原子彈

原子彈，又稱裂變彈^[1]，是利用鈾、鈈等可裂變物質的核分裂連鎖反應釋放巨大能量而製成的爆炸裝置，為核子武器的其中一種。原子彈主要由核裝藥、反射層、引信等部件組成，分為槍式原子彈和收聚式原子彈兩種類型，其破壞力主要來源於強烈的光輻射、衝擊波、核輻射等效應。

原子彈的研發始於20世紀30年代後期，於二戰期間由美國通過曼哈頓工程率先研製成功，並於1945年8月在廣島和長崎投下兩枚原子彈。隨後蘇聯等國相繼試爆自製的原子彈。時至今日，全球已有9個國家擁有原子彈一類的核武器。

發展史

早在1938年年底，德國科學家奧托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼發現核分裂現象，此現象也被刊登於科學雜誌上。至1939年9月，科學界普遍同意製成原子彈的可能性，唯技術細節尚未明朗^[2]。除了德國外，當時研究原子彈的國家另有法國、美國、蘇聯、英國和日本。德國因為漢堡大學的教授向德國軍方進言的要求而研發核武器。1939年9月26日，德國軍備規劃局制定了鈾規劃，並着手開始進行對核武器的研製^[3]，以維爾納·海森堡為首組成特別小組^[2]。接着在1940年於德國佔領的挪威設立由法本公司管理的重水製造廠以大量生產重水來製造鈈，也研究著如何分離鈾-235。1941年尾，由於德國進攻蘇聯的作戰沒有達到期望的結果，戰爭轉為長期，絕大多數的資源被移到急需的坦克和飛機上，並得到了「3年內無法將原子彈實用化」的結論^[2]。1942年初，德國取消了研究計劃，雖然研究小組仍持續在工作並建造了數座小型實驗用核反應堆，但納粹德國的核武研究計劃就停留於理論上，已無有系統的生產計劃。雖然後來生產鈈的挪威工廠被英國突擊隊摧毀，但實質上對德國核武開發沒有決定性影響^[2]。

與此同時，日本也正籌劃他們的核武器研製計劃。1941年5月，日本陸軍大臣東條英機批准了空軍科技署的「製造鈾彈報告」，近百名科學家在仁科芳雄的帶領下開始執行「仁方案」^[3]。而此時，日本的核計劃卻遇到阻力。由於國內缺乏可供研究的「鈾」，且由於各大研究所並未合作而使得資源分散、進度緩慢。日本的核計劃在1943年初就宣告終止，原因是日本估計即使是進行單一的鈾分離工程也必須消耗全國10％的電力、半年的銅產量和十年的時間完成其必要設施，代價過於龐大^[2]。但研究人員仍持續在工作，1945年5月，德國U-234潛艇因德國戰敗，在大西洋上浮，向盟國投降，所載運往日本的540kg氧化鈾235被美軍秘密截獲並被用於曼哈頓計劃，並可能成為以鈾235為燃料的小男孩原子彈的材料來源；美國對外宣稱，其於馬六甲被美艦擊沉；日本之後也因為盟軍越來越頻繁的轟炸，研究工作一直受阻，核武發展直到戰爭結束都未脫離理論階段。

1939年，美國科學家利奧·西拉德擔心德國製造出核武器，希望美國政府能夠先行研製出，但是當他找到一些官員時，他們認為只是天方夜譚，最終他只得找到阿爾伯特·愛因斯坦^[4]。1939年8月2日，在愛因斯坦與其他幾名科學家一同致信美國總統富蘭克林·德拉諾·羅斯福，建議美國政府務必在納粹德國發明之前，研發出核武器^[5]。小羅斯福並沒有對此表示重視，而負責轉交信件的小羅斯福的科學顧問亞歷山大·薩克斯擔負起了說服小羅斯福的責任，他引用了一個著名的例子：當年拿破崙沒有採取富爾頓蒸汽船的建議，使其沒有建立起強大的海軍，最終不敵英國海軍。小羅斯福被薩克斯說服，決定研製核武器^[6]。

1939年10月19日，小羅斯福正式簽署了研製原子彈的文件，兩日後，美國成立了「研究原子武器的委員會」，代號為S-11^[7]。1942年6月，美國原子彈研製計劃正式開始，由於總部設在美國紐約的曼哈頓區，所以此項計劃又被稱為「曼哈頓計劃」^[6]。同月，小羅斯福與英國首相丘吉爾在華盛頓會晤，兩國決定聯合研製原子彈，即把英國原有的「合金管」計劃融入到「曼哈頓計劃」中^[6]。而此前逃亡到英國的一些法國科學家此時也加入到原子彈研究中^[6]。1942年，洛斯阿拉莫斯實驗室在新墨西哥州一望無際的沙漠上建立了起來^[6]。

1945年7月初，美國終於研製出了三枚原子彈，他們立即準備着手實驗^[6]。當得知要進行原子彈實驗時，美國總統杜魯門推遲了波茨坦會議時間，因為其希望該武器能夠在波茨坦會議期間爆炸，以提高美國的國際地位^[6]。7月15日，杜魯門到達波茨坦。7月16日5時29分45秒，歷史上的首枚原子彈在阿拉莫戈多沙漠上爆炸。^[6]

1945年7月30日，美英中三國在波茨坦向日本發出最後通牒，日本於同日拒絕接受。1945年8月6日早上8點15分，艾諾拉·蓋號在廣島上空投下人類歷史上第一枚用於戰爭的槍式原子彈小男孩，造成廣島十萬多居民死亡。1945年8月9日，B-29轟炸機大貨櫃在長崎上空投下收聚式原子彈胖子，導致長崎市近四萬人直接死亡^[8]，總計十四萬人員死傷^[6]。美國投向廣島和長崎的兩顆原子彈都是從提尼安島裝載起飛的。現在島上留有當時安放原子彈的鐵架等遺蹟。

第二次世界大戰結束後，蘇聯得知美國成功研製原子彈後，根據諜報立即展開製造原子彈的緊急計劃，並於1949年試爆第一枚原子彈。英國在參考曼哈頓計劃的情況下，於1952年試爆了自己的原子彈。1960年，法國試爆原子彈成功。中華人民共和國在原子彈製造初期獲得少量蘇聯援助，後來在旅美歸來的鄧稼先帶領下，於1959年6月開始研製核武器，1962年成功，於1964年引爆了自己的原子彈。1974年，印度引爆了自己的原子彈，而巴基斯坦也於1997年試爆了自己的核武器。至2017年為止，朝鮮則於2006年10月，2009年5月，2013年2月，2016年1月和9月共進行了五次核試驗。

原理

原子彈是利用鈾和鈈等較容易裂變的重原子核在核分裂瞬間可以發出巨大能量的原理而發生爆炸的^[1]。

鈾-235和鈈-239此類重原子核在中子的轟擊後，通常會裂變變成兩個中等質量的核，同時再放出2到3個中子和200百萬電子伏特的能量。在裂變中放出的中子，一些在裂變系統中損耗了，而一些則繼續進行重核分裂反應。只要在每一次的核分裂中所裂變出的中子數平均多餘一個，那麼核分裂即可以繼續進行，一次一次的反應後，裂變出的中子總數以指數形式增長，而產生的能量也隨之劇增。如果不加控制，最終，這個裂變系統會變為一個劇烈的鏈式裂變反應^[1]。

在此類重核分裂反應中，系統可以在極短的時間內釋放出大量的能量^[9]。當下一代中子數定位兩個時，在不到一微秒的時間內，一千克的鈾或鈈中會有 $2.5\times 10$ ²⁴個原子核發生裂變反應^[1]，而就在這不到一微秒的時間內，此反應所產生出能量相當於2萬噸TNT當量^[1]。這也是原子彈那極具破壞性威力的來源。

而在原子彈的實際使用及爆炸中，需要提高爆炸的威力，為了利用快中子裂變體系，需要使用高濃度的裂變物質作為裝藥^[10]，同時裝藥量必須遠遠超過臨界質量，使得中子的增值係數遠遠大於一^[10]。

結構

原子彈是由引爆控制系統，高能炸藥，反射層，含有核裝料的核部件，中子源及彈殼所組成^[10]。高能炸藥是推動和壓縮反射層以及核裝料的能量來源^[10]。反射層一般由鈹或鈾-238組成，其作用為反射連鎖反應中射出反應系統的中子，使其回到反應過程中繼續參與連鎖反應^[10]。鈾-238不止可以反射中子，因為其密度較大，還可以減緩核裝料在釋放能量過程中的膨脹，使得連鎖反應可以維持較長時間^[10]。核裝藥為原子彈引爆的主體，只有它的質量達到即發臨界，原子彈才會發生爆炸^[10]。

類型

根據原子彈的引發機制的不同，原子彈可分為「槍式」和「收聚式（內爆式）」兩種^[11]。現代原子彈通常綜合了這兩種結構的特點，以提高核裝藥的利用率和增強破壞力。

原子彈的兩種引發裝置

槍式

槍式原子彈內，兩塊皆小於臨界體積的半球形的裂變物質分開一定距離放置^[11]，中子源置於兩瓣裂物質中間^[11]。在核裝藥的球面上包裹了一層反射中子的材料（反射中子，提高連鎖反應效率），而中子反射層外是高速炸藥、傳爆藥以及雷管^[11]。雷管再與起爆器相連，起爆器能夠自動地起爆炸藥^[11]。

在起爆原子彈時，兩塊半球形裂變物質在炸藥的轟擊下迅速壓縮為一個扁球形，即刻即達到超臨界狀態^[11]。中子源此時釋放出大量的中子參與到連鎖反應中，使得裂變物質在極短的時間內釋放出巨大的能量，最終使得原子彈起爆^[11]。

內爆式

內爆式原子彈與槍式原子彈不同，普通的烈性炸藥被製成環形裝置，並且把小於臨界質量的裂變物質放置於鉢層當中^[11]。

炸藥起爆時，核裝藥小球被迅速壓緊超過臨界體積並起爆原子彈^[11]，內爆式原子彈的結構較為複雜，但是裝藥利用率高，破壞性大^[11]。

效應

原子彈的破壞力和殺傷破壞方式主要有光輻射、衝擊波、早期核輻射、電磁脈衝及放射性沾染等^[11]。在原子彈引爆後，核爆過程會釋放出強烈的輻射光。1枚當量在2萬噸左右的原子彈當在空中爆炸後，距離爆炸核心7000公尺的地方人會受到比陽光強13倍的光輻射的照射^[11]。而在2800公尺範圍內，光輻射會使人迅速致盲，且皮膚會因為光輻射照射而大面積灼傷潰爛，一些物體也會燃燒^[11]。核爆會產生出一種巨大的氣流超壓^[11]。一枚三萬噸當量的原子彈爆炸後，在離爆炸核心800公尺處，衝擊波會以每秒200公尺的速度襲捲一切^[11]。在原子彈最初起爆的幾十秒鐘內，核爆會釋放出中子流和γ射線^[11]。一枚兩萬噸當量的原子彈爆炸時，離它1100公尺以內的人員單位會受到射線和中子流的嚴重殺傷^[11]。核爆會製造出電磁脈衝，而電磁脈衝的電場強度可達1萬至10萬伏特，完全可以摧毀起爆點周圍的一切電子設備^[11]。隨着蕈狀雲的飄散會有大量的放射性粉塵飄落到地面，會對人體造成照射或皮膚灼傷，嚴重者最終導致死亡^[11]。