用CO2激光将铀238打成铀235和钚239就可以制造原子弹了，用综合六次...生产。
- 教育综合
- 2024-05-27 07:57:20
原子弹为什么会很难制造？
原因就在于自然界的铀矿中存在的铀一般都是化合物，提炼起来非常困难，而纯净的金属铀的存在简直就是“放在一起就可以直接爆炸成为原子弹”
关于铀可以制造原子弹的事情，说起来还真有一段风云往事。
偶然发现原子核的分裂秘密
1938年的圣诞节，比以往时候来得要冷一些。
德国的哈恩教授与他的助手斯特拉斯曼在柏林的威廉皇家化学研究所里，正在拿一个中子源轰击92号铀元素，在他们的工作计划中，他们希望在轰击的产物中能找到大量的88号元素——也就是居里夫人发现的那个镭元素。
可是，事情似乎正在变得不可控，他们发现大量的92号铀元素正在分裂为差不多质量的2部分，比如说56号元素钡就产生的特别多一些。但是，这情况是以前从来没有预料到的，所以哈恩觉得很困惑。
对于原子核的分裂，则有点类似于整数分拆，如果没有强相互作用的束缚，那么整个原子核系统可以任意分裂：
比如4=1+1+1+1=2+1+1=3+1=2+2，一共是5种可能。
铀原子核的分裂，也像整数分拆，有很多可能。这背后有一定的规律，但这种规律是隐藏的，而且看上去像是随机的。
在那个时候，哈恩作为一个化学家，对这个规律有点吃不准。他很希望别的实验组也能够做类似的实验，大家相互验证一下实验结果。
于是，他就写信给当时已经被迫离开德国的女物理学家迈特纳。哈恩把实验的过程与结果全部和盘托出，告诉了迈特纳，他希望迈特纳也能做一下相同的实验，然后再提供一下相应的看法。
这种事情，迈特纳也是第一次听说，于是她把自己的外甥弗里兹（Otto Frisch）找来，一起讨论这个事情。两人最后想到，可以用玻尔的液滴模型来解释这个现象。
液滴模型的大概意思就是说，原子核就好像是一个小水滴，依靠表面张力保持一个近似球形的形状，但是，水滴是会变形的，也是会破碎的。
迈特纳与她的外甥
在铀原子核的内部存在一对矛盾——那就是正电荷之间的库仑的排斥作用，以及强相互作用的吸引力这一对矛盾。在正常的情况下，这一对矛盾力处于平衡状态，但当外来中子闯入的时候，平衡就有可能被打破。
这就好像是一个气球，里面已经不能再充多一点空气，如果有新的空气充进来，气球就会爆炸。
这个液滴模型很好的解释了原子核为什么会在中子的撞击下被破碎。但是，迈特纳与她的外甥毕竟是学物理的，比哈恩这样的化学家走得更远一些，他们计算了一下铀原子核分裂为2个碎片的质量，发现2个碎片的质量之和小于原来的质量，这当然就意味着质量损失，而根据爱因斯坦的E=Mc2这个公式，损失的质量会全部转化为能量，这是相当可观的。
原子核时代的到来
当时的国际形势已经很明显，德国正在准备入侵波兰，准备第二次世界大战。
在这种情况下，迈特纳与她外甥就把这个关于原子核裂变的消息转告给了正要登船去美国的玻尔，让这物理大师把这个消息转告给在美国的爱因斯坦，评估一下这个事情是不是可以用在炸弹的制作上。
作为物理人，大家都懂的，这原子核裂变会放出能量，而且，还有一个细节也是很重要的，那就是每次裂变的时候，会有多余的自由中子射出来，这就是类似以前汤生研究放电的时候所谓的雪崩效应一样，中子越来越多的话，反应会越来越激烈——当然前提是你有足够多的铀。
比方说，一个中子轰击铀后，假设会发出2个中子，那么2个中子去轰击铀，会发出4个中子……
那么碰撞n次以后，中子的个数就有个了，这样的话，如果有大量的铀，能发出十分巨大的能量。
这被称为链式反应，或者说自持反应。
哈恩也没有闲着，自己写了一个文章，把这个事情在学术界全部公开了。他这样一喊，消息既然已经走漏出去，马上就有新的物理组跟进研究，其中居里夫人的女儿，约里奥?居里（曾是钱三强先生的研究生导师）的小组也验证了这些现象，并且也写了一篇文章发表在《自然》杂志上，文章的题目是“一个慢中子轰击铀核引起的快中子的发射”。
于是，在1939年，一些聪明人都可以看出来，人类已经从电与光的时代，进入了一个原子核能量的新时代。这一切是在1939年发生的。从1925年海森堡建立原子核外电子运动与光谱学，到1939年，这14年可以被认为是一个过渡时期。
现在，这个过渡时期终于结束了。
1939年4月24日，也就是在居里的文章发表后两天，德国汉堡大学就有教授给德国军事部领导写信，要求研究核爆炸装置的可行性，并且说：“第一个拥有核爆炸装置的国家，一定会具有其他国家无法超越的军事实力。”
巧用资源“曲线救亡”
但是，铀元素具有2种不同质量的同位素，就好像双胞胎一样，就是重量稍有区别，一个是235amu，一个是238amu。
而且，铀238在中子的轰击下是不会发生裂变的（就是分成质量差不多相等的2小块），因此，它不可能被用来做原子弹。可是，地球上的铀矿石中，99%以上的含量是铀238，铀235少得可怜。事情没有那么简单，科学家马上发现，铀238不是不堪一用的废物，在中子的轰击下，它可以变成93号元素，然后再转变为94号元素。94号元素是钚元素，与铀235一样是可以裂变的，因此铀238也可以做原子弹的原材料。因此，这是一次“曲线救国”的故事——相当于你花100元钱买来了铀238，用中子轰击一下，它们变成了原子弹的原材料，价值就会翻n番，变成100万，因此，铀238可以成为原子弹生产的原材料。
原子弹没发明时，爱因斯坦是如何知道原子核里面有巨大力量的？
原子弹没发明时，爱因斯坦是如何知道原子核里面有巨大力量的？众所周知原子弹还是非常有破坏力的核弹之一，很多人都认为是爱因斯坦基础理论造成了原子弹发明，实际上都是空穴来风的事，爱因斯坦和原子弹发明并没直接地联络，仅仅带来了基础理论适用。爱因斯坦在明确提出质能方程的33年以后，专家才知道核反应。
原子弹是运用非常容易裂变式的重原子在裂变式一瞬间释放出来极大的能量基本原理而爆炸的。可以生产制造原子弹的重原子是我们熟知的铀235和钚239，而铀235在大自然中的总量是十分有限的，并且铀235和铀238混在一起，他们相对高度类似，不太好分离出来，这时候就要运用离心脱水机把铀235从铀238里边甩出去。
以铀235为例子，原子弹是热中子在碰撞铀235原子之后瓦解成钡144和氪89，并释放出来200兆电子伏动能和2-3个氢核，释放出来的2-3个氢核又还将继续碰撞别的铀原子，随后铀原子还将继续瓦解并释放出来更多氢核，如此往复产生链反应，随后有了很大动能。爱因斯坦的质能方程可用于表述核变反映里的质量亏损，其公式为E=mc^2，在其中E是动能，m代表品质，而c也表示光的速度
质能方程强调物体的质量则是动能的含量度量，简单的说就是品质越多动能越多，也说明表明，物质化学物质可以互相变换。运用量子论质增关联，随后融合动量定理和动能定理，就推论出质能方程，推论环节中我们不难发现并没涉及到一切原子的事。核弹头都出现于原子内部结构，质能方程顶多是品质极小的物件也有一定的动能，但没告知后代如何释放出来原子内能量。因此爱因斯坦当时也是并不了解原子能够能量释放。
原子弹到底有多难造？以至于全球仅“少数拥有”
原子弹之所以难造，是因为其原料之一“铀235”极难获取。
1964年，罗布泊的上空一声轰然巨响，中国自行研制的第一颗原子弹爆炸成功，震惊了世界。
原子弹是核武器之一，它利用核裂变从而释放出巨大的能量，“核”是重原子核，主要有铀235、钚239和铀233三种裂变原子。其中铀235是主要物质，但想要获取优质的铀235十分不易，虽然铀235和铀238属于同一元素的同位素，但铀235在铀原子中的含量极小，100多个铀原子中只能调出一个铀235。抽取铀235，也成了制造原子弹中的一个难题。
科学家为解决这个难题，最终发明了“气体扩散法”：铀235和铀238属于同一元素，但二者的质量并不相同，铀235原子要比铀238原子轻约1%，再让二者处于气体状态时，就可以使这两个原子分离。说来简单，可其中的环节如果出现任何微小的差错，所有努力都将覆水东流。
而核裂变又是什么？我们知道，木材或煤矿的燃烧也会释放能量，但这仅仅来自于碳、氢和氧的化合反应，其释放的能量也十分有限；TNT等化学炸药释放的能量要更强烈些，但却来自化合物的分解反应；在这些化学反应中，无论是哪一种，它们的原子核都没有变化，只是改变了这些原子的组合状态。而在核裂变反应过程中，参与反应的原子核都会发生根本性的变化，实际上也只有原子核参与其中，所以我们将之称为核裂变。 
原子弹与核反应堆的理论依据相同，都需要核裂变链式反应，如果想让原子弹释放其能量，只需要让原子核中的中子系数k大于1即可，因为在原子核的中子系数等于1时，整个原子核趋向稳定，当突破了1时，就会发生链式反应。所以理论上的核反应堆也可以像原子弹一样释放巨大的能量，但核反应堆的重量可以达到几千吨，这样大的质量让裂变物质的利用率变得很低。原子弹与之相反，需要在减小重量的同时加大能量释放的威力，但这种临界重量很难控制，稍有差池，后果将不堪设想，这同样也是制造原子弹中的一大难题。
原子弹制造极难，这是大家都知道的，但更多人也都或多或少的听到过：中国是世界上制造原子弹耗时最短的国家。与美国的6年研制时间相比，中国仅用了5年的制造时间，这样的速度震惊了世界，各国人民都对中国竖起大拇指，并称赞中国人：你们真厉害。
原子弹的原理是什么？是怎么被制造出来的？为什么很难制造？
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！
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，我们希望视界和平，希望人类再也用不着核武器！
