高考物理 原子弹的原理 破坏效应及其发展历史

2012高考物理原子弹的原理破坏效应及其发展历史

人类历史上首次核爆，“三位一体”的核试场面

原子弹又称裂变弹（英语：Atomic bomb）是一种利用核裂变原理制成的核武器。由美国最先研制成功的，具有非常强的破坏力与杀伤力，在爆炸的同时会放出强烈的核辐射，危害生物组织。

原子弹原理

235U 原子核的一种裂变过程

原子弹是利用铀和鈈等较容易裂变的重原子核在核裂变瞬间可以发出巨大能量的原理而发生爆炸的。

铀-235和钚-239此类重原子核在中子的轰击后，通常会分裂变成两个中等质量的核，同时再放出2到3个中子和200兆电子伏的能量。在裂变中放出的中子，一些在裂变系统中损耗了，而一些则继续进行重核裂变（继续轰击重原子核）反应，只要在每一次的核裂变中所裂变出的中子数平均多余一个（即中子的增值系数大于1），那么核裂变即可以继续进行，一次一次的反应后，裂变出的中子总数以指数形式增长，而产生的能量也随之剧增。如果不加控制，最终，这个裂变系统会变为一个距离的链式裂变反应。

在此类重核裂变反应中，系统可以在极短的时间内释放出大量的能量。当“下一代”中子数定位两个时，在不到一微秒的时间内，一千克的铀或鈈中会有2.5×1024个原子核发生裂变反应，而就在这不到一微秒的时间内，此反应所产生出能量相当于2

万吨TNT当量（指核爆炸时所释放的能量相当于多少吨TNT炸药爆炸所释放的能量）。这也是原子弹那极具破坏性威力的来源。

而在原子弹的实际使用及爆炸中，需要提高爆炸的威力，为了利用“快中子裂变体系”，需要使用高浓度的裂变物质作为装药，同时装药量必须远远超过临界质量，使得中子的增值系数远远大于一。

原子弹的破坏效应

原子弹的破坏力和杀伤破坏方式主要有光辐射、冲击波、早期核辐射、电磁脉冲及放射性沾染等。

1、光辐射

在原子弹引爆后，核爆过程会释放出强烈的辐射光。1枚当量在2万吨左右TNT 当量的原子弹在当空爆炸后，距离爆炸核心7000米的地方人会受到比阳光强13倍的光辐射的照射。而在2800米范围内，光辐射会使人迅速致盲，且皮肤会因为光辐射照射而大面积灼伤溃烂，一些物体也会燃烧。

2、冲击波

原子弹爆炸后，核爆会产生出一种巨大的气流超压。一枚三万吨当量的原子弹爆炸后，在离爆炸核心800米处，冲击波会以200米每秒的速度席卷一切。

3、早期核辐射

在原子弹最初起爆的几十秒中内，核爆会释放出中子流和γ射线。一枚两万吨当量的原子弹爆炸时，离它1100米以内的人员单位会受到射线和中子流的极度杀伤。

4、电磁脉冲

原子弹爆炸所造成的核爆会制造出电磁脉冲，而电磁脉冲的电场强度可达1万至10万伏，完全可以摧毁起爆点周围的一切电子设备。

5、放射性沾染（放射性落下灰）

在原子弹爆炸后，随着蘑菇云的飘散会有大量的放射性粉尘飘落到地面，会对人体可成照射或皮肤灼伤，严重者最终导致死亡。

原子弹历史

早在1938年年底，纳粹德国科学家奥托·汉因和弗里茨·施特拉斯曼发现了核裂变现象，此现象也被刊登于科学杂志上。至1939年9月，科学界普遍同意制成原子弹的可能性，唯技术细节尚未明朗。除了德国外，当时研究原子弹的国家另有法国、美国、苏联、英国和日本。

1、轴心国

纳粹德国的一座实验用反应炉

德国因为汉堡大学的教授向德国军方进言的要求而研发核武器。1939年9月26日，德国军备规划局制定了铀规划，并着手开始进行对核武器的研制，以维尔纳•海森堡为首组成特别小组。接着在1940年于德国佔领的挪威设立由法本公司管理的重水製造厂以大量生产重水来製造钸，也研究如何分离铀-235。1941年尾，由于德国进攻苏联的作战没有达到期望的结果，战争转为长期，绝大多数的资源被移到急需的坦克和飞机上，并得到了“3年内无法将原子弹实用化”的结论。1942年出，德国取消了研究计划，虽然研究小组仍持续在工作并建造了数座小型实验用核反应炉，但纳粹德国的核武研究计划就停留于理论上，已无系统的生产计划。虽然后来生产钸的挪威工厂被英国突击队摧毁，但实质上对德国核武开发没有决定性影响。

与此同时，日本也正筹划他们的核武器研制计划。1941年5月，日本陆军大臣东条英机批准了空军科技署的“制造铀弹报告”，近百名科学家在仁科芳雄的带领下开始执行“仁方案”。而此时，日本的核计划却遇到阻力。由于国内缺乏可供研究的“铀”，且由于各大研究所并未合作而使得资源分散、进度缓慢。日本的核计划在1943年初就宣告终止，原因是日本估计即使是进行单一的铀分离工程也必须消耗全国10％的电力、半年的铜产量和十年的时间完成其必要设施，代价过于庞大。但研究人员仍持续在工作，纳粹德国虽然有派遣潜艇向日本运送多达一吨的铀矿，但是其于马六甲被美舰击沉，之后也因为盟军越来越频繁的轰炸而使研究工作一直受阻，日本的核武发展直到战争结束都未脱离理论阶段。

2、同盟国（曼哈顿计划）

由于纳粹德国对德国本土的犹太人的迫害，使得许多犹太人科学家逃到美国避难，在当中，很多人提醒美国当局，德国人正在制造一种“超级武器”。

1939年，匈牙利科学家格拉德担心德国制造出核武器，希望美国政府能够先行研制出，但是当他找到一些官员时，他们认为只是天方夜谭，最终，他只得找到爱因斯坦。

1939年8月2日，在爱因斯坦与其他几名科学家一同致信美国总统罗斯福，建议美国政府务必在纳粹德国前研制出核武器。罗斯福并没有对此表示重视，而负责转交信件的罗斯福的科学顾问亚历山大·萨克斯担负起了说服罗斯福的责任，他引用了一个著名的例子：当年拿破仑没有采取富尔顿蒸汽船的建议，使其没有建立起强大的海军，最终不敌英国海军。罗斯福被萨克斯说服，决定研制核武器。

1939年10月19日，罗斯福正式签署了研制原子弹的文件，两日后，美国成立了“研究原子武器的委员会”，代号为S-11。

1941年12月7日，日本轰炸的美国海军军港“珍珠港”，这使得美国政府更加下定决心加速执行他们的“核计划”。1942年6月，美国原子弹研制计划正式开始，由于总部设在美国纽约的曼哈顿区，所以此项计划又被称为“曼哈顿计划”。同月，美国总统罗斯福与英国首相丘吉尔在华盛顿会晤，两国决定联合研制原子弹，即把英国原有的“合金管”计划融入到“曼哈顿计划”中。而此前逃亡到英国的一些法国科学家此时也加入到原子弹研究中。

3、新墨西哥州的蘑菇云（“三位一体”核试验）

1942年，洛斯阿拉莫斯实验室在新墨西哥州一望无际的沙漠上建立了起来。

1945年7月初，美国终于研制出了三枚原子弹，他们立即准备着手实验。当得知要进行原子弹实验时，美国总统杜鲁门推迟了波茨坦会议时间，因为其希望该武器能够在波茨坦会议期间爆炸，以提高美国的国际地位。