原子弹和氢弹的原理

2018-12-20  本文已影响0人  CloudMan

原子弹和氢弹爆炸都是原子核释放巨大能量的过程。

其区别在于前者是原子核的裂变,后者是原子核的聚变。

原子结构

要讲清楚这个问题,首先需要简单了解一下原子的构造,如下图所示:

image.png

原子由中心的原子核与外围的电子组成。

原子核带正点,电子的负电,电子围绕原子核高速运动。

原子核由带正电的质子与不带电的中子组成。

这里有个问题:根据同性相斥原理,一堆都带正电的质子聚在一起,为什么没有因为互相排斥而分开呢?

确实,质子之间有互斥的力量;但同时,原子核表面也有张力(想想水面的张力),会拦住想往外跑的质子。所以,通常情况下,原子的结构是稳定的。

对于不同元素,其原子核张力与质子的排斥力也不一样。

一般来说,排在元素周期表银之前的元素其张力强于排斥力,这些元素很稳定,比如氮,氧,氢;而那些排在银以后的(主要是稀有金属,比如铀),张力弱于排斥力,不太稳定,在外力作用下可以分裂。

物理学家正是利用了元素的这一特性,实现了裂变和聚变。

裂变

裂变就是一个原子核分裂成多个。如下图:

用一个高速中子去轰击铀原子核,铀原子核就会分裂成,同时释放出能量。

image.png

聚变

聚变的过程与裂变相反,如下图。

一个氘原子核在外力的作用下,与一个氚原子核结合,聚变为一个氦原子核,并释放能量。

image.png

原子弹与氢弹

简单的讲,原子弹爆炸就是大量铀原子核在瞬间发生裂变释放巨量能量的过程。

如何使大量铀原子核同时发生裂变呢?

根据前面裂变的原理,一个方案是用大量中子去轰击。

理论上行,但实现起来很难。

科学家想到的办法是链式反应,过程是这样的:

1.用少量中子轰击铀原子核

2.铀原子核裂变的同时会将自己的中子射出,而且通常会射出更多的中子

3.接着,这些新的中子会轰击其他的铀原子核

4.重复2-3步,直到所有铀原子都发生裂变

如下图所示:

image.png

氢弹爆炸则是巨量原子核同时发生聚变并释放能量的过程。

而要触发这一过程,需要的能力也是惊人的。

事实上,氢弹通常是由另一颗原子弹来引爆,同时这颗氢弹释放的能力则远大于引爆它的原子弹。

目前科学家正在研究 “可控核聚变”,如果实现,人类将拥有几乎无限的清洁能源。

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