xù)碰撞別的鈾原子，隨后鈾原子還將繼續(xù)瓦解并釋放出來更多氫核，如此往復(fù)產(chǎn)生鏈反應(yīng)，隨后有了很大動能。愛因斯坦的質(zhì)能方程可用于表述核變反映里的質(zhì)量虧損，其公式為E=mc^2，在其中E是動能，m代表品質(zhì)，而c也表示光的速度
質(zhì)能方程強調(diào)物體的質(zhì)量則是動能的含量度量，簡單的說就是品質(zhì)越多動能越多，也說明表明，物質(zhì)化學(xué)物質(zhì)可以互相變換。運用量子論質(zhì)增關(guān)聯(lián)，隨后融合動量定理和動能定理，就推論出質(zhì)能方程，推論環(huán)節(jié)中我們不難發(fā)現(xiàn)并沒涉及到一切原子的事。核彈頭都出現(xiàn)于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，質(zhì)能方程頂多是品質(zhì)極小的物件也有一定的動能，但沒告知后代如何釋放出來原子內(nèi)能量。因此愛因斯坦當時也是并不了解原子能夠能量釋放。
原子彈到底有多難造？以至于全球僅“少數(shù)擁有”
原子彈之所以難造，是因為其原料之一“鈾235”極難獲取。
1964年，羅布泊的上空一聲轟然巨響，中國自行研制的第一顆原子彈爆炸成功，震驚了世界。
原子彈是核武器之一，它利用核裂變從而釋放出巨大的能量，“核”是重原子核，主要有鈾235、钚239和鈾233三種裂變原子。其中鈾235是主要物質(zhì)，但想要獲取優(yōu)質(zhì)的鈾235十分不易，雖然鈾235和鈾238屬于同一元素的同位素，但鈾235在鈾原子中的含量極小，100多個鈾原子中只能調(diào)出一個鈾235。抽取鈾235，也成了制造原子彈中的一個難題。
科學(xué)家為解決這個難題，最終發(fā)明了“氣體擴散法”：鈾235和鈾238屬于同一元素，但二者的質(zhì)量并不相同，鈾235原子要比鈾238原子輕約1%，再讓二者處于氣體狀態(tài)時，就可以使這兩個原子分離。說來簡單，可其中的環(huán)節(jié)如果出現(xiàn)任何微小的差錯，所有努力都將覆水東流。
而核裂變又是什么？我們知道，木材或煤礦的燃燒也會釋放能量，但這僅僅來自于碳、氫和氧的化合反應(yīng)，其釋放的能量也十分有限；TNT等化學(xué)炸藥釋放的能量要更強烈些，但卻來自化合物的分解反應(yīng)；在這些化學(xué)反應(yīng)中，無論是哪一種，它們的原子核都沒有變化，只是改變了這些原子的組合狀態(tài)。而在核裂變反應(yīng)過程中，參與反應(yīng)的原子核都會發(fā)生根本性的變化，實際上也只有原子核參與其中，所以我們將之稱為核裂變。 
原子彈與核反應(yīng)堆的理論依據(jù)相同，都需要核裂變鏈式反應(yīng)，如果想讓原子彈釋放其能量，只需要讓原子核中的中子系數(shù)k大于1即可，因為在原子核的中子系數(shù)等于1時，整個原子核趨向穩(wěn)定，當突破了1時，就會發(fā)生鏈式反應(yīng)。所以理論上的核反應(yīng)堆也可以像原子彈一樣釋放巨大的能量，但核反應(yīng)堆的重量可以達到幾千噸，這樣大的質(zhì)量讓裂變物質(zhì)的利用率變得很低。原子彈與之相反，需要在減小重量的同時加大能量釋放的威力，但這種臨界重量很難控制，稍有差池，后果將不堪設(shè)想，這同樣也是制造原子彈中的一大難題。
原子彈制造極難，這是大家都知道的，但更多人也都或多或少的聽到過：中國是世界上制造原子彈耗時最短的國家。與美國的6年研制時間相比，中國僅用了5年的制造時間，這樣的速度震驚了世界，各國人民都對中國豎起大拇指，并稱贊中國人：你們真厲害。
原子彈的原理是什么？是怎么被制造出來的？為什么很難制造？
在74年前的1945年，美國分別于8月6日和8月9日向日本的廣島和長崎投下了剛研發(fā)成功的原子彈，日本天皇隨即于8月15日宣布日本無條件投降，提前結(jié)束了第二次世界大戰(zhàn)。
原子彈爆炸
前言——中子發(fā)現(xiàn)
說到原子彈，這要從放射性元素的研究說起，科學(xué)界最著名的女性居里夫人的女兒和女婿，法國科學(xué)家約里奧-居里夫婦在實驗中發(fā)現(xiàn)了一種強穿透力的射線，當時他們以為是一種伽馬射線，后來被英國著名物理學(xué)家盧瑟福的學(xué)生查德威克證明是一種他老師盧瑟福預(yù)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(xué)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(chǔ)原理——核裂變發(fā)現(xiàn)
但勤奮是居里家族的優(yōu)良傳統(tǒng)，很快，約里奧-居里夫婦通過中子轟擊鈾核來產(chǎn)生新的放射性元素，并以此獲得了1935年的諾貝爾化學(xué)獎，與錯失的諾貝爾物理學(xué)獎同年頒發(fā)。
當然故事還沒結(jié)束，在通過中子轟擊制造新元素的過程中，約里奧-居里夫婦發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象，通常情況下鈾核吸收一個中子以后產(chǎn)生衰變通過放出α粒子或β粒子從而使原子序數(shù)增加或減少1-2，但實驗中發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)少量原子序數(shù)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(quán)落到了德國物理學(xué)家邁特納和哈恩手上，約里奧-居里夫婦所發(fā)現(xiàn)的正是核裂變！
終極原理——鏈式反應(yīng)發(fā)現(xiàn)
再一次錯失重大發(fā)現(xiàn)的約里奧-居里夫婦依然不屈不撓，他們這次選擇了從哪里跌倒就從哪里爬起，繼續(xù)深入研究了核裂變反應(yīng)。根據(jù)重核中子數(shù)占比遠高于輕核的自然現(xiàn)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(chǎn)生出2到3個中子，而這2到3個中子會繼續(xù)轟擊周圍的鈾核導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，結(jié)果大量的鈾核在互相轟擊下幾乎同時產(chǎn)生核裂變并釋放出大量能量，這就是原子彈制造的基礎(chǔ)——鏈式反應(yīng)。
鏈式反應(yīng)
難點一：鈾235提純
物理過程搞清楚了但是問題來了，并不是所有的鈾都能產(chǎn)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%，其余99%以上都是不能裂變的鈾238。（這就是為什么當初約里奧-居里夫婦在轟擊實驗中只發(fā)現(xiàn)了少量輕核的原因）關(guān)鍵問題是鈾238不單不能通過吸收中子產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，它甚至?xí)斩嘤嗟闹凶?，也就是它至少能吸?個中子，這樣鈾235核裂變產(chǎn)生的2到3個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(xù)轟擊其余的鈾235，鏈式反應(yīng)瞬間停止了……
因此要使鏈式反應(yīng)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(jù)當時的計算，鈾235的濃度要達到90%以上才能用于制造核武器。這是當年制造核武器最大的難點。由于鈾235是混合在鈾238里面的，而且常規(guī)的鈾是固態(tài)的，而鈾235和鈾238是同一種元素，化學(xué)性質(zhì)幾乎完全一樣，所以根本沒法通過化學(xué)方法來提取鈾235，當時科學(xué)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，通過大型離心機把含有鈾的化學(xué)氣體中質(zhì)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(jīng)成為是否研究核武器的判斷標準之一了。
終極裂變材料——钚239發(fā)現(xiàn)
由于提純鈾235極其困難，很快科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一種核裂變材料——钚239，這是一種自然礦石里找不到的元素，原子序數(shù)是94，比天然最重的元素鈾的原子序數(shù)92還高2。這種元素最初是在核反應(yīng)堆里發(fā)現(xiàn)的，在核反應(yīng)堆里鈾238通過吸收一顆慢中子，會有一定概率通過兩次衰變成為钚239，而鈾238的天然含量巨大，是最容易獲得的鈾元素，而且钚的化學(xué)性質(zhì)與鈾完全不一樣，可以很方便的通過化學(xué)方法從鈾中提取出來，因此钚239成了制造原子彈的最佳選擇。钚239是在核反應(yīng)堆里自然產(chǎn)生的，而核反應(yīng)堆的鈾235濃度要求只有3%，遠低于核武器要求的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(shè)計
除了提純，引爆裝置的設(shè)計也是難點之一。由于鏈式反應(yīng)必須在擁有足夠的臨界質(zhì)量以上時才能發(fā)生，否則由于質(zhì)量過低而中子快速跑飛而無法進行下一輪轟擊反應(yīng)。另一方面，反應(yīng)物（鈾235或钚239）質(zhì)量過大超過了臨界質(zhì)量，則會自動反應(yīng)并發(fā)生爆炸。因此單塊的反應(yīng)物必須小于臨界質(zhì)量，而起爆時讓其快速超過臨界質(zhì)量并發(fā)生鏈式反應(yīng)，問題是這過程必須足夠快，否則鏈式反應(yīng)剛開始產(chǎn)生的熱膨脹就又炸開了，鏈式反應(yīng)就無法進行下去。
美國最早設(shè)計了兩種引爆方式：
一種是槍式，在一個類似槍膛的管內(nèi)放入兩塊以上對于臨界質(zhì)量的反應(yīng)物（鈾235），引爆時通過炸藥推動鈾塊壓逼在一起導(dǎo)致鈾塊質(zhì)量超過臨界質(zhì)量，并同時壓迫末端中子源鈹，釋放出中子，在中子轟擊下發(fā)生鏈式反應(yīng)產(chǎn)生核爆炸。這種引爆方式的缺點非常明顯，就是在鏈式反應(yīng)初期就由于能量釋放產(chǎn)生熱膨脹導(dǎo)致鈾塊的臨界密度降低從而結(jié)束鏈式反應(yīng)。74年前美軍投向廣島的原子彈“小男孩”就是使用這種設(shè)計，結(jié)果原子彈內(nèi)封裝的約60kg高濃縮鈾235大約只反應(yīng)了1kg，反應(yīng)率只有1%多一點，但經(jīng)不住鈾多，爆炸還是很猛烈的，大約相當于1.5萬噸TNT當量。
槍式設(shè)計
另一種設(shè)計是內(nèi)爆式，這種設(shè)計把低于臨界質(zhì)量的反應(yīng)物（钚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(chǎn)生的熱膨脹會向內(nèi)壓迫包裹钚球的殼體，殼體變形并擠壓里面的钚球?qū)е骂?39的密度極具增加并超過臨界狀態(tài)，擠壓同時導(dǎo)致钚球中心的中子源鈹球釋放出中子引起連鎖反應(yīng)并瞬間爆炸。這種設(shè)計從核心起爆反應(yīng)均勻，能最大限度地利用反應(yīng)物，反應(yīng)率遠高于槍式設(shè)計。74年前美軍投向長崎的原子彈“胖子”即為內(nèi)爆式設(shè)計，并使用比鈾235更易裂變和更易提取的钚239作為反應(yīng)物。這顆钚彈只使用了約6kg的钚239，但爆炸當量達到了2.2萬噸TNT當量，比反應(yīng)物多十倍的“小男孩”鈾彈還高。
內(nèi)爆式設(shè)計
祈望
原子彈、氫彈等核武器作為一種大規(guī)模殺傷性武器，具有極大的危險性，但同時由于其震懾力也使少數(shù)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(xiàn)在目前第三次世界大戰(zhàn)還沒有發(fā)生，核武器功不可沒。但畢竟這是一種危險的武器，現(xiàn)在大國設(shè)立了核不擴散條約制約無核國家研究核武器，我們希望視界和平，希望人類再也用不著核武器！
