刚过去的8月6日是广岛原子弹爆炸74周年纪念日，在74年前的1945年，美国分别于8月6日和8月9日向日本的广岛和长崎投下了刚研发成功的原子弹，日本天皇随即于8月15日宣布日本无条件投降，提前结束了第二次世界大战。

原子弹爆炸

前言——中子发现

说到原子弹，这要从放射性元素的研究说起，科学界最著名的女性居里夫人的女儿和女婿，法国科学家约里奥-居里夫妇在实验中发现了一种强穿透力的射线，当时他们以为是一种伽马射线，后来被英国著名物理学家卢瑟福的学生查德威克证明是一种他老师卢瑟福预言的新粒子——中子。约里奥-居里夫妇错失了一个诺贝尔奖，1935年诺贝尔物理学奖颁给了中途截胡的查德威克。

约里奥-居里夫妇和钱三强

基础原理——核裂变发现

但勤奋是居里家族的优良传统，很快，约里奥-居里夫妇通过中子轰击铀核来产生新的放射性元素，并以此获得了1935年的诺贝尔化学奖，与错失的诺贝尔物理学奖同年颁发。

当然故事还没结束，在通过中子轰击制造新元素的过程中，约里奥-居里夫妇发现一个奇怪的现象，通常情况下铀核吸收一个中子以后产生衰变通过放出α粒子或β粒子从而使原子序数增加或减少1-2，但实验中发现会出现少量原子序数少一大截的元素，这在当时约里奥-居里夫妇无法解释，最终解释权落到了德国物理学家迈特纳和哈恩手上，约里奥-居里夫妇所发现的正是核裂变！

核裂变

终极原理——链式反应发现

再一次错失重大发现的约里奥-居里夫妇依然不屈不挠，他们这次选择了从哪里跌倒就从哪里爬起，继续深入研究了核裂变反应。根据重核中子数占比远高于轻核的自然现象，他们推论出当铀核被中子轰击裂变成两个较轻的原子核的过程中将产生出2到3个中子，而这2到3个中子会继续轰击周围的铀核导致连锁反应，结果大量的铀核在互相轰击下几乎同时产生核裂变并释放出大量能量，这就是原子弹制造的基础——链式反应。

链式反应

难点一：铀

235

提纯

物理过程搞清楚了但是问题来了，并不是所有的铀都能产生核裂变的，只有铀235可以，而铀235在所有的天然铀中含量大约只有0.71%，其余99%以上都是不能裂变的铀238。（这就是为什么当初约里奥-居里夫妇在轰击实验中只发现了少量轻核的原因）关键问题是铀238不单不能通过吸收中子产生连锁反应，它甚至会吸收多余的中子，也就是它至少能吸收1个中子，这样铀235核裂变产生的2到3个中子很快就会被比自身多一百多倍的铀238吸收完了，无法继续轰击其余的铀235，链式反应瞬间停止了……

因此要使链式反应生效的方法是要提高铀235的浓度，这就是常说的铀235提纯。根据当时的计算，铀235的浓度要达到90%以上才能用于制造核武器。这是当年制造核武器最大的难点。由于铀235是混合在铀238里面的，而且常规的铀是固态的，而铀235和铀238是同一种元素，化学性质几乎完全一样，所以根本没法通过化学方法来提取铀235，当时科学家提出了好几种方法，但都耗能异常巨大，需要耗费大量能源，目前最常用的方法是气体离心法，通过大型离心机把含有铀的化学气体中质量较轻的铀235提取出来，因此目前是否拥有大型离心机已经成为是否研究核武器的判断标准之一了。

终极裂变材料——钚

239

发现

由于提纯铀235极其困难，很快科学家发现了另一种核裂变材料——钚239，这是一种自然矿石里找不到的元素，原子序数是94，比天然最重的元素铀的原子序数92还高2。这种元素最初是在核反应堆里发现的，在核反应堆里铀238通过吸收一颗慢中子，会有一定概率通过两次衰变成为钚239，而铀238的天然含量巨大，是最容易获得的铀元素，而且钚的化学性质与铀完全不一样，可以很方便的通过化学方法从铀中提取出来，因此钚239成了制造原子弹的最佳选择。钚239是在核反应堆里自然产生的，而核反应堆的铀235浓度要求只有3%，远低于核武器要求的90%，因此，核武器的提纯工艺要求瞬间大降了。

难点二：引爆装置设计

除了提纯，引爆装置的设计也是难点之一。由于链式反应必须在拥有足够的临界质量以上时才能发生，否则由于质量过低而中子快速跑飞而无法进行下一轮轰击反应。另一方面，反应物（铀235或钚239）质量过大超过了临界质量，则会自动反应并发生爆炸。因此单块的反应物必须小于临界质量，而起爆时让其快速超过临界质量并发生链式反应，问题是这过程必须足够快，否则链式反应刚开始产生的热膨胀就又炸开了，链式反应就无法进行下去。

美国最早设计了两种引爆方式：

一种是枪式，在一个类似枪膛的管内放入两块以上对于临界质量的反应物（铀235），引爆时通过炸药推动铀块压逼在一起导致铀块质量超过临界质量，并同时压迫末端中子源铍，释放出中子，在中子轰击下发生链式反应产生核爆炸。这种引爆方式的缺点非常明显，就是在链式反应初期就由于能量释放产生热膨胀导致铀块的临界密度降低从而结束链式反应。74年前美军投向广岛的原子弹“小男孩”就是使用这种设计，结果原子弹内封装的约60kg高浓缩铀235大约只反应了1kg，反应率只有1%多一点，但经不住铀多，爆炸还是很猛烈的，大约相当于1.5万吨TNT当量。

枪式设计

另一种设计是内爆式，这种设计把低于临界质量的反应物（钚239）做成球形，外层包裹着炸药，起爆时同时点燃外层炸药，瞬间产生的热膨胀会向内压迫包裹钚球的壳体，壳体变形并挤压里面的钚球导致钚239的密度极具增加并超过临界状态，挤压同时导致钚球中心的中子源铍球释放出中子引起连锁反应并瞬间爆炸。这种设计从核心起爆反应均匀，能最大限度地利用反应物，反应率远高于枪式设计。74年前美军投向长崎的原子弹“胖子”即为内爆式设计，并使用比铀235更易裂变和更易提取的钚239作为反应物。这颗钚弹只使用了约6kg的钚239，但爆炸当量达到了2.2万吨TNT当量，比反应物多十倍的“小男孩”铀弹还高。

内爆式设计

祈望

原子弹、氢弹等核武器作为一种大规模杀伤性武器，具有极大的危险性，但同时由于其震慑力也使少数几个有核大国取得了军事平衡，谁也不敢动谁，很多人认为现在目前第三次世界大战还没有发生，核武器功不可没。但毕竟这是一种危险的武器，现在大国设立了核不扩散条约制约无核国家研究核武器，我们希望世界和平，希望人类再也用不着核武器！