說的專業一點就是,核裂變有一個臨界值概念,這個問題限制了裂變原子彈的裝藥量,裝藥太少不足以引爆核彈,裝藥太多它有可能自爆,可以理解為“走火”,而氫彈就沒有這個問題,氫彈的核裝藥可以無限堆積,堆的越多威力就越大。
要明白臨界值,先要搞清楚核裂變,簡單來講就是一個極不穩定(帶有放射性)的原子受到高速粒子撞擊後,粉碎成小型原子,這個過程會釋放出巨大能量和更多的高速粒子。
(圖示:核裂變過程)
一個鈾-235原子被中子撞擊後,一般會碎裂成2到3個小原子,釋放出2到5箇中子,鈽-239的裂變差不多。如果這些高速中子再繼續撞擊其它的不穩定原子,就會繼續釋放出能量和高速粒子,以此類推持續下去就是鏈式反應,可以理解為核裂變連續進行。
但是,核裂變的前提是高速中子擁有足夠的速度,並且撞到了不穩定的原子核,而原子核又是體積非常小的存在,它只佔據原子的很小一部分體積,就好比太陽的質量和體積很大,但在太陽系中是個很小的存在,彗星都很難裝到它。同樣的道理,高速中子也很難撞到不穩定的原子核,想讓核裂變連續進行並不容易。
(電子很難撞到原子核,因為它的體積非常小)
這就需要增大不穩定質子的數量,來提高中子撞到原子核的機率,就好比你開槍射擊800m外的一個人會非常困難,可如果800m外站滿了人,隨意開槍就能命中其中的一個人。質子的增加就是核裝藥質量和體積的增加,只有達到一定的質量和體積才能引發鏈式反應,這個標準就是臨界值。
(原子太少的情況下,只有很少數原子核能被撞到)
臨界值與很多因素有關,核裝藥(鈽、鈾)的純度、外形等等,但不管什麼樣的外形,它都是有一個極限的,這個極限往往就是核裝藥數量的最大值,一旦超過這個值,高速中子很容易就能撞到一個原子核,核裝藥在沒有外力作用的情況下,都有可能引發鏈式反應造成危險後果。
(如果原子非常多的情況下,只要啟動核裂變,大部分的原子核都會被撞到)
以槍式原子彈為例,這種結構內部包括塊高純度的金屬鈾,一塊固定安置(被稱為子彈),另一塊可在外力作用下移動(被稱為目標),這兩塊金屬鈾都不能達到臨界值,如果將金屬鈾加工成圓球狀,那麼它的臨界值大概就是52千克,很明顯這種槍式原子彈的核裝藥上限也就是100千克了,因為裝太多的話會讓兩個金屬塊裝藥的質量逼近臨界值,進而導致原子彈很不穩定。
(槍式結構原子彈)
當然了,現實中的原子彈裝藥不一定都是半球裝,而具體的形狀又會導致臨界值變化,工程師可以透過最佳化裝藥形狀來提高臨界值,進而給原子彈裝進去更多的鈾-235金屬,但不管怎麼說,這都是有極限的(爆炸威力不僅和裝藥數量有關,還與撞擊速度、密度、純度等其它許多因素有關,在工程上都是可以最佳化的)。一般認為,美國在1955年製造的MK-18助爆式原子彈,裝藥已經被最佳化到極限,威力也已經到達最上限,大約50萬噸TNT炸藥的爆炸當量,這個當量也被認為是原子彈的威力極限。
但是氫彈就不一樣了,氫彈利用的是核聚變原理,輕質量的原子在高溫高壓作用下融合成一個原子,期間會有少量質子和中子伴隨著大量能量釋放出來,這個聚變過程不需要高速中子撞擊原子核,也就是不依賴鏈式反應,只要周圍的溫度和壓強滿足需要,哪怕只有兩個原子也能進行核聚變。
(上圖是氫彈的結構簡圖,次級部分的核聚變材料不受臨界值影響)
同理,這個核聚變也是沒有上限的,因為不管你堆積了多少核聚變材料,只要外界的溫度和壓強沒有達到引發核聚變的標準,核彈都是安全、穩定的,因此在抗的動的前提下,氫彈的威力可以無限提高,把地球上所有的核聚變材料裝進一顆氫彈內也是沒問題的。目前,導彈運載能力最大的國家,往往能製造出威力最大的氫彈,比如蘇聯的“大伊萬”,爆炸當量5000萬噸TNT裝藥,是目前已知最大威力的氫彈,之所以有這個上限,是因為太重的話導彈抗不動,而非氫彈的設計上限。
說的專業一點就是,核裂變有一個臨界值概念,這個問題限制了裂變原子彈的裝藥量,裝藥太少不足以引爆核彈,裝藥太多它有可能自爆,可以理解為“走火”,而氫彈就沒有這個問題,氫彈的核裝藥可以無限堆積,堆的越多威力就越大。
要明白臨界值,先要搞清楚核裂變,簡單來講就是一個極不穩定(帶有放射性)的原子受到高速粒子撞擊後,粉碎成小型原子,這個過程會釋放出巨大能量和更多的高速粒子。
(圖示:核裂變過程)
一個鈾-235原子被中子撞擊後,一般會碎裂成2到3個小原子,釋放出2到5箇中子,鈽-239的裂變差不多。如果這些高速中子再繼續撞擊其它的不穩定原子,就會繼續釋放出能量和高速粒子,以此類推持續下去就是鏈式反應,可以理解為核裂變連續進行。
但是,核裂變的前提是高速中子擁有足夠的速度,並且撞到了不穩定的原子核,而原子核又是體積非常小的存在,它只佔據原子的很小一部分體積,就好比太陽的質量和體積很大,但在太陽系中是個很小的存在,彗星都很難裝到它。同樣的道理,高速中子也很難撞到不穩定的原子核,想讓核裂變連續進行並不容易。
(電子很難撞到原子核,因為它的體積非常小)
這就需要增大不穩定質子的數量,來提高中子撞到原子核的機率,就好比你開槍射擊800m外的一個人會非常困難,可如果800m外站滿了人,隨意開槍就能命中其中的一個人。質子的增加就是核裝藥質量和體積的增加,只有達到一定的質量和體積才能引發鏈式反應,這個標準就是臨界值。
(原子太少的情況下,只有很少數原子核能被撞到)
臨界值與很多因素有關,核裝藥(鈽、鈾)的純度、外形等等,但不管什麼樣的外形,它都是有一個極限的,這個極限往往就是核裝藥數量的最大值,一旦超過這個值,高速中子很容易就能撞到一個原子核,核裝藥在沒有外力作用的情況下,都有可能引發鏈式反應造成危險後果。
(如果原子非常多的情況下,只要啟動核裂變,大部分的原子核都會被撞到)
以槍式原子彈為例,這種結構內部包括塊高純度的金屬鈾,一塊固定安置(被稱為子彈),另一塊可在外力作用下移動(被稱為目標),這兩塊金屬鈾都不能達到臨界值,如果將金屬鈾加工成圓球狀,那麼它的臨界值大概就是52千克,很明顯這種槍式原子彈的核裝藥上限也就是100千克了,因為裝太多的話會讓兩個金屬塊裝藥的質量逼近臨界值,進而導致原子彈很不穩定。
(槍式結構原子彈)
當然了,現實中的原子彈裝藥不一定都是半球裝,而具體的形狀又會導致臨界值變化,工程師可以透過最佳化裝藥形狀來提高臨界值,進而給原子彈裝進去更多的鈾-235金屬,但不管怎麼說,這都是有極限的(爆炸威力不僅和裝藥數量有關,還與撞擊速度、密度、純度等其它許多因素有關,在工程上都是可以最佳化的)。一般認為,美國在1955年製造的MK-18助爆式原子彈,裝藥已經被最佳化到極限,威力也已經到達最上限,大約50萬噸TNT炸藥的爆炸當量,這個當量也被認為是原子彈的威力極限。
但是氫彈就不一樣了,氫彈利用的是核聚變原理,輕質量的原子在高溫高壓作用下融合成一個原子,期間會有少量質子和中子伴隨著大量能量釋放出來,這個聚變過程不需要高速中子撞擊原子核,也就是不依賴鏈式反應,只要周圍的溫度和壓強滿足需要,哪怕只有兩個原子也能進行核聚變。
(上圖是氫彈的結構簡圖,次級部分的核聚變材料不受臨界值影響)
同理,這個核聚變也是沒有上限的,因為不管你堆積了多少核聚變材料,只要外界的溫度和壓強沒有達到引發核聚變的標準,核彈都是安全、穩定的,因此在抗的動的前提下,氫彈的威力可以無限提高,把地球上所有的核聚變材料裝進一顆氫彈內也是沒問題的。目前,導彈運載能力最大的國家,往往能製造出威力最大的氫彈,比如蘇聯的“大伊萬”,爆炸當量5000萬噸TNT裝藥,是目前已知最大威力的氫彈,之所以有這個上限,是因為太重的話導彈抗不動,而非氫彈的設計上限。