学院：物理科学与技术学院 专业：物理课程与教学论 姓名：**** 学号：201101***
摘要：20世纪初，物理学进入的原子时代，爱因斯坦的质能方程是人们看到了物质所暗含的惊人的能量，核武器是人类目前最大规模的杀伤性武器，其杀伤原理和危害，远远与常规性武器大不相同，并随着科技的进步，核武器越来越先进，并有和常规武器一样使用的趋势。二战期间德、日、美、英、苏、法等参战大国都试图研究超级武器，而美国捷足先登成功研制了世界上第一颗并投入使用，加速了二战的结束。随后，英、苏、法、中等都成功研制了核武器，打破了美国核垄断地位。
关键词：核武器 TNT当量 浓缩铀 杀伤半径 蘑菇云 辐射 曼哈顿计划
一、核武器的原理
（一）核武器的定义及其相关参数和技术
1．核武器
核武器是指利用自持核裂变和核聚变反应或者是两者兼有的瞬间释放出的巨大的能量，产生爆炸作用，造成大规模杀伤或者破坏效果的武器的总称。我们常说的核武器主要是、、特殊性核武器（比如中子弹、电磁脉冲弹、冲击波弹）等。核武器是目前的大规模杀伤武器，所谓的大规模杀伤武器就是核武器、生物武器和化学武器，简称核、生、化武器。 2．TNT当量和比威力
讲到核武器还要明确一个重要的定义——TNT当量和比威力。核武器的威力是指核爆炸时释放的总能量，通常用“梯恩梯”双膝之间1984（TNT）当量（简称当量）来表示。它的含义是指爆炸时放出的能量相当于多少吨TNT烈性爆炸时放出的能量。每公斤爆炸时可产生420万焦耳的能量，1吨TNT相等于4.2千兆焦耳。按照核武器的爆炸威力来看，我们可以给核武器进行以下分类：
特大威力核武器：100万吨以上当量；
大威力核武器：10—100万吨当量之间；
中等威力核武器：1—10万吨当量之间；
小威力核武器：0.1—1万吨当量之间；
特小威力的核武器：小于0.1万吨当量。
其中，中等威力的核武器称为战略型核武器，小威力、特小威力的核武器称为战术型核武器，战术型核武器越来越受到各国的关注，并有派上战争用场的趋势。
所谓威力比是指每公斤重的核子弹所产生的爆炸威力，即爆炸的总当量与核武器重量之比，它是核武的一项极其重要的指标，从威力比的大小，可以看出核武小型化的水平，目前俄、美两国在百万吨当量以上的核子武器，它的威力比水平约为每公斤弹头达到2500～5000吨当量，20万吨～100万吨当量的核武威力比水平大约为每公斤弹头约2200～2500吨当量。
3．浓缩（铀）
“浓缩”术语的使用涉及旨在提高某一元素特定同位素丰度的同位素分离过程，例如从天然铀生产浓缩铀或从普通水生产重水。浓缩设施分离铀同位素的目的是提高铀-235相对于铀-238的相对丰度或浓度。人们知道，铀-235是制造核武器的主要材料之一。但在天然矿石中铀的3种同位素共生，其中铀-235的含量非常低，只有约0．7%。只有把其他同位素分离出去，不断提高的丰度，它才能用于制造核武器。这一加工过程称为铀浓缩。
根据国际原子能机构的定义丰度为3%的铀-235为核电站发电用低浓缩铀，浓度大于80%的铀为高浓缩铀，其中丰度大于90%的称为武器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。获得1公斤武器级需要200吨铀矿石。在适用于提高铀-235浓度的技术中，有7项技术特别重要，分别为：气体扩散法、气体离心法、气体动力学分离法、激光浓缩法、同位素电磁分离法、化学分离法、等离子体分离法。迄今为止，只有气体扩散法和气体离心法达到了商业成熟程度。
图1 天然铀矿 图2 美国浓缩铀离心机级联及橡树岭K—25铀浓缩工厂
（二）核武器的爆炸原理及其构造
1．
是利用重核裂变瞬间释放出巨大能量，引起杀伤破坏的武器。里用于裂变的材料是铀或钚两种元素的同位素——铀-235或钚-239，它们的原子核在接受到一个中子后，就会分裂成大小、重量差不多的两个原子核，同时释放出约200MeV的能量。
图3 裂变示意图
举例来说，铀裂变有时产生氪（36号元素）和钡（56号元素），反应方程式为：235U+n→236U→140Ba+93Kr+3n。这个能量差不多能使你肉眼能看到的最小的沙粒跳一下了。相比之下一个碳原子燃烧产生的能量只有4.1eV，仅是裂变能量的5千万分之一。
这只是一个原子裂变放出的能量，学过化学的人都知道，1摩尔铀-235里面有6.02×1023个原子，也就是超过6千万亿亿个铀原子，总重235克。铀的比重和黄金差不多，所以1摩尔的铀也就和250克的金条差不多大，可以放在手心里。这些原子如果全部裂变的话，能量相当惊人，差不多相当于600吨煤完全燃烧所释放的能量。1kg的铀-235或钚-239完全裂变，释放出约等于2万吨TNT当量。
铀-235的原子核裂变时，还会放出中子，有时一个也没有，有时能达到6个，平均有2.5个。这就是说，一个中子引起的核裂变，会放出2.5个中子。而这些中子又会引起周围原子核的裂变，于是就会象雪崩一样引起一连串的原子核裂变，这个过程就叫链式反应。但是这些中子未必都会引起新的裂变，譬如由于原子核十分微小，所以中子不一定能接触到铀核，如果铀块不够大的话，有些中子就会飞出铀块，不能引起新的裂变。当然，铀块中的杂质也会吸收中子，使新的裂变不能进行。
能使裂变材料的链式反应能持续进行的最小的体积称之为临界体积，这时它的质量成为临丹钦柯
界质量。临界质量和裂变材料的种类、纯度、密度以及几何形状密切相关，如果材料包裹以中子反射材料的话，还可以降低临界质量。据网上说一般球形纯铀-235的临界质量约为50kg，δ相钚-239则为15～16kg；而加装中子反射材料后，铀-235的临界质量只有15kg了，而δ相钚-239则只有10～11kg了。之所以材料加工成球形，是因为体积一定时，球形表面积最小，中子泄漏也就减少了。
的爆炸有两种形式：一种是式，另一种是内爆式。
式又称为压拢型，即2-3快小于临界体积的裂变材料，在爆炸产生的高压力推动下迅速合拢为超临界体积，然后中子源适时提供“点火”中子，于是核材料产生链式裂变反应并猛烈释放能量--爆炸成功。法只适合采用，不适合钚239，所以应用较少。
图4 图5
美国于1945年8月6日投到广岛的“小男孩”即为式。它长3.2米，直径0.71米，重约4吨，装64千克浓缩铀 -235。火药推动的“射弹”为圆柱形浓缩铀块，长16厘米，直径10厘米，重38.4千克。“射弹”与“靶”相距25厘米时系统就达到临界。合拢速度为300米/秒，总合拢时间1.35 毫秒。裂变材料利用率1.2%。爆炸威力为1.5万吨TNT当量。
式优点表现为结构简单、无需试验；直径做的较小，适合于打破炮弹；缺点是“射弹”需要加速距离，武器比较长；裂变装料未经压缩利用率低。
内爆式又称为收聚型
收聚式的外型比较短粗，核装药不像式那样只有两块，而是许多块，它们对称的分布在以中子源为中心的球面上，很像一个有皮块拼接的足球.在每块核装药的外面装有中子反射层,再外面是高爆速、传爆药和。所有都与起爆控制器相连，当起爆控制器按照预定的起爆时间发出的起爆指令时，所有便同时引爆传爆药,所有块同时向里爆轰。每块核装药在的爆轰下,受到压缩,并以很大速度向球心的中子源运动.
核装药在高速向球心靠拢时,相互碰撞，产生的高压使核装药在球心处达到高超临界。同时，球心的中子源射出大量中子,链式反应开始，向外膨胀，在内外力量的夹击下，核装药体积达到最小，密度最高，链式反应激烈进行,在不到几微秒的时间内,放出巨大能量，温度可达3×107～4×107℃，两国一制压力高达数百亿个大气压(1个标准大气压=101325帕),其杀伤威力远在式之上。收聚式的优点：核材料经过压缩，效率高；缺点：需要庞大的系统
图6 胖子 图7 “胖子”剖面 图8 爆炸机理
美国于1945年8月9日投到长崎的“胖子”即为内爆式。内爆系统外径70厘米，内径23厘米，厚47厘米；重约2.5吨，有32个透镜。由于主球面加了一层透镜，
横向尺寸增加，所以叫“胖子”。使用6.2千克钚材料，爆炸威力为2.1万吨TNT当量，裂变材料利用率20%，为小男孩的16多倍。
2．
图9 W87核弹头（三相弹）实物
是利用爆炸的能量点燃氢的同位素氘等轻原子核的聚变反应瞬时释放出巨大能量的核武器。又称聚变弹 、热核弹
、热核武器
。主要由热核装料(通常用氘化锂)、(为一枚小当量原了弹)和弹壳(常掺有238U)等组成机械工程学报投稿。起爆过程新一代的洗衣粉
是先引爆，氘化锂在高温、高压和中子作用下，锂即产生氚，随之氘氚迅速聚合，放出高能中子和巨大能量，引起比更为猛烈的爆炸。投机倒把罪杀伤破坏因素与相同，但威力比大得多。的威力通常为几百至几万吨级TNT当量，的威力则可大至几千万吨级TNT当量。还可通过设计增强或减弱其某些杀伤破坏因素，其战术技术性能比更好，用途也更广泛。一般是裂变--聚变双相弹。若弹壳中含有铀235，则氘氚聚变产生的高能中子能使铀235发生裂变，增加裂变碎片的产额，提高爆炸威力。这种称裂变-聚变-裂变三相弹。
的核装药可以用氘和氚，在它里面装有一颗小型作为。爆炸时，先用将普通引爆，将分开的核装药铀235 和钚239迅速地压拢在一起，起爆小型，产生上千万度的超高温，使氘，氚产生聚变反应，氘，氚变成不带电子的原子核和自由电子所组成的气体，并以很高的速度相互碰撞着，随之迅速剧烈地进行合成氦的反应，同时释放出巨大的核聚变能。另有一种以氘和锂6为核装药的“干式”。内部用来引爆的爆炸后，产生超高温的同时还产生大量的中子，而锂6在中子的轰击下又产出氦和氚。氘化锂6中的氘和新产生的氚，又在超高温条件下发生聚变反应，产生氦核和中子，并放出大量的能。氘和氚的核聚变反应提高了反应温度，又会加速氘和氚的聚变反应速度。此后，人们又研制成了一种氢铀弹。它的中心是铀235或钚239，周围是氘化锂6，再外面是铀238。最里面的是引爆用的。爆炸时，发生重核裂变反应，引起氘化锂产生轻核聚变反应；而由聚应反应产生的快中子来轰击铀238，使铀238也发生裂变反应。这种比其它的威力大，但放射性污染很严重，所以被称为“肮脏”的。
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