原子彈爆炸原理是什麼，為什麼會有這麼大的能量

2020-08-28 小八來科普

原子彈的基本原理是核裂變

核裂變就是某些質量較大的原子核在一定條件下分裂成為兩個或多個質量較小的原子核的一種核反應形式。

核裂變示意圖

原子彈的主要使用原料為鈾-235，我們就以鈾-235材料為例，它的原子核有92個質子和143個中子組成。當一個中子慢速撞擊鈾-235原子核時，鈾核就會發生裂變反應，產物有多種多樣，可以參考以下幾個方程：

鈾235裂變的幾種常見方程式

鈾核裂變會產生數量不等的中子以及能量，釋放出來的中子又可以轟擊其他鈾-235原子核，引發不斷的核裂變，稱之為鏈式反應。

不過由於原子核體積只佔整個原子的1/26000，周圍都是空隙，核裂變釋放的中子很容易錯過其他原子核而直接飛到外面，所以發生鏈式反應除了核反應必須要有中子產生之外，還必須滿足兩個條件：一個是核材料的純度要高，第二個就是核材料需達到臨界質量（維持裂變鏈式反應所需的最低質量）或臨界體積。核材料的純度越高，所需的臨界質量相對的就越低。

那麼為什麼會釋放這麼大的能量呢？核裂變的能量有多大呢？

這裡要提到一個方程：E=mc²(E表示能量，m代表質量，c表示光速),這是由德國的物理學家愛因斯坦於1905年提出的。

裂變過程中粒子反應前和反應後的質量並不相等，反應前的粒子質量要略大於反應後的粒子質量，虧損的質量就以能量的形式釋放出來。

假如1g鈾-235原子核全部裂變，虧損的質量△m約等於0.0009g，質量虧損率為0.09%。

1g鈾-235原子核完全裂變釋放的能量約為8.2*10^10J的能量。相當於20噸TNT炸藥爆炸所釋放出來的能量。我們如果將其全部轉化為電能，可以獲得約22800度電（1度電的能量為3.6*10^6J），可供一個普通家庭使用7~8年。

原子彈的主要構造與原理：

原子彈結構示意圖

原子彈主要由引爆控制系統、高能炸藥、反射層、核原料、中子源及彈殼所組成

1、 通過控制系統適時引爆高能炸藥

2、 炸藥引爆釋放的能量促使兩塊或多塊未達臨界質量的核原料（鈾235或鈽-239）合併為一整塊，使核原料超過臨界質量。

3、 中子源釋放中子，引發核裂變反應。

4、 反射層主要由鈾-238、碳化鎢等可反射中子的材料組成，可將洩露的中子再反射回核原料中，加速鏈式反應。

原子彈爆炸產生的破壞效應:

1、 衝擊波：由核爆炸形成的高溫高壓氣團以極高的速度向外膨脹引起，對生物體和建築物造成直接或者間接的破壞。

2、 光輻射：核爆炸形成的高溫高壓火球，在短時間內輻射出極其強烈的光和熱。物體吸收能量後溫度迅速上升，以至燃燒、熔化甚至直接蒸發。強光可使人眼底燒傷或暫時失明。光輻射引起的火災可造成大範圍的破壞。

3、 核輻射：核爆炸最初十幾秒鐘輻射出來的人眼看不見的伽馬射線和中子流，這兩種輻射都具有非常強的穿透力，所以也叫貫穿輻射。當射線照射到生物體，可直接或間接的破壞人細胞組織的分子或原子結構，造成疾病或死亡。

4、 放射汙染：核爆炸產生的核裂變碎片、感生放射性物質和未反應的核原料持續不斷的釋放α射線、β射線、γ射線等，其強度比早期核輻射低得多，但作用的時間卻長得多。它對人員的直接傷害有射線外照射、沾染皮膚造成灼傷和吸入放射性物質造成內照射。環境的沾染也會對人類造成間接危害。

5、 電磁脈衝：核爆炸產生的強脈衝射線和周圍物質相互作用產生的向外輻射的瞬時電磁場。當其遇到適當的接收體時，可在瞬間產生很高的電壓和很強的電流，損壞電子或電氣設備，使指揮控制通信系統失靈。如果是超高空核爆炸產生的電磁脈衝，那麼影響範圍就非常廣，可達遠離爆心數千公裡的目標。

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    我們熟知的核彈一般是指原子彈和氫彈，作用原理是核裂變和聚變。不過氫彈需要原子彈來引爆，而原子彈存在臨界質量才能起爆，所以1克的核彈是不存在的。除此之外，核聚變的能量轉化率只有0.7%，所以即便能爆炸，對1克來講，只有0.007克能完成轉化為能量，通過愛因斯坦的質能方程，算出能量是6.3*10^11焦耳，相當於150噸TNT威力。什麼事臨界質量呢？簡單說，放射性物質並不是隨時爆炸的，要不然自然界裡的放射性物質早把宇宙炸掉了，平時小塊分散的放射性元素都是在慢慢的發射能量，具體有多慢呢？
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    原子彈爆炸時，會有大量的電磁波輻射爆發，分布在可見光波段，紅外和紫外波段上。當熱輻射線作用於一個物體時，一部分能量會被反射，一部分被傳導和轉化掉，而剩下的會被吸收。吸收的比率取決於物體的特性和顏色。這塊石頭上，就有一個人的影子。由於當時住友銀行廣島分行距離爆心只有260米。原子彈爆炸時，熱輻射線就將坐在石階上的人瞬間氣化掉。而影子的形成，是因為這個人阻擋了部分熱輻射線，因此灼燒程度輕微一點。而沒被她阻擋的地方，則被熱輻射線燒焦。
  • 原子彈發明前,愛因斯坦怎麼知道原子核中含有巨大能量?
    上圖是由兩張圖片合成的，愛因斯坦本人從未出現在原子彈的爆炸地點，並且他和原子彈之間沒有直接關係，愛因斯坦知道原子核中含有巨大能量，也僅僅是從質能方程間接了解的。揭示了質量和能量之間的轉換關係，非常小的質量虧損在光速平方的作用下，都可以產生巨大的能量。1939年，德國科學家哈恩和斯特拉斯曼在用慢中子轟擊鈾核時，首次發現了原子核的裂變現象，發表了核裂變論文。到了1945年，第一顆原子彈在美國試爆成功，從此打開了潘多拉魔盒。從時間線可以知道，原子彈的誕生和愛因斯坦並無關係，只是原子彈爆炸的原理可以通過愛因斯坦的質能方程解釋而已。
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  • 氫彈有多恐怖,可瞬間將紐約化為灰燼,它的爆炸原理是什麼?
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  • 一顆原子彈爆炸殺傷面積有多大
    原子彈，是利用鈾或鈽等重原子核鏈式裂變反應，瞬間釋放出巨大能量並產生爆炸，具有大規模殺傷破壞作用的核武器，爆炸威力一般為幾百到幾萬噸TNT當量。作為人類研發的非常可怕的戰略級武器，原子彈除了在日本本土投入實戰以外，戰後將近80年來，還從未投入過實戰。
  • 原子彈能造成只有一粒米大小嗎?有多大的威力?
    這麼大的原子彈如果不存在核輻射的話，把它吃到肚子裡也不會炸破肚子的。因為它根本不會爆炸。這東西有臨界值得，必須足夠大才能引發鏈式反應。原子彈的爆炸原理通俗一點就是把N塊核裂變物質擠壓成一塊而使其超過臨界值而瞬間發生核裂變。當然這個臨界質量受純度的影響極大，但也絕不可能小到米粒。
  • 汶川地震能量相當於2萬顆長崎原子彈同時爆炸
    如果是7.8級的話，相當於在那一瞬間，2萬顆長崎原子彈同時爆炸；如果是7.9級，則是33700顆以上。這是一場可怕的災難，所帶來的巨大影響和重大損失是很難估計的。（附計算過程，見文章末尾）什麼是芮氏規模？
  • 一個米粒大小的原子彈,爆炸後威力有多大?
    目前美國的民兵3型差不多有50萬噸的當量，想像一下50萬噸TNT炸藥爆炸的情景，爆炸後還有各種核輻射的汙染，很長一段時間那個地方將寸草不生。 1945年8月，美國投到日本廣島的那顆原子彈（代號叫「小男孩」）採用的是槍式結構，彈重約4100公斤，直徑約71釐米，長約305釐米。核裝藥為鈾235，爆炸威力約為14000噸TNT當量。
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    1964年10月16日，這是中國揚眉吐氣的一天，因為中國第一枚原子彈在新疆羅布泊試爆成功。以當時的中國能夠製造出原子彈並成功試爆，確實是一件非常不容易的事，也難怪這枚原子彈會被稱作「爭氣彈」。如果不去切身體會原子彈的威力和輻射，那麼它最顯著的一個特點就是上升的蘑菇雲。這就引出一個有趣的問題，核爆炸後，是什麼過程決定了蘑菇雲的奇怪形狀呢？