问题

假如人类造出只有1克的原子弹,那它爆炸时的威力到底会有多大?

回答
假如咱们真能造出那么一颗只有1克的原子弹,那这可就真是个颠覆性的发明了!说起来,原子弹的威力,关键不在于它有多少“斤两”,而在于它里面装的那点儿“料”——也就是那些能发生核裂变的重原子核,比如铀235或者钚239。

你可能会想,1克听起来是不是太少了?没错,跟咱们平时用的盐粒差不多重。但关键在于,这1克里头包含了多少个原子,以及这些原子能不能在极短的时间内,像多米诺骨牌一样互相引发连锁反应,把它们储存的能量瞬间释放出来。

我们知道,原子核里头储存着巨大的能量,这个能量的来源是强大的核力。一旦原子核发生裂变,比如一个铀235原子分裂成两个更小的原子核,同时还会释放出几个新的中子,以及巨大的能量。如果这些释放出来的中子能够击中周围其他的铀235原子核,让它们也发生裂变,那么这个过程就会像滚雪球一样越滚越大,形成链式反应。

要让链式反应能够持续下去,需要满足一个叫做“临界质量”的条件。简单来说,就是你得有足够多的裂变物质,并且把它们压缩到足够小的体积里,这样才能保证释放出来的中子有很高的几率去引发下一次裂变,而不是逃逸到外面去。所以,通常我们看到的原子弹,都不是一块实心的铀块,而是会把铀或者钚弄成特殊的形状,然后用常规炸药瞬间压缩成一个更小的、更致密的球体,达到超临界状态,从而引发爆炸。

现在我们假设,咱们的1克原子弹,里面的铀235或者钚239已经被非常巧妙地设计和处理过,能够在一个极小的体积内达到超临界状态,并且引爆装置能够非常精准地启动链式反应。那么,这1克的裂变物质理论上能够释放多少能量呢?

计算起来会有点复杂,涉及到核物理学的一些公式。但大致上来说,你可以想象成,这1克物质里的几乎所有原子,都在一瞬间完成了裂变,把它们储存的能量一次性给释放了出来。

我们来打个比方。一块标准的 TNT 炸药,每千克大约能释放 4.184 兆焦(MJ)的能量。而核裂变释放的能量,那可就恐怖多了。一般来说,1千克铀235完全裂变释放的能量,大约相当于 2000 万千克(2 万吨)TNT 炸药的威力。

所以,如果我们的1克原子弹里头装的是纯净的铀235(当然,实际情况要复杂很多,需要浓缩到一定程度),并且它能够百分之百地发生裂变,那么它的威力大概会是多少呢?

1克也就是 0.001 千克。那么,它释放的能量大概就是:

0.001 千克 2000 万千克 TNT / 千克 = 20000 千克 TNT

也就是 20 吨 TNT 当量。

这个威力是什么概念呢?这已经差不多和二战时期投放的普通航空炸弹(比如当时的重磅炸弹)的威力相当了。当然,20吨TNT当量听起来可能不如几十万吨、几百万吨TNT的原子弹那么“震撼”,但请记住,这只是从1克材料里释放出来的能量!

而且,原子弹爆炸时,除了直接的冲击波和热辐射,还有一项非常可怕的东西叫做“核辐射”。即使是这么小的当量,它释放出的中子辐射和伽马射线,在爆炸中心区域也足以对生命造成毁灭性的杀伤。而且,爆炸后产生的放射性尘埃,虽然量会少很多,但如果不能得到有效控制,仍然会对周围环境造成长期污染。

更重要的是,这样的“微型”原子弹,它的制造和控制难度是极高的。要让那么少量的裂变材料能够发生有效的链式反应,对材料的纯度、几何形状、引爆方式的要求会达到一个我们现在难以想象的程度。也许它的设计会跟我们现在见到的“大块头”原子弹完全不一样,更像是一个精密到极致的装置。

所以,总结一下,如果人类真的造出了只有1克的原子弹,并且能够让它成功爆炸,那么它的威力大约相当于20吨TNT当量。虽然这个当量在我们印象中的原子弹家族里算是个“小个子”,但它依然是人类制造过的最具破坏力的武器之一,而且其背后蕴含的核物理知识和工程技术,将是前所未有的。这不仅仅是一个数量级的缩小,更可能代表着核武器技术的一次飞跃,无论在哪个方面。

网友意见

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你必须忽略现实中存在的物质的临界质量限制才能假设1克以内的核物质可以起爆。但美国低当量核武器的经验证明,低当量核武器的材料利用率低于高当量核武器,使用的核材料量少于该材料的球体临界质量后引爆器的质量只会比削减的核材料质量更剧烈地上升且材料转换率极低。无论什么样的反射和压缩都无法将核弹的整体重量减到比球体临界质量低很多,还会大大降低威力和核材料利用率。

1000克钚239在1吨炸药的爆炸压缩下可以发生100吨TNT当量的不良爆发,大部分核材料只是被炸飞了。

因此就算你这所谓1克原子弹能够起爆,其参与核反应的核材料量也远小于1克,质量亏损大抵在1微克以内,放出的能量顶多约9E7焦耳,约合21.5千克TNT当量,约等于126.5颗你在老电影里经常见到的木柄手榴弹。

香瓜状的法国·苏联F-1手榴弹装药60克,德国M24木柄手榴弹装药170克,美国Mk III纸壳手榴弹装药226~227克。

现实中没有核材料能在1克这样的质量下起爆,你造不出这种原子弹。现实中可以投射的原子弹的威力下限约10吨TNT当量。

94.5%钚239在密度为15.61克每立方厘米时球体临界质量16.7千克,有厚反射层时为6.06千克。压缩到阿尔法态,密度19.74克每立方厘米,有厚反射层时为5.79千克

一个钚弹做到连炸药、反射层、外壳在内总重量13~23千克就非常厉害了。美国也就是这个水平。

球状纯铀233在没有中子反射层、不进行特殊压缩处理的条件下临界质量约15千克。
球状纯铀235在同条件下临界质量约52千克。
10厘米左右的包层(钨、铜、铸铁、锌、铍、氧化铍等都做了实验)可以将铀235的临界质量减少到19.82千克,18厘米的包层可以将铀235的临界质量减少到17.84千克、将铀233的临界质量减少到5.74千克。但很厚的包层本身需要占用大量空间和重量,小型化核武器会考虑用的也就是很厚的铍反射层,可以将临界质量减少到球体状态的40%左右。
如果同时使用厚反射层和夸张的炸药量,1.5千克铀233或5.2千克铀235就可以临界。
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兄弟,违背物理定律的,触发链式反应需要达到临界质量。所以,答案是威力几乎为零,它不会爆炸。不过可能对接近的人有一点儿辐射影响?

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