原子弹和氢弹，谁的威力大？

核武器是现在人类掌握的威力最大的武器，存在当量的概念，即相当于多少吨TNT炸药爆炸的能量。如果是同样质量的原子弹和氢弹，氢弹的爆炸威力更大，大约是原子弹的4倍。本文将具体叙述原子弹和氢弹的核反应原理以及他们的区别。

原子弹和氢弹

1945年，美国在二战最后阶段向日本的广岛和长崎投放了两颗原子弹，耀眼的闪光和巨大的轰鸣之后，二十余万人死伤，城市被夷为平地。

从此，人们认识到核武器的巨大威力。二战之后，以美苏两国为首的冷战集团疯狂进行军备竞赛，原子弹数量和爆炸力直线提升。美国在日本投放的“小男孩”和“胖子”两颗原子弹不过是2万吨TNT当量，可是前苏联爆炸的沙皇氢弹却有5000万吨TNT当量。爆炸后的蕈状云宽达将近40公里，高达60公里，比珠穆朗玛峰还高7倍多；爆炸产生的热辐射甚至可以让远在170公里以外的人受到3级灼伤，爆炸的闪光还能造成220公里以外的眼睛剧痛与灼伤。

质能方程

核武器为什么有这么大威力？它的原理是什么呢？

为了解释这个问题，我们首先要从1905年，物理学上第二个奇异年说起。

之所以说是第二个，是因为第一个物理学奇异年是1666年。在那一年，牛顿回到乡下老家躲避瘟疫，结果在很短的时间内，他就发明了微积分、发现了光的色散，并提出了万有引力的思想，奠定了近代数学、光学和力学的基础。人们认为这是前无古人后无来者的事，就把1666年称为牛顿奇异年。

然而，1905年，还是专利局小职员的爱因斯坦连续发表了六篇论文，阐述了分子动理论、相对论、光电效应等问题，这六篇论文，每一篇都在科学史上有举足轻重的地位。于是，后人将这一年称为爱因斯坦奇异年。

在其中的一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗》中，爱因斯坦阐述了他的观点：物体的能量与它的质量有关。这就是著名的质能方程：

其中E表示能量，M是物体的质量，而C表示真空中光速c=3×10^8m/s。

如果一个物体的质量M=1kg，按照这个方程计算，这个物体的能量有9×10^16J， 大约相当于2000万吨TNT炸药爆炸释放的能量。

但是，怎么从没见过1kg的物体有这么大威力呢？这是因为，只有在核反应过程中，质量发生亏损，才会释放能量。

链式反应

在20世纪初，人们已经认识到原子是由原子核和核外电子构成的。发现这种结构的科学家卢瑟福特别喜欢使用α粒子（氦原子核）轰击各种其他物质。

例如，在1917年，他使用α粒子轰击氮（N）原子核，产生了氧（O）原子核和质子（p）。

这是人类第一次观测到原子核的变化。由于这是人为使用一个粒子撞击原子核促使原子核发生变化，因此称为人工核反应。

1938年，德国科学家奥托哈恩第一个发现了铀的裂变反应。

他使用中子（n）轰击铀（U）原子核，发现了钡（Ba）元素，反应方程是

在这个反应中，一个中子入射撞击到铀原子核上，使铀235转化为铀236，又继而变为钡144、氪89和3个中子。如果铀的体积和质量足够大，那么这三个中子会继续和三个铀235进行核反应，形成九个中子…如此这般，就会形成一种“雪崩效应”，短时间内产生许多次核反应。

人们把这种反应称为“链式反应”。在这个反应过程中，质子和中子的总量并不发生变化，但是平均每个质子和中子的质量却减少了，也就是发生了质量亏损。根据爱因斯坦的质能方程，这一部分质量亏损会转化成相应的能量。

​曼哈顿计划

当时，世界正笼罩在第二次世界大战的阴云之中。纳粹组织了以著名科学家海森堡为首的科学家团队，进行原子弹的研发。可是，进展却十分缓慢，原因之一是一大批有犹太血统的科学家，如爱因斯坦、赫兹等人，都被希特勒吓跑了，纳粹内部的内耗也相当严重，无法集中全部资源进行统一的研究工作。

在日本偷袭美国珍珠港之后，美国被正式卷入战争。美国已经是当时世界第一的工业强国，工业实力有目共睹，珍珠港事件又使得美国全国上下同仇敌忾。在得知纳粹德国正在进行原子弹研制计划时，许多美国军方的科学家都建议抢在希特勒之前研制成实用的原子弹。为此，他们怂恿爱因斯坦帮忙。

爱因斯坦是美籍德国犹太人，当时已经五十多岁了，在世界上享有巨大的声誉，纳粹上台之后他逃到了美国。他写信给罗斯福总统说：如果纳粹首先研制出原子弹，那对全世界都是一个灾难。在爱因斯坦的号召下，美国政府集合了以奥本海默为首的一大批科学家，开展了历时三年的曼哈顿计划。

在原子弹制造的过程中，最难的问题是如何将铀进行提纯。原子弹的原料铀235在自然界的铀中只占0.7%，其他的是它的同位素铀238。为了使链式反应能够发生，铀235的浓度必须达到某个值以上，这是因为如果浓度太低，裂变放出的中子无法撞击到下一个铀235原子核上，链式反应无法继续进行。曼哈顿计划大部分时间都在研究如何进行铀浓缩，到二战结束，美国提纯的铀也刚够制造一颗实验炸弹和两颗实战用弹。

不仅仅是铀的浓度要够高，铀的体积也需要够大，称为临界体积。因为原子核相比于原子非常小，如果铀体积不够，产生的中子很可能在原子核外的空间飞出去，链式反应也无法继续进行。

一个简单的原子弹模型如下：

在弹壳中有两块浓缩铀235，在二者之间有一块柱状铀棒，三者都没有达到临界体积，因此不会爆炸。在原子弹引爆时，柱状铀块上方的炸药爆炸，将铀棒推入两块铀之间，三者合在一起之后体积超过临界体积，原子弹爆炸。在铀块外面的中子反射层是用于反射中子，以减小临界体积。

原子弹的巨大威力造成了无差别攻击，使日本军人和普通民众同样承受了巨大伤亡。爱因斯坦获知这一消息之后后悔不已，说自己把原子弹从一个疯子（纳粹）手中夺下来，又交给了另一个疯子（美国）。

氢弹

不仅如此，二战之后，整个世界笼罩在核阴影之中。美苏等国家不光疯狂制造原子弹，更制造出一种威力更大的核武器：氢弹。

人们发现：氢元素的两种同位素氘（D）和氚（T）原子核距离非常近时，会变为一个氦（He）核和一个中子（n），核反应方程是：

在这个过程中，原子核质量会减少，，同时释放能量。

与同样质量的铀裂变相比，聚变放出的能量要大很多。太阳发光的核反应原理就是这样。

但是，要实现聚变，首先要将氘核和氚核之间的距离减小到10^-15m量级， 由于原子核之间带正电，这个过程需要巨大的能量。人们想到使用加热到几百万开尔文的办法引发聚变，因为在极高温度时，原子动能非常大，凭借巨大的动能原子核才可以克服库伦排斥力。

用什么办法才能获得这么高的温度呢？普通炸药是无法达到这个温度的。于是人们想到了原子弹。

一个简单的氢弹原理是这样的：在聚变材料内部，有普通炸药和铀235。引爆氢弹时，首先将普通炸药引爆，造成铀235聚集在一起，使之超过临界体积，原子弹爆炸。裂变反应释放的巨大能量产生高温引发聚变，聚变开始之后自身产生的热量就可以维持反应一直进行下去。氢弹爆炸时中心温度可达100亿度，比太阳的温度还要高。

冷战时，美苏两国储备的核武器可以把地球毁灭几十次，人们说：如果核战争爆发，那么下一次人类的战争可能只能使用木棒了。可也正是因为核武器有“同归于尽”的巨大威力，没有人敢轻易使用核武器，所以在日本遭受原子弹袭击之后，70多年来，核弹都没有再次应用于战场。

同时，人们利用核裂变技术制造了用于发电的核电站，相比于普通的火电站，核电站燃料消耗小，对环境的污染小，而且几乎是一种“取之不尽”的能源。