本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
看到不少網友對這種問題有興趣，就來說一下。
首先，讓我們了解一下原子彈是個啥玩意。
所謂原子彈是核武器的一種，是指通過核裂變釋放出的巨大能量，發生劇烈爆炸，利用光熱輻射、衝擊波、放射性等效應造成殺傷和破壞作用，使用後還會導致大面積放射性汙染，是一種大規模殺傷性武器。核武器還包括氫彈，這裡不展開來說。
原子彈的結構主要有引爆控制系統、高能炸藥、中子源、中子反射層、核裝料、彈殼等部分組成，核裂變裝藥主要為鈾-235或鈽-239。其爆炸原理是利用這些裝藥的質量臨界點，將每一塊裝藥設置在臨界點之下，然後通過常規炸藥，將這些核裝藥塊迅速擠壓到一起，從而形成連鎖反應，爆發出巨大能量。
何謂質量臨界點？就是放射性裂變材料維持鏈式反應的最小質量，達到了這個質量，裂變材料就會自己發生自持式連鎖反應，導致爆炸。臨界質量的大小取決於材料的種類、結構密度、幾何形狀、有無中子反射層等。有中子反射層的球形鈾-235臨界點為15kg左右，鈽為10kg左右。
原子彈的威力有多大？
原子彈爆炸的原理是當一個中子打到鈾-235原子核，就可以使這個鈾核發生裂變，放出2到3個中子，這個過程是隨機的，因此平均約2.5個中子。在這個過程，會有一點點質量虧損，這些失去的質量就變成能量釋放了。
這個過程的反應式為：U235+1n→Ba142+Kr91+3n。
從反應式我們可以看到鈾-235核子質量為235.0439，加上1個中子質量為為1.0087，總質量為236.0526；裂變後產生一個鋇-141，質量為140.9139，和一個氪-92，質量為91.8973，再加上3個中子，質量共為235.8373。質量虧損為0.2153，虧損比為0.0912%。
也就是說，1kg的鈾-235，在裂變中轉化為其他物質質量為0.999088kg，其中有0.000912kg的物質轉化為能量了。這個能量轉化出來有多大呢？這裡需要用到愛因斯坦質能方程，其表達式為E=MC^2，這裡的E為能量，M為質量，C為光速。根據這個公式計算：E=0.00912*300000000^2=8.2^14J
答案是1kg鈾-235完全發生裂變反應的話，可以得到8.2萬億焦耳能量。1噸炸藥能量相當於4184000000焦耳，1kg鈾-235完全連鎖反應爆發出來的能量相當1.96萬噸炸藥的爆炸威力。
實際上，原子彈爆炸威力遠遠達不到這個水平。
原子彈爆炸威力達不到上述計算水平，並不是愛因斯坦的質能方程有問題，而是存在兩個無法解決的問題：一是核燃料做不到100%純度，1kg核裝藥就沒有1kg鈾核質量；二是這些裝藥的核裂變反應並不能全部完成，很多核裝藥還沒來得及反應就被炸飛了。
美國上世紀投放到日本廣島的首個原子彈外號叫」小男孩「，裝了鈾-235藥料64公斤，採用的引爆方式是槍式結構，也就是像用槍射擊一樣的把幾塊分開的鈾-235塊迅速擠壓在一起，使之達到質量臨界點，發生連鎖反應。具體是將這些鈾塊分成4塊，讓每一塊都沒有達到臨界質量，起爆時用常規炸藥爆炸力量將其中一塊射向其他三塊，形成整塊超臨界質量的鈾-235，引發裂變連鎖反應。
理論上這個爆炸威力有多大呢？按質能方程計算得：64*0.000912*300000000^2≈5.25*10^15J/4184000000≈1255525噸炸藥。也就是這顆原子彈如果完美的發揮出核裂變威力，就相當約125.5萬噸TNT烈性炸藥爆炸當量。
但實際上，據後來評估，這次爆炸威力只相當於1.3萬噸TNT當量，只達到理論能量的1%多點，也就是還沒有達到1kg純鈾-235全部裂變釋放的能量。
人類有能力製造米粒大的原子彈嗎？
從上述原子彈爆炸的原理，我們可以看出目前製造的的原子彈，是依靠核裂變連鎖反應的質量臨界點來實現爆發的，小於質量臨界點的原子彈無法實現爆發。
從目前的用於原子彈裝藥的兩種主要藥料來看，鈾-235的質量臨界點在15kg左右，鈽-239的質量臨界點在10kg左右，小於這個質量就無法形成連鎖反應。因為鈾核裂變放出的中子必須要打到另一個鈾核，如果沒有達到臨界質量，中子碰到鈾核的概率就小於1，鏈式反應就難以為繼。因此從目前的人類技術水平來看，還無法製造出很微小的原子彈。
當然，這個臨界點並不是絕對的，在創造某些條件的情況下，可以發生改變。比如在鈾-235球外面包裹一層中子反射層，臨界質量就可以降低。但這種降低也是有限度的，比如中子反射層效率很高狀態下，把裝料臨界下降到3公斤。但要下降到以克計算，甚至一個米粒大小，目前技術還無法達到。
但這裡可以測算一下這個米粒大小的核藥有多大威力。
這裡說的米粒只是裡面的裝藥為一個米粒大小，如果要包括整個結構和外殼，米粒大小的核彈就更無法做到了。
有人測量過一粒米的重量，有大有小，一般的米約為20mg。米的密度約1.6g/cm^3，鈾-235的密度為約19g/cm^3，約為米的12倍，因此如果1個米粒大的鈾-235質量約為240mg。按照核聚變質量轉化率0.0912%計算，240mg將有0.21888mg的質量轉化為能量，根據質能方程（略去計算過程），可得到約4.7噸TNT烈性炸藥的爆炸威力。
但實際上，原子彈核裝藥利用率只有約1%，這樣這個只有米粒大小核裝藥的微型原子彈，爆炸威力為47kg炸藥的當量，因此其破壞力也是不可小覷的。
就是這樣，歡迎討論，感謝閱讀。
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