E=mc揭示原子弹巨大威力，但爱因斯坦和原子弹只有半毛钱关系

喜欢热闹的围观群众肯定发现了一个巨大的秘密，原子弹是曼哈顿工程上马之后才研制出来的，而它释放巨大能量秘密遵循的是质能等价公式：E=mc，却早在1905年爱因斯坦在发表《论动体的电动力学》就已经提出来了，那么大家自然就会将爱因斯坦和原子联系起来，但其实爱因斯坦和原子半毛钱关系都没有，要说有的话，爱老头就写了封推荐信！

质能方程

质能方程是爱因斯坦在1905年发表的《论动体的电动力学》中一起发布的，也就是后来被称为狭义相对论的论文，这个时代之前已经认识到了电子的存在，但原子核还要到1909年卢瑟福在英国曼彻斯特大学做a粒子散射实验才会被发现，因此在爱因斯坦发表狭义相对论的时代是不可能知道原子核内的秘密的。这个方程完全是爱因斯坦对物体惯性和它自身能量的关系中推导出来的。

上图是质能等价（质能方程）的推导过程，个中的关键是洛伦兹变换和等效原理，自始至终和所谓的原子核内的秘密：质子中子没有任何关系，它只是爱因斯坦对物体惯性与能量思考与研究的结果。

裂变的秘密

核裂变在现代科学名词中大家还是比较熟悉的，毕竟那么多核电站都是建立在核裂变的基础上，或者至少也听说过前苏联的切尔诺贝利核事故以及日本福岛核事故，再不济原子弹总是知道的，但在历史上核裂变的认识过程还是非常曲折的。

早在1896年贝克勒尔发现了铀的放射性现象，1897年居里夫人发现了更多的放射性元素，但此时距离核裂变还早呢。

1911年卢瑟福发现了原子核内的质子

1917年卢瑟福利用α粒子轰击氮原子发现了元素的嬗变现象

1932英国科学家詹姆斯·查德威克发现了中子，

1934年费米和他的同事研究用中子撞击原子序为92的铀原子

但费米当时并没意识到是裂变，因为产生的元素在化学特性上被分析出来是钡，但钡的原子量比铀少40%，实在让费米没有想到。在费米发表研究成果后，实验被奥托·哈恩、莉泽·迈特纳等人重复，哈恩严格分析后认定这是铀原子核被分成了大约两半，迈特纳的侄子英国物理学家弗里施建议这个过程可以用“核裂变”来定义。 哈恩在1938年12月22日将研究成果投稿给《自然科学》杂志，最终因此获得了1944年的诺贝尔化学奖。

这就是核裂变的来历

235U原子核裂变过程：U235吸收一个中子变成236，然后U236原子核裂变成两个较小原子核，并释放出2-3个中子，如果三个中子还能撞击到其他原子核那么继续，否则反应终止。

铀原子核在裂变过程中平均每个重核释放约207MeV的能量，根据质能等价，U原子核的每单位原子量相当于931.5MeV的能量，那么裂变总的质量亏损为：

207MeV/931.5MeV/235=0.0946%

235的来历是U235的质子数92+中子数143。

这个质量亏损与能量的产生遵循质能等价方程：E=mc

爱因斯坦在曼哈顿工程中扮演的角色

重现费米用中子轰击铀原子的“哈恩团队”是在德国柏林做的实验，时间大约是1938年，此时距离二战爆发：德国闪击波兰的时间1939年9月1日不过一年左右而已，而随着研究的深入，哈恩在1938年将手稿投寄给《自然科学》杂志发表后，科学界普遍意识到这个裂变过程将会释放大量的能量，当然作为对现代科学嗅觉极为敏锐的德国开始召集科学家研究核裂变。似乎德国占尽天时地利人和？

不过当时的时代背景却帮了美国人一个大忙，因为德国迫害犹太人，大批优秀的科学家都因此逃难到了美国。1939年8月2日，多名科学家联名给罗斯福写信，请美国务必在纳粹德国之前研制出原子弹，爱因斯坦在这封信上签了名，当然大家都知道，罗斯福同意了！爱因斯坦利用其在科学界的影响力，为这个后来被称为曼哈顿工程的原子弹事业出了不少力。

从曼哈顿工程开始，核裂变的终极事业-原子弹研制已经不再由科学家主导！他们只是执行者！

原子弹

一、取得核材料

原子弹的原理并不复杂，但制造难度却极大，首先就是浓缩铀的问题，因为可以用于裂变的铀-235在天然铀中含量仅为0.7%，而占99.3%的铀-238极难分离，而武器级的铀浓度需达到90%以上，曼哈顿工程总耗资20亿美元（约合2018年230亿美元）的90%都用在了制造核材料的工厂和生产核材料。当时的铀浓缩技术有如下几种：

1、电磁型同位素分离法

2、气体扩散法

3、索瑞特效应分离法

关于铀-235取得的新闻中，朝鲜或者伊朗的离心机似乎经常不绝于耳，这种现代常用的气体离心分离法分离铀-235技术并没有在曼哈顿工程中应用，曼哈顿工程中主要使用的气体扩散法，当时的气体离心法效率太低，现代离心机技术中采用六氟化铀分离的方式，达到同样浓度的离心机级数比较少，效率大大提高，因此在现代浓缩铀的制造方式中气体离心法已经占主导。

挨个串联起来的伊朗离心机，其外壳材料为铝

1940年，格伦·西奥多·西博格和埃德温·麦克米伦在加州大学实验室，氘核轰击铀-238而发现了钚元素，其同位素同位素钚-239是最容易裂变的三个同位素之一（另外两个是铀-233和铀235），因此钚的这个特性在曼哈顿工程中迅速被确定为第二种原子弹的方案。

钚在自然界中极其微量，因此无法通过开采取得，它的生产就如上文，用核反应堆中的的中子轰击铀-238生产钚，说到这里必须要提一下轻水反应堆和重水反应堆，美国对于朝鲜或者伊朗的轻水反应堆并不太感冒，因为轻水反应堆中的中子慢化剂会吸收中子，导致中子浓度降低，生产钚效率极差！而重水反应堆中中子慢化剂是D2O（重水）只会使中子减速，高效利用中子，使得更多的原子核参与裂变，因此可以利用多余的中子生产钚，这就是美国人老是盯着人家的重水反应堆原因，当然还有一个因素是重水反应堆可以使用乏燃料（浓度极低，门槛也就越低）。

二、原子弹结构

在了解原子但的结构之前，我们必须先来了解一个名词：临界质量

指的是维持核裂变反应的最低裂变材料质量，大家都知道原子核内空空如也，而中子必须撞击到原子核才可能裂变，因此一块足够大的核材料很关键，当然外形与纯度还有是否有中子反射材料包裹等同样很重要，从理论上来看球形碰撞的概率最大，球体的特性在这里被重新提及了，因此各位看到的比如《碟中谍》中的钚球它是有原因的。

碳化钨（中子反射层）包裹的钚球

但在平时储存的时候我们却不希望达到临界质量，因为超过临界质量的核材料自发裂变的中子将引发超临界事故，不过这个中子源的能级与数量上还存在极大的差异，因此尽管超临界事件会释放大量的热和中子，但并不会导致核爆。

常见核材料的临界质量，钚是比较低的，因此入门原子弹大都是钚弹。

因此原子弹的核装药结构必须分开这个原因导致了两种引爆方式的出现，一种枪式，另一种是内爆式，但目的都一样，即在引爆之后才会达到临界质量以上。

三、原子试爆与实战

1945年7月16日5时29分45秒，人类历史上首枚原子弹在阿拉莫戈多沙漠上空爆炸，这是一颗内爆式的钚弹，装药量为5千克伽玛相钚。

1945年8月6日早上8点15分，机长蒂贝茨驾驶艾诺拉·盖依号B-29轰炸机在广岛上空投下人类历史上第一枚用于实战，代号为小男孩的枪式、装药为铀的原子弹，当量2万吨，伤亡人数超过十万。

1945年8月9日，B-29轰炸机在长崎投下代号为胖子，装药为钚的内爆式原子弹，伤亡人数十四万。日本标准时间1945年8月15日中午12点，裕仁天皇宣布日本战败，第二次世界大战结束。

氢弹

曼哈顿工程圆满结束了，但人类在解封原子核中能量的事业却远未结束，自1932年澳洲科学家马克·欧力峰在剑桥大学的卡文迪许实验室发现核聚变的秘密以来（你没看错，聚变早于裂变被发现），人类一直就想实现更为剧烈的能量爆发，但苦于达到聚变的条件远远不够，只能望洋兴叹。

核聚变原理很简单，甚至都不需要裂变时必须的热中子，但却需要一个极大能量的输入的环境，得以让原子核克服库伦斥力结合在一起，并且在这个过程中释放出巨大的能量。而原子弹的实现让人类第一次站在了释放聚变能的门槛上，即通过原子弹爆炸瞬间的高温与高压环境达到聚变的条件，释放强大的聚变能。

不过却不是所有的材料都容易聚变，这必须了解下元素的比结合能，结合能是原子核结合在一起的释放的能量或者将其分离的能量，同样，结合能更高的元素实现结合也更困难。比结合能则是原子核中的每个粒子结合能的平均值。很明显，上图中的氢同位素氘和氚的比结合能是比较低的，这也是后来氢弹中的聚变材料都是氘和氚的原因。

尽管原子弹提供了聚变所需的环境，但原子弹爆炸过程非常短暂，如何让原子弹在炸散前尽可能多的利用它的能量对聚变材料进行压缩与高温加热则是一个绝对机密。

上图T-U构型氢弹爆炸的过程：首先引爆一个产生X射线初级核爆对聚变材料压缩，随后是威力更大的次级核爆赋予聚变材料超高温环境，最终发氘氚材料的核聚变。因此从结构上来看所谓的氢弹并不“纯洁”，它是一个有原子弹多级引爆的聚变弹，因此被称为“双相弹”（还有在聚变材料外再包一层铀-238材料增强型的三相弹）。

1952年5月，第一个氢弹装置在在太平洋上的恩尼威托克岛试验成功。为什么叫装置呢？因为它重达62吨。

1954年，美国第一个实用型氢弹在比基尼岛试验成功。

1966年12月28日，中国两弹一星工程中的氢弹在于敏率领的团队研制下，成功进行原理实验，当量为30万吨。1967年6月17日，中国第一颗实用型氢弹空投试爆成功，当量330万吨。

独立于T-U构型以外的于敏构型氢弹的引爆过程，这是前苏联千层饼型的结构改进型，但千层饼型因效率极差而被前苏联放弃，而于敏则通过计算改进了这个结构，并且获得了成功。

以上就是从质能方程到原子弹再到氢弹的前世今生，限于篇幅就不再罗嗦了，大致过程也已经交代，各位如果需要讨论的不妨留言，种花家尽量回复。

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