科学瞎想系列之六十七 核武器是个什么鬼

在说核武器之前先说说嘛叫武器,所谓武器就是军事斗争的工具。从广义的理解,所有能够削弱敌方军事力量的工具都是武器,除了宝宝们常说的枪炮之类的东东,还包括用于心理战的宣传工具、用于信息战的干扰设备、计算机病毒软件等等都可以称为武器。我们这里所说的武器是指狭义理解的武器,也叫兵器,是指能够直接杀伤敌方作战人员、破坏和摧毁敌方军事设施的工具。杀伤和摧毁敌方的人员和设施,意味着要对他们做功,让敌人的脑袋搬家、让敌方的东西失效乃至粉碎,这就需要所使用的工具必须含有能量或便于对工具施加能量使其达到最佳的杀伤效果,因此武器一定是与能量密不可分的!而含有能量的大小和所使用能源的能量密度是衡量兵器杀伤力的重要指标。在冷兵器时代,常见的武器包括刀枪剑戟斧钺钩叉等等,它们共同的特点就是武器本身并不含有能量,而是在作战时通过人力来达到杀伤效果,其杀伤力和作用范围很有限。随着我们的老祖宗发明了火药,标志着热兵器时代的到来,所谓热兵器,就是兵器中广泛应用了火药、燃料等含有化学能的材料,这种以化学能作为主要能源的武器称为常规武器,常规武器所含的能量虽比冷兵器大出很多倍,但它们的杀伤力、有效作用范围和持续时间仍然是有限的,不会造成大规模杀伤和战后严重的环境灾难。本期所说的核武器就不然了,核武器是利用原子核内的能量来实现杀伤效果,其能量密度和爆炸当量远高于以化学能为能源的常规武器,杀伤力和对环境的破坏程度以及持续时间都是灾难性的,属于大规模杀伤性武器,正因如此核武器通常用作战略威慑,一旦把这些恶魔一样的家伙真正用于实战,后果将不堪设想,恐怕我们的地球也就没了,更主要的是宝宝们再也看不到老师的瞎想了!核武器为什么会有那么大的破坏力?它的原理是什么?今天老师就给宝宝们揭开核武器神秘的面纱,看看核武器究竟是个神马鬼!

1 什么叫核武器

核武器是指利用核反应所释放的巨大能量产生大规模杀伤效果的武器,包括氢弹、原子弹、中子弹、三相弹、反物质弹等。与常规武器相比,核武器最大的特点就是所利用的能量来自核能。

2 核能

2.1 原子的结构

为了便于宝宝们理解,我们先从简单的说起,宝宝们在日常生活中对如何才舒服都有个切身体会,就是能坐着不站着,能躺着不坐着,从科学的角度解释,就是系统所含的能量越低越稳定,这里引入一个“能态”的概念,即系统所含能量的状态,高能态是一种不稳定的状态,任何系统都趋于向低能态发展。能态是相对的,宝宝们站着的势能比坐着高,坐着比躺着高,所以宝宝们下班回家就喜欢来个葛优躺;两个异性磁极相对拉开一定距离时,就处于高能态,它们希望吸引到一起处于低能态;一个男宝宝和一个女宝宝单独相处就处于不安分的高能态,他们希望紧紧抱在一起处于低能态……

众所周知,物质由原子构成,原子由原子核和核外电子组成,原子核是原子的核心,带正电荷,电子带负电荷,平时核外电子被原子核的正电荷吸引而围绕着原子核旋转,核外电子并不是乱七八糟地分布在原子核外,而是分层围绕着原子核旋转,离原子核越近的电子能态越低,所以电子都希望进入内层轨道,靠核心近一些,从这方面看,核外电子很有核心意识。电子从外层轨道越迁到内层轨道时就会对外释放出两个能态的能级差的能量,同样,当原子吸收能量后,内层电子也可以跳到外层,甚至逃脱原子核的束缚变成自由电子,这就使其变成了不安分的高能态。对于常规燃料,都是在发生化学变化过程中释放出化学能,化学能的本质是处于高能态的原子重新组合,从高能态组合成一个低能态,从而释放出两个能态所含的能量差值。这种能量的变化只是核外电子分布变化引起的,其数量级是基于电磁作用而产生的,不涉及原子核内部的变化。我们再说说原子核,原子核里有两种粒子——质子和中子,质子带正电荷,中子不带电,二者质量几乎相等,根据原子核内质子数量的多少,分成了不同的元素,有个叫门捷列夫的老夫子把地球现存的所有元素按照其原子核内的质子数和化学性质归纳总结了一个表,叫做元素周期表,每种元素在这个表中都占据一个牌位。牌位靠前的元素,原子核内的质子和中子数量较少,质量也较小,我们称之为轻核,牌位越靠后,原子核内质子和中子数量越多,质量也越大,我们称之为重核。

2.2 四种基本作用力

通常情况下,原子核里的质子和中子数量基本相等,它们像男宝宝和女宝宝一样抱得很紧,它们之间的结合力是爱情的力量,物理上称这种力为强相互作用力。自然界里存在四种基本作用力,按照作用强度排序,从强到弱依次为强相互作用力、电磁作用力、万有引力、弱相互作用力;从力程(也就是作用的范围)看,从长到短排序依次为弱相互作用力、强相互作用力、电磁作用力、万有引力。万有引力和电磁作用力的力程较长,能体现在宏观世界,因此宝宝们平时接触到的各种力都属于这两种作用力,强相互作用和弱相互作用力程极短,只有在原子核内的尺度范围内才能体现出来,距离稍远就没有了,所以宝宝们平时是接触不到的,但强相互作用力很大,数量级上是电磁作用的100多倍,质子、中子一旦靠近到强相互作用的力程范围,就被这种强相互作用牢牢地结合在一起,同时释放出巨大的核能量。

2.3 核裂变

接下来才是重点。一般情况下中等质量的原子核由于核内质子和中子数量适当,靠强相互作用紧紧抱在一起,形成非常稳定的“核心”,过着稳定舒坦的太平日子。但重核就不一样了,铀235就是自然界里存在的最重的原子核,它们核内的质子和中子数量很多,是一个超大家庭,家庭成员多了,就难免出现妯娌不合、勺碰锅沿的小矛盾,使家庭出现些小裂痕,于是有的家庭成员(主要是中子)就会生气地离家出走,成为单身狗,毕竟是负气离家,心里带着很大的怨气,必然要报复这个社会,于是这些单身狗中子就专门找那些看起来比较稳定的大家庭冲进去插上那么一腿,这一冲不要紧,把一个好端端的和谐大家庭撞了个四分五裂,撞出来更多的单身狗,这些单身狗再次撞击其它原子核,如此下去就形成了传说中的链式核裂变反应。这些被撞的七零八落的质子和中子们也不能老单着呀,于是它们就会重新组合新的家庭,总结以前的经验教训,再次组合时就不再组合那么大的家庭了,还是组合成稳定的中等质量的原子核吧,这样原来的一个重核就裂变成了若干个中等质量的原子核。新组合的家庭如新婚一样,活动消耗都比较大,这点宝宝们都懂的!这些重新组合的新家庭成员上秤一称,卧槽!吓一跳,所有小家庭成员的总体重比原来在超大家庭里的总体重轻了不老少,减轻的体重哪儿去了?有个叫爱因斯坦的爱大大就出来说话了,我知道去哪儿了,减轻的体重都被你们爱爱掉了,你们爱爱过程中把一部分体重变成了能量被释放出去了,你们知道经过那么折腾释放出了多少能量吗?释放的能量E=mc²,这就是传说中广义相对论的质能方程,m是你们减少的体重,c是光速,知道光速是多少吗?是300000000米/秒,它再一平方,卧槽,那能量大了去了!这就是核裂变释放的能量,它要比烧煤、烧油、普通炸药爆炸等释放的能量大了不知多少倍!这就是原子弹的威力!

2.4 核聚变

说完重核我们再说说轻核,自然界里最轻的元素是氢,氢元素有三个多胞胎兄弟,分别叫氕、氘,氚,氕核里只有一个质子没有中子,氘核里有一个质子和一个中子,氚核里有一个质子和两个中子,由于都只有一个质子,所以在元素周期表中共用一个牌位,称之为同素异型体。老大氕核里只有一个质子,虽孤单寂寞但它生性本分,已经习惯了单身生活,一人吃饱全家不饿,小日子过得还算稳定。另外两个同胞兄弟氘和氚就不同了,这哥俩喜欢玩刺激又爱互相攀比,老二氘羡慕老三氚养了个小三儿,老三氚风流成性,在自己得瑟的同时还吃着锅里看着碗里的,总是色咪咪地瞄着老二的漂亮媳妇,你想想这种家庭状态能消停得了吗?于是时不时就玩换妻游戏、玩合体,组成一个两夫两妻的组合体,同时踢出一个富余的小三儿。当然它们玩换妻游戏也不那么容易,你想想把两个大老爷们儿(带同性电荷的质子)硬生生地塞到一个房间(原子核)里,它们会有强大的斥力,而且距离越近斥力越大,必须要靠强大的压力和上亿摄氏度的温度来使质子以足够大的冲击速度冲破斥力的阻碍,达到强相互作用的力程范围,才能通过爱情的力量抱在一起变成一个较大的原子核,这就是传说中的核聚变。经过这么一折腾,再上秤一称,卧槽!两对组合体加一个被踢出的小三儿的体重比原来的氘氚两个家庭成员总体重又减轻了不老少,损失的体重去哪儿了?同样根据爱大大的理论,损失的体重又变成能量释放出去了!而且核聚变放出的能量比核裂变还要大很多倍!也就是说,氢弹的威力比原子弹要大得多!

3 原子弹

原子弹是利用核裂变释放的能量实现大规模杀伤的核武器。核裂变形成的条件有两个:一是要有自由的中子去撞击重原子核;二是要有一定尺度、足够多的重原子核,以便撞击产生的新自由中子能够有机会撞击其它的原子核,形成持续的链式反应。这就提出了一个问题,有多少重核才能维持链式反应的持续?研究和实践均表明,重核物质存在一个临界体积,小于这个体积时,即使有中子撞击也不能形成持续的链式反应,这时重核物质是非常安全的,不会发生核爆炸。当体积超过这个临界体积时,一旦有自由中子轰击,就会形成持续的裂变反应而发生核爆炸。这个临界体积与核燃料的形状、环境条件、材料纯度等因素有关,为了即保证核武器的安全又最大限度地提高核爆炸威力,设计计算核燃料的形状和临界体积是原子弹设计的核心技术。原子弹的原理就是把两块小于临界体积的核燃料(铀235)先分开放置,这样就很安全,引爆时用普通炸药爆炸产生的力把两块核燃料紧密地推压到一体,构成超过临界体积的大块核燃料,同时用一个产生中子的中子源去轰击核燃料,于是链式裂变反应瞬间展开,释放巨大核能量,宝宝们就会看到一个巨大的蘑菇云腾空而起,哦!原子弹就这么爆炸成功了!简单不?!回家自己试试吧!

4 氢弹

氢弹是利用氢元素中的氘和氚的核聚变反应释放的超大能量形成超大杀伤力的核武器。前面说了,实现核聚变的条件非常苛刻,需要上亿度的极高温度和极高压力,一般情况下是无法引起核聚变的,如何才能达到这种极其苛刻的聚变反应条件呢?我们自然就想到了原子弹,原子弹爆炸时释放的巨大能量会产生极高的温度和压力,足以把氘和氚核里的质子和中子挤压到一起聚变成一个新的原子核,因此如果你买一个氢弹,回家拆开一看,一定乐开了花,原来是买一送一,买个氢弹还赠送了个原子弹!我们可以这么说,原子弹是用普通炸药来点火引爆的,而氢弹则是由原子弹来点火引爆的。宝宝们知道氢弹的威力得有多大了吧!

除了以上老师讲得原子弹、氢弹外还有中子弹等其它核武器,篇幅原因老师就不一一瞎想了。相信看了这期瞎想,宝宝们对核能、核武器都有了一个基本的认识和了解,最起码以后再看到有关核武器、核试验的新闻报道,也大概知道是怎么回事了,跟女票也可以显摆、得瑟、吹牛逼了!记住赢得女票敬仰崇拜的眼神后别忘了给老师打赏!记住了吗!

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2018-01-13

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