核武器是現在人類掌握的威力最大的武器，存在當量的概念，即相當於多少噸TNT炸藥爆炸的能量。如果是同樣質量的原子彈和氫彈，氫彈的爆炸威力更大，大約是原子彈的4倍。本文將具體敘述原子彈和氫彈的核反應原理以及他們的區別。
原子彈和氫彈1945年，美國在二戰最後階段向日本的廣島和長崎投放了兩顆原子彈，耀眼的閃光和巨大的轟鳴之後，二十餘萬人死傷，城市被夷為平地。
從此，人們認識到核武器的巨大威力。二戰之後，以美蘇兩國為首的冷戰集團瘋狂進行軍備競賽，原子彈數量和爆炸力直線提升。美國在日本投放的「小男孩」和「胖子」兩顆原子彈不過是2萬噸TNT當量，可是前蘇聯爆炸的沙皇氫彈卻有5000萬噸TNT當量。爆炸後的蕈狀雲寬達將近40公裡，高達60公裡，比珠穆朗瑪峰還高7倍多；爆炸產生的熱輻射甚至可以讓遠在170公裡以外的人受到3級灼傷，爆炸的閃光還能造成220公裡以外的眼睛劇痛與灼傷。
質能方程
核武器為什麼有這麼大威力？它的原理是什麼呢？
為了解釋這個問題，我們首先要從1905年，物理學上第二個奇異年說起。
之所以說是第二個，是因為第一個物理學奇異年是1666年。在那一年，牛頓回到鄉下老家躲避瘟疫，結果在很短的時間內，他就發明了微積分、發現了光的色散，並提出了萬有引力的思想，奠定了近代數學、光學和力學的基礎。人們認為這是前無古人後無來者的事，就把1666年稱為牛頓奇異年。
然而，1905年，還是專利局小職員的愛因斯坦連續發表了六篇論文，闡述了分子動理論、相對論、光電效應等問題，這六篇論文，每一篇都在科學史上有舉足輕重的地位。於是，後人將這一年稱為愛因斯坦奇異年。
在其中的一篇論文《物體的慣性同它所含的能量有關嗎》中，愛因斯坦闡述了他的觀點：物體的能量與它的質量有關。這就是著名的質能方程：
其中E表示能量，M是物體的質量，而C表示真空中光速c=3×10^8m/s。
如果一個物體的質量M=1kg，按照這個方程計算，這個物體的能量有9×10^16J， 大約相當於2000萬噸TNT炸藥爆炸釋放的能量。
但是，怎麼從沒見過1kg的物體有這麼大威力呢？這是因為，只有在核反應過程中，質量發生虧損，才會釋放能量。
鏈式反應在20世紀初，人們已經認識到原子是由原子核和核外電子構成的。發現這種結構的科學家盧瑟福特別喜歡使用α粒子（氦原子核）轟擊各種其他物質。
例如，在1917年，他使用α粒子轟擊氮（N）原子核，產生了氧（O）原子核和質子（p）。
這是人類第一次觀測到原子核的變化。由於這是人為使用一個粒子撞擊原子核促使原子核發生變化，因此稱為人工核反應。
1938年，德國科學家奧託哈恩第一個發現了鈾的裂變反應。
他使用中子（n）轟擊鈾（U）原子核，發現了鋇（Ba）元素，反應方程是
在這個反應中，一個中子入射撞擊到鈾原子核上，使鈾235轉化為鈾236，又繼而變為鋇144、氪89和3個中子。如果鈾的體積和質量足夠大，那麼這三個中子會繼續和三個鈾235進行核反應，形成九個中子…如此這般，就會形成一種「雪崩效應」，短時間內產生許多次核反應。
人們把這種反應稱為「鏈式反應」。在這個反應過程中，質子和中子的總量並不發生變化，但是平均每個質子和中子的質量卻減少了，也就是發生了質量虧損。根據愛因斯坦的質能方程，這一部分質量虧損會轉化成相應的能量。
當時，世界正籠罩在第二次世界大戰的陰雲之中。納粹組織了以著名科學家海森堡為首的科學家團隊，進行原子彈的研發。可是，進展卻十分緩慢，原因之一是一大批有猶太血統的科學家，如愛因斯坦、赫茲等人，都被希特勒嚇跑了，納粹內部的內耗也相當嚴重，無法集中全部資源進行統一的研究工作。
在日本偷襲美國珍珠港之後，美國被正式捲入戰爭。美國已經是當時世界第一的工業強國，工業實力有目共睹，珍珠港事件又使得美國全國上下同仇敵愾。在得知納粹德國正在進行原子彈研製計劃時，許多美國軍方的科學家都建議搶在希特勒之前研製成實用的原子彈。為此，他們慫恿愛因斯坦幫忙。
愛因斯坦是美籍德國猶太人，當時已經五十多歲了，在世界上享有巨大的聲譽，納粹上臺之後他逃到了美國。他寫信給羅斯福總統說：如果納粹首先研製出原子彈，那對全世界都是一個災難。在愛因斯坦的號召下，美國政府集合了以奧本海默為首的一大批科學家，開展了歷時三年的曼哈頓計劃。
在原子彈製造的過程中，最難的問題是如何將鈾進行提純。原子彈的原料鈾235在自然界的鈾中只佔0.7%，其他的是它的同位素鈾238。為了使鏈式反應能夠發生，鈾235的濃度必須達到某個值以上，這是因為如果濃度太低，裂變放出的中子無法撞擊到下一個鈾235原子核上，鏈式反應無法繼續進行。曼哈頓計劃大部分時間都在研究如何進行鈾濃縮，到二戰結束，美國提純的鈾也剛夠製造一顆實驗炸彈和兩顆實戰用彈。
不僅僅是鈾的濃度要夠高，鈾的體積也需要夠大，稱為臨界體積。因為原子核相比於原子非常小，如果鈾體積不夠，產生的中子很可能在原子核外的空間飛出去，鏈式反應也無法繼續進行。
一個簡單的原子彈模型如下：
在彈殼中有兩塊濃縮鈾235，在二者之間有一塊柱狀鈾棒，三者都沒有達到臨界體積，因此不會爆炸。在原子彈引爆時，柱狀鈾塊上方的炸藥爆炸，將鈾棒推入兩塊鈾之間，三者合在一起之後體積超過臨界體積，原子彈爆炸。在鈾塊外面的中子反射層是用於反射中子，以減小臨界體積。
原子彈的巨大威力造成了無差別攻擊，使日本軍人和普通民眾同樣承受了巨大傷亡。愛因斯坦獲知這一消息之後後悔不已，說自己把原子彈從一個瘋子（納粹）手中奪下來，又交給了另一個瘋子（美國）。
氫彈不僅如此，二戰之後，整個世界籠罩在核陰影之中。美蘇等國家不光瘋狂製造原子彈，更製造出一種威力更大的核武器：氫彈。
人們發現：氫元素的兩種同位素氘（D）和氚（T）原子核距離非常近時，會變為一個氦（He）核和一個中子（n），核反應方程是：
在這個過程中，原子核質量會減少，，同時釋放能量。
與同樣質量的鈾裂變相比，聚變放出的能量要大很多。太陽發光的核反應原理就是這樣。
但是，要實現聚變，首先要將氘核和氚核之間的距離減小到10^-15m量級， 由於原子核之間帶正電，這個過程需要巨大的能量。人們想到使用加熱到幾百萬開爾文的辦法引發聚變，因為在極高溫度時，原子動能非常大，憑藉巨大的動能原子核才可以克服庫倫排斥力。
用什麼辦法才能獲得這麼高的溫度呢？普通炸藥是無法達到這個溫度的。於是人們想到了原子彈。
一個簡單的氫彈原理是這樣的：在聚變材料內部，有普通炸藥和鈾235。引爆氫彈時，首先將普通炸藥引爆，造成鈾235聚集在一起，使之超過臨界體積，原子彈爆炸。裂變反應釋放的巨大能量產生高溫引發聚變，聚變開始之後自身產生的熱量就可以維持反應一直進行下去。氫彈爆炸時中心溫度可達100億度，比太陽的溫度還要高。
冷戰時，美蘇兩國儲備的核武器可以把地球毀滅幾十次，人們說：如果核戰爭爆發，那麼下一次人類的戰爭可能只能使用木棒了。可也正是因為核武器有「同歸於盡」的巨大威力，沒有人敢輕易使用核武器，所以在日本遭受原子彈襲擊之後，70多年來，核彈都沒有再次應用於戰場。
同時，人們利用核裂變技術製造了用於發電的核電站，相比於普通的火電站，核電站燃料消耗小，對環境的汙染小，而且幾乎是一種「取之不盡」的能源。
李永樂老師：北京大學物理與經濟雙學士，清華大學電子工程碩士；北京市中學物理教師/物理競賽教練。從教十年，培養清華北大學生200餘人，國際奧賽、亞洲奧賽、國家奧賽金牌十餘名。
掃二維碼，關注公眾號
↙↙↙點擊下方「閱讀原文」，進入李老師直播課網站。