原子彈和氫彈

建造原子彈的關鍵在于能否獲得高濃縮的鈾235和钚239這兩種核裝料。自從美國物理化學家尤雷發明了用氣體擴散法提取鈾235以后，美國政府就在1943年建造了規模巨大的鈾氣體擴散工廠，生產出為制造原子彈所需要的大量鈾235核裂變燃料。而另外一種核裂變燃料钚239也在華盛頓州的漢福特原子能中心的生產堆上，經過同位素分離最后被獲得。原子彈就是利用這兩種核裂變燃料的裂變鏈式反應所釋放出的巨大能量，來達到殺傷破壞的一種爆炸性核武器。

　　在原子彈的研制過程中，最值得一提的是美國杰出的物理學家奧本海默的重要貢獻。就在第二次世界大戰爆發前后，他已被公認是世界上十名首席理論物理學家之一。加上他所具有的特殊才能和組織管理能力，使他在1942年夏天被美國政府正式任命為設計和制造原子彈的主要負責人。由他直接領導監督管理研制原子武器的“冶金計劃”，當時他只有38歲，在所有領導這項與戰爭勝利有關的歷史使命的科學家中，他是最年輕的一位。后來的結果表明他確是一位令人滿意的非常杰出的科學家，因而人們常把他稱為原子彈之父，即第一個制成原子彈的人。

　　初看起來，研制原子彈的任務對奧本海默來說并非是難事，因為他曾經樂觀地認為原子彈只不過是一種“附帶產生的新玩意”，它似乎是根據裂變鏈式反應原理發展而成的必然產物。當然事實決非如此輕而易舉，奧本海默為了解決原子彈的爆炸問題，以及測定它的爆炸威力等等一系列難題，曾經作出了非常巨大的努力。

　　就在1943年初，奧本海默親自帶領了30多名工作人員(后來由于工作需要擴大到一百余人)進行選點工作。結果在新墨西哥州的一個寧靜小城圣菲西北56千米吉米茲山的西邊，選到了一塊海拔600米的高地，就在這塊被深凹的大峽谷所隔絕的地方，建立起曼哈頓工程的第三個秘密原子城，即洛斯阿拉莫斯實驗室。當時僅*飛機與外界保持交通聯系。為了保密起見又稱它為“Y”地區，郵政信箱為1663號。

　　緊接著，奧本海默又調集了與研制任務有關的各種設備，其中有哈佛大學的一臺回旋加速器；威斯康星州的二臺電子靜電加速器；伊里諾斯州的一臺高壓倍加器等等。另外，他又集中了世界各國在核科學技術方面的優秀人才，同心協力團結一致共同進行攻關。其中包括丹麥科學家玻爾、意大利科學家費米、英國科學家代表團人員查德威克、德國科學家貝蒂、蘇聯科學家基斯卡柯夫斯基、奧地利科學家拉比和弗瑞土、匈牙利科學家特勒以及美國科學家勞倫斯、弗立許和貝瑟等人。除此以外，當然還有許多一般技術工作人員。他的中心任務是在于集中所有人的聰明才智調動每一個人的工作積極性，一起解決研制原子彈工作中所遇到的各種疑難問題。

　　當時各種大小問題幾乎多達好幾百個，而奧本海默最成功之處就是能集思廣益，抓住其中最主要的問題，這就是能引起原子彈爆炸所需要的“臨界質量”問題。而所謂臨界質量是指使裂變物質在特定條件下，能夠實現自持鏈式反應所需的最少裂變物質的數量，與臨界質量相對應的裂變物質的體積被叫作臨界體積。顯然這些都是核武器裝料中所涉及的重要問題，它同裂變物質的種類、純度、密度以及裝料的幾何形狀和特殊的結構等因素有關。

　　從結構上看，我們可把原子彈看成是由核裝料、引爆裝置和彈殼等部分組成的。一旦引爆后，普通炸藥把核燃料迅速地推合在一起，形成不可控的裂變鏈式反應。而堅固的彈體能使反應有充裕的時間，可提高核爆炸的威力。另外根據起爆裝置構造的不同，原子彈的具體結構可分成槍型和內爆型兩大類。

　　槍型原子彈的原理是，當雷管被引發以后，烈性炸藥發生爆炸，將一塊圓柱狀的亞臨界質量鈾塊象槍彈一樣，經過導向槽射向兩塊固定的中空球形亞臨界鈾塊的中間。結果鈾塊的總質量就大大超過臨界質量而發生核爆炸。

　　1945年8月6日，美國投在日本廣島的第一顆原子彈，就是這種槍型結構式原子彈，代號“小男孩”(也叫瘦子)。它的核裝料為鈾235，同位素純度為93.5％。總裝料為16～25公斤鈾235。核彈總重約4100公斤，彈直徑約為7l厘米，彈長約30厘米。由前可知一公斤鈾235(或钚239)全部裂變將釋放大約18000噸梯思梯當量。由此可見其核裝料利用率很低還不到5％。

　　“槍型”原子彈雖然具有結構簡單容易制造的特點，但是卻存在核裝料利用率很低的缺點。這是因為每塊核裝料的質量都不能超過臨界質量，而兩塊合攏的最大質量僅比臨界質量多出不到一倍，這樣爆炸威力也就不大。

　　第二種類型的原子彈是“內爆型”原子彈，它是一個利用雙層普通烈性炸藥制成的球形裝置，在球的中心安置著一個小于臨界質量的核裝料小球，小球的外圍為反射層。球心處裝有用來引發鏈式反應的中子源。通過電雷管同步點火，使外層炸藥各點同時起爆，這樣就能形成一種向球心聚焦的壓縮波(又稱內爆波)，而小球瞬間將受到猛烈的向心壓緊力，結果使核裝料密度大大增加，達到超臨界質量條件。此時可用球心上的中子源控制點火時間，等到壓縮波效應最大時，在中子源作用下形成核裂變鏈式反應，最后引起威力巨大的核爆炸。由于這種“內爆型”結構的原子彈產生壓縮效應的時間遠比“槍型”結構的合攏時間為短，因此可避免過早點火的缺點。這樣在“槍型”結構中難于安全應用的钚239裝料，往往能在“內爆型”結構中被采用。

　　1945年8月9日，美軍投在日本長崎的第二顆原子彈，就是采用“內爆型”結構，用钚239作核裝料的炸彈。它由三個同心球構成，外球殼用鈾238作反射層，內球是兩個次臨界質量的钚半球，而中心則是一個乒乓球大小的鈹球作為內中子源，即從钚239所放射的α粒子作用于鈹就能產生中子。在超臨界條件下，钚—鈹中子源能加速鏈式反應的進行，并能保證在規定的瞬間發生核爆炸的可*性。而球體外面是兩層楔形烈性炸藥組成的炸藥球，每層有36小塊。同時為了能可*地同時引爆，每塊安上兩個電雷管。彈體總重約4500公斤，其中钚239的裝料為5～10公斤。外形尺寸高為3.2米，而最粗處的直徑約為1.52米，因此人們把它叫做“胖子”。

　　然而，原子彈的研制工作畢竟是一項耗資巨大的工程。美國政府差不多在整整四年時間內，調集了15萬科技人員，動用了全國三分之一的電力，總共花費了20多億美元。共制造了三校原子彈，除了投放在日本廣島和長崎的兩顆外，還有—顆是在1945年7月16日凌晨5時半用來進行原子彈爆炸試驗的。這是一個根據內爆型原理設計的钚試驗裝置。其準備工作從當年6月底開始，試爆地點選在離洛斯阿拉莫斯約160公里的阿拉莫戈多附近的沙漠里進行。這里四面環山，人煙稀少，很適合安全和保密等試驗條件。

　　全部試驗工作都是按照原定計劃進行的，而且取得了圓滿的結果。所有這一切也是和奧本海默得力的指揮和周密計劃分不開的。原子彈試爆裝置被安裝在預先專門設計建造好的鋼塔上，遠距離控制的引爆裝置是由一系列十分復雜的電子儀器所組成的。操縱中心離鋼塔幾公里，能把爆炸過程中的各種情況詳細地記錄下來。定時信號正確無誤地告訴人們原子彈即將爆炸的時間。

　　在爆炸前20分鐘，全體工作人員各就各位，而在營地上的人們都奉令臉向地面，腳朝爆炸方向臥倒，并用雙手蒙住閉起的眼瞧。爆炸的時刻終于到了，一瞬間，天空中出現了比幾千個太陽還要亮的閃光。

　　幾秒鐘后，人們就聽到由強大的沖擊波所形成的隆隆巨響。此時人們才能翻身站起，并戴上事先準備好的黑色防護眼鏡進行觀看。只見一個大火球似的五顏六色的火云，上下不斷翻滾，并逐漸擴大向天空升起，最后形成巨大的蘑菇云，扶搖直上成為高達十公里的擎天柱，其情景十分壯觀。同時也測得了原子彈內部本身的演變情況，其中包括爆炸威力的大小、波及的范圍以及爆炸后在地面上和空氣中所產生的放射性污染程度，等等。

　　當時在場參觀的約有1000多名各方面代表，其中有放射醫學家、氣象學家、工程師、數學家、爆炸專家、軍事參謀、政府官員和英國等外國政府代表。大家對原子彈的巨大爆炸威力(相當于20000噸黃色炸藥)感到非常震驚。在半徑為1.6公里范圍內，所有蔬菜、各種動物(試驗前預先安置好的)以及其它各種有生命的東西都被破壞無遺，就連一條響尾蛇或一根青草都劫數難逃。而半徑360米以內的砂石，都因高溫變成綠黃色玻璃狀物質。

　　至于供試驗用的那座高塔也完全被高溫蒸發得無影無蹤，卻留下了一個邊緣傾斜的大坑。當時即使被人們一向認為是冷靜和理智的費米，平時他總是自己開車，此時也無力自己開車了，只得由他的同事駕駛汽車送他回家。

　　第一顆原子彈首次試爆成功的消息，很快傳遍了曼哈頓工程區的每一個角落。特別是那些直接參加試制工作的科學家和工作人員，他們更是被原子彈的巨大破壞力和強烈的放射性污染而深感不安。為此許多人曾聯名向有關當局遞交了請愿書，反對輕率使用這種武器來對付當時的敵國日本，并且要求美國政府立即著手對這種新式武器必須實行國際監督。但是所有這一切絲毫也沒有觸動美國政府為了贏得戰爭勝利而進行研制新式炸彈的既定方針，它還是一心想使用原子彈。

　　原來積極要求愛因斯坦寫信給當時美國總統羅斯福敦促盡快發展核彈的西拉德，此時此刻也意識到這件事的嚴重性。為此他就又起草了不要使用原子彈的請愿書，并征集了69位著名科學家的簽名，最后把請愿書直接送到了杜魯門總統的手里。而總統的科學顧問又把此事提交給由奧本海默、勞倫斯、費米和康普頓四人所組成的臨時科學討論小組，請他們提出如何對待這一問題的決策報告。

　　當時康普頓在建議書中曾寫下了這樣一段話來表明他的意見：“在使原子力量能為人類利用的偉大創舉中，我們都為自己曾經貢獻自己一份智能而感到歡欣和驕傲。然而這真是一幕悲劇，這種巨大無比的力量將第一次被用來進行傷害人類的勾當。不過，如果因此而能得以縮短戰爭的時間，并能拯救更多的生靈，如果它能意味著人類將更接近放棄用戰爭作為解決爭端的時刻。那才是我們內心真正的期望，才是我們敢于使用原子彈的論點”。

　　另外他對科學家的討論結果又寫道：“我們科學界的同事們，對于使用這種武器的意見頗不一致，大家建議的范圍很廣，從純技術性的示威到直接投擲原子彈迫使敵人投降的策略都有……”。

　　最后，科學顧問們為了獲得一個能代表大家看法的折衷意見，就進一步征求那些了解當時戰爭形勢人們的看法，并請他們投票表決。其分工如下：奧本海默負責洛斯阿拉莫斯地區；勞倫斯負責柏克萊；康普頓負責芝加哥。結果在芝加哥“冶金研究所”有87％的人贊成將原子彈用于戰場。

　　這樣一來，美國官方決策人物不但取得了能實際使用原子彈的物質條件，而且也為原子彈的使用作了輿論上的準備。總之，這樣就為最終能在日本投擲原子彈鋪平了道路。

　　當然，第二次世界大戰本身是由帝國主義國家間的壟斷資本集團，為了爭奪殖民地而引起的。但到1945年8月，希特勒在蘇聯紅軍的沉重打擊下早已垮臺，并在1945年5月2日就宣布無條件投降。而日本法西斯在中國共產黨領導下的中國人民的英勇抗擊下也已完全處于絕境。這就是說，東方戰場的戰爭也將很快結束。

　　為此，美國當局不得不擔心，一旦戰爭結束，整個曼哈頓工程20多億美元的巨額耗資，將變成一種毫無意義的金錢揮霍，本來因原子彈制造成功應該受到贊揚和榮譽，而現在很可能變成無情的嘲笑和指責。顯然直接領導此項工程的美國政府將是首當其沖。這就是正如杜魯門在自己回憶錄中所寫的那樣，當時他只說了聲：“干吧!”的真正內容。

　　美國軍方在1945年8月6日9時15分半向日本廣島投了第一顆名叫“瘦子”的原子彈。它是在太平洋提尼爾島上的一個空軍基地最后組裝而成的，并用當時最大的B29型轟炸機運載。駕駛員為提貝茨上校，投彈手是弗雷比少校，機械師是帕桑斯海軍上校，電子技術軍官是杰普遜海軍上尉。人們將原子彈從將近一萬米高空投下，在城市上空300米爆炸。煙柱高度上升到11000米，威力相當于20000噸梯恩梯，是普通最大炸彈的4000倍。爆炸幾乎炸毀了整個廣島市。該城當時約有30萬人口，遭到轟炸形成的破壞區達60％，有91233人死亡，另有50000人受傷。其中日本軍事人員占1～2萬人，余者都是無辜的居民，其中有大量的婦女和兒童。如要達到同樣的轟炸效果，則需200架滿載常規炸彈的飛機。

　　緊接著，代號為“胖子”的原子彈也在提尼爾島空軍某地組裝而成。仍用B29型轟炸機運送。在8月9日，這顆內爆型的钚彈從日本長崎9000米高空被投下，在城市上空600米爆炸。結果長崎市44％的地區被毀，35000人死亡，60000人受傷。

　　同年8月15日，日本政府宣布無條件投降，至此第二次世界大戰宣告結束。然而，正是由于廣島和長崎的原子彈爆炸，向全世界表明核時代中核能的利用，首先是以核武器形式出現，這使人們從心理上留下了一個“可怕”的深刻印象，而且至今還記憶猶新。

　　至于蘇聯，在二次大戰期間，庫爾恰托夫曾領導過核能方面的研究工作。那是在1943年，他在剛成立的原子能研究所中擔任所長，就曾領導過原子核反應堆的設計工作。只是由于戰爭的破壞遠比美國大得多，放在戰爭期間未能取得成功。而在戰后，蘇聯將近花了四年時間，在1949年9月22日爆炸了第一顆原子彈。它是用钚239作為核裝料的钚彈，其威力相當于美國“小男孩”的六倍，爆炸效果為21萬噸梯恩梯。

　　接著1952年10月3日，英國人也爆炸了一顆自制的試驗核彈，成為第三個有核國家；1960年2月13日輪到了法國人，他們在非洲北部的撒哈拉沙漠中爆炸了一顆钚彈，成為“原子俱樂部”的第四個成員國；1964年10月16月，我國向全世界宣告一顆鈾235核彈爆炸成功，一舉成為第五個有核國家。

　　從前面的章節中，我們已經知道，核能的利用除了裂變能外，還有聚變能。另外從結合能曲線上可以看到，氘、氚、鋰等輕元素都可用作為核聚變反應的原料。

　　氫是最難發生聚變反應的裝料。至于氚，它易發生聚變反應，但在自然界中含量十分稀少，必需花費巨大的投資才能制備它。而只有氘，它是熱核反應的積極參加者，又比氫容易控制，并在自然界中也有一定的含量。它在普通海水中占0.0148％，即6757個氫原子中只有一個是氘原子，也就是說每升海水中，大約含氘0.003克。

　　由于地球上有著大量海水，經過估算氘的儲量竟高達35萬億噸，如能全部提煉出來，就足夠人類用上千百億年。由于聚變反應釋放的能量比裂變能大得多，加上聚合反應速度也特別快。這樣就有可能利用不可控的聚變反應制造出威力遠大于原子彈的氫彈。如果人們采用某種方法把氫彈所需的核裝料安置在原子彈的周圍，一旦原子彈引爆后就能產生幾百萬度高溫，促使核聚變反應連續不斷地進行下去，這就是氫彈爆炸的原理。

　　理論計算表明，如果一公斤氘氚混合物全部聚變，就能釋放出約為58000噸梯恩梯當量的能量，這比起相同質量的裂變反應所釋放的能量約大四倍。而且在氫彈的構造中，不存在像原子彈構造中所提及的臨界質量問題的限制。故氫彈可以做得較大，其爆炸威力也就更大。

　　當然，氫彈也受到核裝料的數量和運輸條件等方面的限制。它們在常溫、常壓下都是氣態物質，存在著體積大不易存放的不利之處。為了能把氘和氚密集起來，就要加低溫(一般為零下200多攝氏度)液化或加上超高壓固化，只有這樣才能把氘、氚用作氫彈的裝料。

　　世界上第一顆氫彈的爆炸是美國于1952年11月1日，在太平洋的珊瑚島(即馬紹爾群島)上進行的。所用的核裝料是液態氘、氚混合物，放稱之為“濕法”氫彈。其結構既龐大又復雜，總重量高達65噸，根本無法用飛機運載。而實際上它僅僅是一個熱核試驗裝置。但其爆炸威力很大，相當于一千萬噸梯恩梯，是投在廣島彈的500倍。

　　然而，隨著氫彈技術的發展，人們終于找到了另外一種比較理想的氫彈裝料，這就是氘化鋰6。它在原子彈爆炸所形成的高溫下，可裂解為氘和鋰6，而鋰6俘獲中子后所生成的氚就能和氘在高溫下進行核聚變反應。相比之下，這種氘化鋰化合物的成本比氘低得多。而特別應該指出的，它是一種穩定的固態化合物，因而便于長期保存，更不需要龐大的冷凍裝置，所以氫彈的體積和重量均可大大縮小，故也稱之“干法”氫彈。這就為以后把它制造成為一種有實際軍事價值的熱核武器，創造了十分有利的條件。

　　在近代核武器的研制中，還有一種“氫鈾彈”，即在氫彈外面再包上一層厚厚的鈾238。由于鈾238本身也不存在臨界質量的問題，故可包得很厚；加上鈾238在自然界中的豐度很高，人們能容易取得它，故核裝料的成本可大大降低。顯然，這種氫鈾彈的爆炸威力要比普通的氫彈大得多，而且裂變能和聚變能大致上各占一半，但有時裂變能所占的比例達80％。爆炸后的放射性裂變產物的污染程度也特別嚴重，為此人們常稱它為“骯臟”氫彈。

　　美國人曾在1954年3月1日，利用馬紹爾群島中的比基尼島，進行了第一次鈾氫彈爆炸。其威力之大，震動了全世界，相當于1500萬噸梯思梯，總重量為20噸。另外值得注意的是，當時剛好有一陣放射性塵埃降落在一艘日本福龍丸號漁船上，船上的23名漁民就成了受害者而得了放射病，其中一人在半年后死亡，船上的魚當然也受放射性污染而全部銷毀了，為此激起了日本人民的強烈抗議。

　　美國從1945年7月16日試爆第一顆原子彈到1952年11月1日氫彈爆炸，共花了七年半時間，而輕便式的氫彈直到1954年才試制成功；前蘇聯從1949年9月22日爆炸第一穎原子彈后，經歷四年時間，到1953年8月12日成功地進行了用飛機運載的氫彈爆炸；英國從1952年10月3日第一次原子彈試驗到1957年第一次熱核試驗，經過四年半時間；法國從1960年2月13日第一次原子彈試驗到1968年8月24日第一次熱核試驗，經過八年半時間；而中國從1964年爆炸原子彈后，到1967年氫彈爆炸試驗成功，前后僅用了兩年零八個月時間。

　　當今世界上擁有核武器最多的是美蘇兩國，它們為了能在核軍備競賽中取得壟斷地位，并對無核國家進行核訛詐，于1963年8月伙同英國在莫斯科簽訂了三國核武器禁試條約，其目的是為了約束別國的核試驗，而它們三國卻仍可進行地下核試驗。截止1977年底，美國核試驗達595次，蘇聯為283次，核爆炸的累計當量約為22000萬噸梯思梯。早在1961年10月30日，蘇聯已爆炸了五千萬噸級梯思梯當量的熱核裝置和一億噸級的超級氫彈。當然，美國也完全有能力制造這種超級炸彈，其威力甚至會更大。

　　然而，中國為了打破美蘇的核壟斷和維護世界和平事業，正在獨立自主地發展自己的核武器。同時，法國也在獨立研制自己的核武器。這就使得三國禁試條約已成為一紙空文，直接動搖了美蘇的核壟斷地位。

　　到了1978年，美蘇的核軍備競賽又出現了新的升級。美國首先正式宣告要生產“中子彈”，這是美蘇兩國已經研究了將近20年的一種新式核武器。實質上它也只不過是一種所渭小型“干凈”氫彈。小型是指它的爆炸威力只有一千噸梯恩梯當量，僅是第一顆原子彈的二十分之一；而“干凈”是指用少量的裂變燃料引爆。因此爆炸結果沒有很大的放射性污染，而且它的沖擊波和光輻射的破壞作用被局限在很小的范圍內。

　　中子彈主要的殺傷作用是由氘－氚聚變反應中所放出的高能量中子，它能容易地穿透堅厚的各種物體而置人于死地。它對各種物質財富和建筑物的破壞作用是不大的，輻射的壽命也很短，大約幾小時后就能消失，人就能進入被這種炸彈襲擊過的地區。如用原子彈或氫彈則輻射壽命很長，需幾個月后人們才能進入。當然，這種炸彈只有不用核爆炸來引爆，如用大功率的激光束或其它無輻射高能裝置引爆時，這才是名副其實的“中子彈”。

　　總之，凡是利用核能(包括裂變能和聚變能)的武器，不論是原子彈、氫彈和中子彈，都稱為核武器。而且不論“骯臟”還是“干凈”，它們對人類都是有害的。看來不少科學家早先擔心核能被用于戰爭的憂慮還是有根據的。至于那些在第二次世界大戰中直接被原子彈傷害過的受害者，當然更有理由覺得核武器的可怕。

　　但是無論怎樣，這決不是核科學家研究和利用核能的真正目的。從人類歷史發展的長河中，我們可以清楚地看到，任何一種科學上的新發現，都能增強人類支配自然的能力。而核能本身是一種高濃度的巨大能源，所以它也一定能被人們用來為人類的進步和文明服務。人類生存的目的總是希望能生活得更美好，而決不是為了破壞……