較真物理學名詞：原子彈與原子無關(guān)，氫彈與氫關(guān)系不大

在科學研究中，科學家每次發(fā)現(xiàn)新的自然現(xiàn)象或提出新的科學概念，都會創(chuàng)造專有名詞來命名。命名好了，復雜的現(xiàn)象、艱深的概念就會因名字直觀易懂而讓人銘記，或引人入勝，激起人們的好奇心和探索欲。如果命名不好，會讓人或產(chǎn)生誤解，或望文卻步。本系列文章即是對物理學中的一些重要名詞作一番簡要的咬文嚼字，細究其詞義，探討背后深刻的物理含義。

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1 較真物理學名詞：力與場的若干概念

撰文 | 陳少豪（美國麻省理工學院）

電影《奧本海默》的熱映，再次引起了公眾對原子彈的關(guān)注。奧本海默（Oppenheimer）作為曼哈頓計劃的領(lǐng)頭人，在人類歷史上第一顆原子彈的誕生過程中起到重要作用，被世人稱為“原子彈之父”。

自從1905年愛因斯坦寫下質(zhì)能方程，物理學家就知道，微小的原子核中蘊藏著巨大的能量。從科學概念的誕生到實際應(yīng)用，其中需要克服無數(shù)工程技術(shù)上的難點。如果不是為了與納粹德國競爭，美國也不會發(fā)起曼哈頓計劃，以舉國之力制造原子彈。威力巨大的核武器自誕生之日起就徹底改變了人類歷史進程，給人類社會帶來了巨大沖擊和影響。

在大眾媒體中，很多關(guān)于核武器的說法語焉不詳，一些常用的術(shù)語并不能完全準確地道出其背后真正的物理含義?，F(xiàn)今世界上的幾個核大國都將核武器技術(shù)視為最高國家機密，制造核武器的技術(shù)細節(jié)不便公諸于眾。這也是有些核武器術(shù)語顯得含糊其辭的原因之一。盡管核武器技術(shù)細節(jié)是國家機密，但其基本物理原理是完全公開的。在學術(shù)界，與核武器相關(guān)的物理原理沒什么秘密可言。本文將從物理原理出發(fā)，分析一些與核武器相關(guān)的名詞術(shù)語，細究其背后的物理內(nèi)容。

原子彈與原子無關(guān)

提起核武器，公眾最耳熟能詳?shù)哪^于原子彈（Atomic Bomb）。當代社會中幾乎每個人都至少聽說過原子彈。然而，從科學的角度來看，原子彈這個稱謂本身就很不嚴謹。原子彈其實與原子（Atom）沒什么關(guān)系，而是與原子核（Nucleus）有著密切的關(guān)系。

原子的中心是原子核，電子（Electron）分布在原子核周圍。原子物理（Atomic Physics）的研究對象是原子里面的電子，原子核的作用僅僅是對電子提供一個外電場而已。研究原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的學問則稱為核物理（Nuclear Physics）。原子彈爆炸的能量完全來自于原子核內(nèi)部的核裂變（Fission），因此原子彈更準確的名稱應(yīng)該是裂變彈（Fission Bomb），一種核彈（Nuclear Bomb）。

由于原子彈完全基于核裂變，它其實有一個學名，叫做純裂變核武器（Pure Fission Weapons）。二戰(zhàn)末期，美國在日本的廣島和長崎投下的兩顆原子彈，都屬于純裂變核武器。

原子彈中使用的核裝藥為鈾-235（U-235）或钚-239（Pu-239）。鈾、钚都是元素的名稱，分別翻譯自英文單詞Uranium、Plutonium。金屬元素的漢語名稱一般都帶金字旁。元素周期表中有九十多種金屬元素，都要用金字旁的漢字來命名，還要多少與英文有點諧音，并非易事。說起來這還與明太祖朱元璋有關(guān)。朱元璋立下遺訓，子孫的名字里面的第三個字必須使用以“五行”為偏旁的字，即“火、土、金、水、木”中的一個字。如此一來，延續(xù)了兩百多年的明朝皇族創(chuàng)造出了許多金字旁的漢字，其中很多字本身并沒什么含義，沒想到在近代命名金屬元素時正好用得上。

至于鈾-235和钚-239后綴的數(shù)字“235”、“239”則是該元素的質(zhì)量數(shù)（Mass Number）。原子核由中子和質(zhì)子構(gòu)成，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和即為質(zhì)量數(shù)。同一元素一般有多種不同的同位素（Isotope）。同位素具有相同的質(zhì)子數(shù)、不同的中子數(shù)，因而也具有不同的質(zhì)量數(shù)。例如，鈾元素有92個質(zhì)子，兩種常見同位素的質(zhì)量數(shù)分別為235、238，因此稱為鈾-235、鈾-238。

鈾-235和钚-239都是裂變物質(zhì)，在中子的撞擊下發(fā)生裂變。裂變是指較重的原子核分裂成兩個較輕的原子核，由于有質(zhì)量虧損而放出能量。愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc^2指的是，微觀粒子的能量等于其靜止質(zhì)量乘以光速的平方。光速的數(shù)值非常巨大，因此很小的質(zhì)量虧損就能產(chǎn)生很大的能量。這就是原子彈的能量來源。

重核裂變過程還產(chǎn)生了中子。新產(chǎn)生的中子撞擊附近的鈾原子核，并導致它們也發(fā)生裂變，使得發(fā)生裂變的原子核數(shù)量以指數(shù)的速率增加，這就是所謂的核鏈式反應(yīng)（Nuclear Chain Reaction）。在短短的一微秒內(nèi)，發(fā)生裂變的原子核數(shù)就可以增加一百倍。鏈式反應(yīng)可以在短時間內(nèi)釋放出爆炸所需的能量。只需要幾公斤的裂變材料發(fā)生裂變，釋放出來的能量就足以摧毀一個城市。

圖1：原子彈中發(fā)生的鏈式反應(yīng)。鈾-235原子核在中子的撞擊下發(fā)生裂變，產(chǎn)生兩個較小的原子核和中子。新產(chǎn)生的中子撞擊其它鈾-235原子核，導致更多的裂變。| 圖源：www.nuclear-power.com

引爆原子彈的關(guān)鍵是要將裂變物質(zhì)擠壓在一起，使其達到產(chǎn)生鏈式反應(yīng)所需的臨界質(zhì)量（Critical Mass）?，F(xiàn)有的原子彈有兩種引爆方式。第一種是槍式。這種方式是像子彈打靶一樣，利用常規(guī)炸藥爆炸的推力將一部分裂變物質(zhì)高速射向另一部裂變物質(zhì)，使得裂變物質(zhì)緊密結(jié)合在一起，達到臨界質(zhì)量。第二種是內(nèi)爆式。在這種方案中，常規(guī)炸藥在外層，裂變物質(zhì)在內(nèi)部。當常規(guī)炸藥爆炸時，產(chǎn)生向內(nèi)的壓力，擠壓裂變物質(zhì)，從而使裂變物質(zhì)達到臨界質(zhì)量。

核裂變所釋放出來的熱量會使裂變材料發(fā)生膨脹，導致鈾原子之間的距離變遠。由于核反應(yīng)截面隨著距離的增大而迅速下降，新產(chǎn)生的中子撞擊到鈾原子的幾率就大大降低，進而導致鏈式反應(yīng)停止。原子彈設(shè)計的關(guān)鍵之一是讓裂變材料在盡可能長的時間內(nèi)不被炸散，以便被充分被利用。上面提到的核反應(yīng)截面（Nuclear cross section）是用來衡量反應(yīng)發(fā)生概率的物理量，具有面積的量綱。

氫彈與氫關(guān)系不大

氫彈（Hydrogen Bomb）是比原子彈威力更大的核武器。由于氫彈的巨大殺傷力，原子彈之父奧本海默出于人道主義考慮，抵制美國政府制造氫彈，卻因此被撤銷了安全許可，意味著政治生涯的結(jié)束。電影《奧本海默》花了很大的篇幅講述安全許可聽證會的詳細過程。奧本海默、愛因斯坦等著名科學家的反對并沒能阻止氫彈的研發(fā)進程。在原子彈造出來之后數(shù)年，氫彈也于1951年研制成功。

氫彈的設(shè)計方案巧妙地利用了原子核聚變（Fusion）產(chǎn)生的能量。與核裂變的過程相反，核聚變過程是由兩個較輕的原子核融合生成較重的原子核。氫彈利用的核聚變過程如下：氘原子核與氚原子核融合產(chǎn)生一個氦原子核和一個中子。

圖2：氘和氚原子核發(fā)生聚變，產(chǎn)生一個氦原子核和一個中子，并放出能量 | 圖源：wiki

氘與氚都是氫的同位素。與氫一樣，氘與氚的原子核都有一個質(zhì)子，核外有一個電子。由于元素的化學性質(zhì)完全由核外電子決定，因此氫、氘、氚三種同位素的化學性質(zhì)完全一樣，其單質(zhì)都是氣體。不同的是中子數(shù)和質(zhì)量數(shù)，氫、氘、氚原子核的質(zhì)量數(shù)分別為1，2，3。氘的英文為Deuterium，在希臘語是“第二”的意思。氚的英文為Tritium，在希臘語是“第三”的意思。氘（念Dao）、氚（念Chuan）與英文諧音，氣字旁反映了其單質(zhì)為氣體這個化學特性，下面的兩劃、三劃分別代表其質(zhì)量數(shù)。這兩個字可以說是結(jié)合了音譯和意譯的典范。

核聚變過程中有質(zhì)量虧損，根據(jù)質(zhì)能方程，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。太陽內(nèi)部每時每刻都在進行著數(shù)量巨大的核聚變，聚變能以電磁波的形式往外輻射。一部分電磁波（包括可見光）傳播到地球，成為地球上幾乎所有能量的來源。

與核裂變相比，單位質(zhì)量的聚變物質(zhì)產(chǎn)生的能量更大。值得注意的是，這并不是氫彈威力比原子彈更大的原因。完全利用聚變能的核武器稱為純聚變武器（Pure Fusion Weapons），僅僅在理論上存在，在現(xiàn)實中沒有被制造出來。目前的氫彈確實利用了核聚變，但核聚變的主要作用是產(chǎn)生新的中子，進而引起更多的裂變材料發(fā)生核裂變，產(chǎn)生更大的裂變能。氫彈的主要能量仍然來自核裂變，氫的同位素發(fā)生核聚變所產(chǎn)生的能量基本上可以忽略不計。從這個角度來說，氫彈與氫的同位素關(guān)系不大，因此氫彈這個名稱也不嚴謹。由于核聚變一定需要很高的溫度，氫彈更專業(yè)的說法是“熱核彈”（Thermonuclear Bomb）。

氫彈主要設(shè)計方案有兩種。第一種是聚變增強裂變核武器（Boosted Fission Weapons）。這是內(nèi)爆式原子彈的一種改進。當原子彈發(fā)生爆炸時，由于核裂變材料會被炸開而導致鏈式反應(yīng)停止，很多裂變材料沒被利用上。在裂變材料鈾的中心重注入氘和氚，爆炸產(chǎn)生的高溫可以使氘氚發(fā)生聚變反應(yīng)。聚變產(chǎn)生的中子撞擊到外圍的裂變物質(zhì)上，引發(fā)新的核裂變的鏈式反應(yīng)。這樣就更充分地利用了裂變物質(zhì)，最終釋放的能量是原來的兩倍以上。由于這種設(shè)計同時使用了裂變材料鈾和聚變材料氫的同位素，因此也稱作“氫鈾彈”（Uranium Hydride Bomb）。

第二種方案是由特勒（Teller）和烏拉姆（Ulam）提出的，因此也稱為特勒-烏拉姆方案。特勒被認為是氫彈之父。在電影《奧本海默》中，特勒以反派角色出場，在聽證會中作出對奧本海默不利的證詞。

這種方案設(shè)計的氫彈也稱為二階段熱核武器（Staged Thermonuclear Weapons），由兩顆上面所說的聚變增強裂變核彈組成，一顆是稱為初級核彈，另一顆稱為次級核彈。在第一階段，常規(guī)爆炸引爆初級核彈。在第二階段，初級核彈爆炸時產(chǎn)生的高能X射線引爆次級核彈。這個過程稱為輻射內(nèi)爆，比第一階段的效率更高，釋放的能量要比初級核彈大得多。這種方案結(jié)合了聚變增強裂變、裂變增強聚變兩種技術(shù)，因此能更加充分地釋放能量。

作者簡介

陳少豪，清華大學物理學學士，清華大學原子分子物理博士，曾為美國科羅拉多大學博爾德分校博士后研究員，先后在路易斯安那州立大學、波士頓大學任職，現(xiàn)在就職于麻省理工學院，從事高性能計算工作。

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

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