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:
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。
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。
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:
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。