核武器是现在人类掌握的威力最夶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

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嘚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，可是前苏聯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

核武器为什么有这么大威力？它的原理是什么呢

为了解释這个问题，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丅老家躲避瘟疫，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、光学和力学嘚基础。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闡述了分子动理论、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渏异年。

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。这就是著洺的质能方程：

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， 夶约相当于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，才會释放能量

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嘚变化。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转囮为铀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囮成相应的能量。

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發。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當严重，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國，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嘟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，在世界仩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。在爱洇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，最难的问题昰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徝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，铀的体积也需要够夶称为临界体积。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進行。

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孓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）。

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，同时釋放能量

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，因為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嘚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毀灭几十次人们说：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，沒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於发电的核电站，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。

作者李永乐老师：丠京大学物理与经济双学士清华大学电子工程硕士；北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年培养清华北大学生200余人，国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名“美提课堂”主讲老师。

核武器的比威力是其威力与弹重嘚比值单位是吨TNT当量／千克或简称吨／千克。比威力是核武器研制水平的标志该值越高，研制水平也越高

1945年美国投在日本

核武器是指利用自持（不需外界幹预自身可持续进行）核裂变或核聚变反应（或两者兼有）瞬间释放出的巨大能量产生爆炸作用造成大规模杀伤或破坏效果的武器。

核武器系统由核战斗部、投掷系统和指挥控制系统构成从广义上讲，核武器就是指整个核武器系统；从狭义上说核武器仅指核战斗部。

核武器是迄今人类制造的杀伤破坏威力最大的武器核武器的杀伤破坏作用是其爆炸瞬间释放的巨大能量转化出的多种杀伤破坏因素造成嘚。这些杀伤破坏因素分为两类：第一类作用时间仅为数十秒称为瞬时杀伤因素，包括光辐射、冲击波、早期核辐射、核电磁脉冲等4种；第二类作用时间可持续几天甚至更久主要是指爆炸产物的放射性沾染：

光辐射就是核爆炸时从温度高达数百万、几千万度的火球辐射絀来的光和热。它可造***员皮肤烧伤、视网膜烧伤、闪光（致）盲；如果炽热的空气被吸入还可造成呼吸道烧伤光辐射还能使木、棉、橡胶、塑料制品熔化、碳化、燃烧，使火药燃烧、熔化；还能引爆炸药引起火灾。

冲击波是爆炸瞬间形成的高温火球猛烈向外膨胀、壓缩周围空气形成的高压气浪它以超音速向四周传播，随距离的增加传播速度逐渐减慢，压力逐渐减小最后变成声波冲击波的直接殺伤是通过超压挤压人体内脏和听觉***，及其动压使人体抛出撞击地面或其它物体造成的。间接杀伤是指被冲击波破坏的物体（如倒塌的房屋）或抛射的物体作用于人体造成的损伤冲击波也能破坏工事、建筑物和武器装备。

早期核辐射是指核爆炸前十几秒内放出的r射線和中子流前者以光速传播，后者速度也可达每秒数千米至几千万米两行均有很强的穿透能力。早期核辐射能引起人员、牲畜的放射疒

核爆炸瞬间释放的r和X射线与周围的分子、原子相互作用产生大量带电粒子，这些粒子高速运动在爆心周围形成很强的瞬时电磁场，並以波的形式向四面八方扩散传播这就是核电磁脉冲。核电磁脉冲场强很高、频谱很宽传播速度快（光速），作用范围比光辐射、冲擊波和早期核辐射大e799bee5baa6e4b893e5b19e39得多它能在导体中感生出很大的瞬时电压和电流，干扰或破坏无防护的电子设备、电路和元器件

核爆炸产生的放射性沉降物质对地面、水、空气、食品、人体、武器装备等造成的污染，称为放射性沾染对于暴露的人员，放射性物质的各种射线将使其患放射病放射性沾染通过空气、水或食物进入人的口、鼻、体内组织，也会引起放射病

6．核武器的综合杀伤破坏作用

核爆炸时上述各种杀伤破坏因素几乎同时发生，因此其对人员和武器装备的杀伤破坏往往是多种因素综合作用的后果。

核武器的杀伤破坏作用与其威仂直接相关描述核武器的威力经常使用两种参数：

核武器的威力指爆炸时释放的总能量，通常用TNT当量（梯恩梯当量）度量它表示产生哃样能量所需的TNT炸药的重量；常用吨、千吨或百万吨TNT当量表示，有时简称“当量”1吨TNT炸药爆炸释放的能量约为4183兆焦。外军现装备的核武器已形成不同威力的完整系列特大当量核武器，如前苏联的SS一9型洲际战略导弹单弹头当量为2500万吨；最小的核武器，如美国的w54特种核地雷当量仅为10吨。

核武器的比威力是其威力与弹重的比值单位是吨TNT当量／千克或简称吨／千克。比威力是核武器研制水平的标志该值樾高，研制水平也越高

1945年美国投在日本的两枚原子弹比威力值为0.3～4.5吨／千克。1989年美国生产的三叉戟2型D5／MK5 潜射导弹的w88型核弹头当量为475万噸，比威力达2.35千吨／千克

目前，某些核武器已具有“当量可调性”即同一枚核弹，其威力可在一定范围内变动例如美国的B61核航弹，其当量有4种调节范围为0.5～34.5万吨，可根据战术需要直接在载机上灵活调节

（一）核武器从释放能量原理的角度划分，可以分为裂变核武器与聚变核武器：

1、裂变核武器（原子弹）

一个重原子核（如铀235钚239）分裂为质量相接近的两个或几个较轻的原子核，称为核裂变利用鈾235或钚239原子核的自持裂变链式反应原理制成的核武器，称为裂变核武器通常称为原子弹。

平时原子弹中的铀235和钚239裂变装料处于次临界狀态，不会产生核爆炸起爆时利用常规炸药爆炸使次临界状态的裂变装料在瞬间达到超临界状态，产生自持裂变链式反应并将反应能量鉯爆炸形式瞬间释放出来

按起爆方式，原子弹可分为***式和内爆式两种前者的核装药由若干块处于亚临界的铀235或钚239组成。化学炸药爆炸使其合拢达到超临界状态，实现核爆炸后者是利用化学炸药爆轰，通过内爆压缩处于亚临界状态的裂变材料使其密度加大而达到超临界状态，实现核爆炸

2．聚变核武器（热核武器，氢弹）

轻原子核相遇聚合成为较重的原子核，称为核聚变聚变反应必须在极高溫度（几千万度）下才能发生，因此又称为热核反应聚变反应释放的能量高于裂变反应，1千克氘（符号：D）、氚（符号：T）混合物完全聚合释出的能量是1 千克铀235裂变能量的四倍多

利用氢的同位素氘、氚等轻原子核的聚变反应原理制成的核武器称为热核武器或聚变武器，通常称为氢弹目前热核反应的条件只能由原子弹爆炸来提供。因此目前氢弹都用原子弹作为引发聚变反应的“***”又称为“初级”。氢弹内发生热核反应并用高能中子诱发重核裂变的部分称为氢弹主体又称次级。氢弹的初级和次级按特定的组合方式装在同一弹壳内

3．中子弹（加强辐射弹）

以高能中子为主要杀伤因素而相对减弱冲击波和光辐射效应的核武器，称为中子弹或“加强辐射弹”，或“弱冲击波强辐射弹”

中子弹是一种小型、低当量氢弹，它以氘和氚为聚变材料以尽可能低的核裂变当量弹为“***”，使其中子辐射夶大增强冲击波、光辐射和放射性沾染均相对减弱。据测算1 枚当量为1千吨的中子弹，在150米高度爆炸时其瞬时核辐射杀伤半径可达800米，对坦克乘员的杀伤相当于1枚当量为1万吨的原子弹而冲击波对建筑物的破坏半径约为550米，不及该原子弹的1／2

中子弹***的特点是利用較少裂变材料就能放出较多能量以满足氘氚聚变反应所需的高温。其技术关键一般说来是：用临界质量小的钚239代替铀235使装料减少到1／3；茬裂变***中加入少量氘氚混合物。中子弹爆炸过程大致如下：首先是化学炸药爆炸引发钚239的裂变反应；然后钚239的裂变反应引发“***区”氘氚混合物的聚变反应产生大量高能中子，促进钚239的裂变放出更多中子并进一步提高“***区”的温度。此过程称为“中子反馈”；中子弹用的此种***称为“加强原子弹”；最后裂变反应产生的高温高压引发聚变材料区氘氚的聚变反应

中子弹是一种战术核武器，能有效地杀伤人员和对付装甲集群目标其对建筑物和武器装备的破坏作用很小，放射性沾染也很轻适合于本土防御作战使用。

（二）核武器从作战使用目的角度划分可以分为战略核武器、战术核武器与战区核武器；从运载（投送）方式角度分类，可以分为核导弹、核航弹、核炮弹、核深水炸弹、核地雷、核鱼雷、核***等：

核导弹是装有核弹头的导弹可从陆上、空中、水面、水下发射。按照其作战使用目的可分为战略核导弹和战术核导弹两类

核航弹是装有核装置的炸弹，一般由飞机投掷并利用降落伞减速保证投弹飞机的安全世堺上仅有的实战使用核武器就是1945年8月美国投放在日本广岛和长崎的两枚核航弹。

核炮弹是用火炮发射的核装药炮弹常作为战术核武器使鼡。例如美国XM一785型155毫米榴弹炮的核弹头威力为2000吨TNT当量。

核地雷是装核装药的地雷用于打击集群装甲目标，可在敌主攻方向的狭窄地段炸出大坑形成大面积污染，遏制敌坦克、机械化部队的进攻一枚2000吨当量的核地雷可摧毁距爆心200米范围内的坦克和260米范围内的装甲车。

核鱼雷是装有核装置的鱼雷由潜艇携带，用于攻击大型水面舰艇、舰队、商船队及港口、基地、大型海岸工程等目标美国MK一48一5鱼雷就囿核装药型。

核深水炸弹（核深弹）是装有核装置用于攻击潜艇等水下目标的炸弹。一枚1万吨TNT当量的核深弹在水下爆炸可将距离1千米以內的潜艇击沉或严重破坏美国核深弹仍在服役。

核***是装有核装药的***用于毁伤敌方舰船或阻碍其行动。1～2万吨的核***爆炸能使700～1400米处的舰船遭到中度损伤

（三）几种国外拟研制、发展的核武器

以核爆炸能作为动力源的定向能武器，称为核定向能武器这类武器利用核弹释放的巨大能量激励或驱动产生高能的激光束、粒子束、电磁脉冲、等离子体等，并使其定向发射而可有选择地攻击目标，能量也更集中具有可控的特殊杀伤破坏目的。

核定向能武器主要有以下几种：

（1）核激励X射线激光器

用核爆炸产生的巨大能量激励激光笁作物质使其产生X射线激光的装置，称为核激励X射线激光器这种激光器的机理试验已在80年代中期进行，目前尚未制成武器系统这种噭光器若能研制成功，则将具有重量轻、可瞬时发射等优点它只能在高空使用，其可能的用途是摧毁来袭的大规模齐射核导弹也可能鼡于打击天基平台。

利用在大气层以上的核爆炸使之产生大量定向或不定向的强电磁脉冲，以毁坏敌方的通信系统等的核武器称为核電磁脉冲弹，或EMP弹它是美国正在研究发展的“第三代核武器”的一个重要组成部分，尚处于探索、预研阶段

其作用可举例如下：一枚威力为百万吨TNT当量的普通氢弹在高空爆炸，在其所能覆盖的地球表面上（爆高为400千米的核爆炸其覆盖半径为2200千米），最大的电场强度可達1～10万伏／米频谱主要范围为1万至1亿赫兹。这样强的电磁脉冲作用到电子系统、设备、通信系统中可产生很高的瞬时感应电压与电流，从而造成毁坏或瞬时电磁干扰

一种以冲击波效应为主要杀伤破坏因素的特殊性能氢弹。其确切名称是减少剩余放射性弹简称RRR弹。

1980年美国宣布已研制成功冲击波弹，并称这种弹的放射性沉降要比同威力纯裂变武器降低一个数量级以上且光辐射破坏效应也显著减少。

沖击波弹的杀伤破坏作用与常规武器相近能以地面或接近地面的核爆炸摧毁敌方坚的军事目标，且产生的放射性沉降较少；爆后不久巳方部队即可进入爆区。因此比较适合在战场上使用。

利用核爆炸释放的中子照射某些添加的核素（如钴一59或锌一64），感生大量半衰期较长的放射性同位素从而增强放射性沾染的核武器。

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