原子彈（Atomic bomb）是利用原子核裂變反應(yīng)釋放出大量能量的原理制成的一種核武器，核裝藥一般為钚[bù]-239、鈾[yóu]-235。這些物質(zhì)的原子核在熱中子轟擊下，分裂為2個或若干個裂片和若干個中子，同時釋放出巨大的能量。原子彈爆炸后會產(chǎn)生大量光熱輻射、沖擊波和感生放射性造成殺傷和破壞作用，以及造成大面積放射性污染，阻止對方軍事行動以達到戰(zhàn)略目的，主要用于戰(zhàn)略威懾。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸級梯恩梯當量，有巨大的殺傷破壞力。它可由不同的運載工具攜載而成為核導彈、核航彈、核地雷或核炮彈等。按照原子彈的結(jié)構(gòu)原理可以分為：槍式原子彈、內(nèi)爆式原子彈以及加強型原子彈。
原子彈的誕生，是20世紀40年代前后科學技術(shù)重大發(fā)展的結(jié)果，源于近代原子物理學、核物理學和量子物理學的發(fā)展，凝聚十幾位世界杰出科學家的智慧，奠定了核能在軍事上的應(yīng)用基礎(chǔ)。最終在美國國家戰(zhàn)略的支撐下，1945年7月16日，美國成功爆炸了世界上第一顆原子彈。1945年8月6日，美國用B-29轟炸機轟炸機運載代號“小男孩”（槍式鈾彈，長2.5米、重4.1噸，當量約2萬噸）的原子彈轟炸日本廣島，方圓42平方公里的城市被摧毀，房屋毀壞率達70%以上，造成約14萬人死亡。同年8月9日，美國在長崎市投下代號“胖子”（內(nèi)爆式钚彈，直徑1.5米、重4.5噸，當量約2萬噸）的原子彈，造成數(shù)十萬人傷亡。迄今為止這是世界沖突中唯一一次使用核武器的事件。
根據(jù)《不擴散核武器條約》，中國、法國、俄羅斯、英國和美利堅合眾國為核武器締約國。其中蘇聯(lián)于1949年、英國于1952年、法國于1960年、中國于1964年成功爆炸第一顆原子彈，成為世界上第五個擁有核武器的國家。除了5個國際承認的核國家，還有印度、巴基斯坦、朝鮮3個自行“宣布”擁有核武器的國家和1個“模糊國家”以色列。核武器的發(fā)展促使國際社會加強管控，2022年中美俄英法五國聯(lián)合聲明重申“核戰(zhàn)爭打不贏也打不得”，并強調(diào)核武器應(yīng)服務(wù)于防御目的、懾止侵略和防止戰(zhàn)爭，同時重申不將核武器瞄準彼此或其他任何國家。
歷史沿革
國際
1895年，德國物理學家威廉·倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線的穿透作用。隨后貝克勒爾和瑪麗·居里夫婦先后發(fā)現(xiàn)了具有放射性的鈾和元素。1898年，英國科學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福根據(jù)居里夫婦的研究，提出了放射性衰變理論。1911年盧瑟福正式提出了原子核模型。盧瑟福與核武器有兩個重要的預言：第一是在1920年預言了原子核內(nèi)有不帶電的“中子”，第二是預言將會有釋放原子能量的毀滅性武器出現(xiàn)。
1905年，阿爾伯特·愛因斯坦在德國著名物理學期刊《物理學紀事》連續(xù)發(fā)表了五篇論文。其中在6月份發(fā)表了《物體的慣性是否決定其內(nèi)能》一文，闡述了“狹義相對論”和著名的方程式：E＝mc2。這一公式揭示了質(zhì)量和能量的關(guān)系，顯示在微觀世界內(nèi)部蘊藏著巨大的能量。1913年，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾揭示了新的原子結(jié)構(gòu)模型。相對于歐內(nèi)斯特·盧瑟福的原子模型，波爾將馬克斯·普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子理論應(yīng)用到新的模型中，認為電子是在原子核周圍的一定軌道上高速旋轉(zhuǎn)，只有電子在軌道躍遷時才釋放或者吸收量子化的能量，從而建立了奧格·玻爾的“定態(tài)”原子模型。1933年匈牙利物理學家利奧·西拉德在移居英國后，開始從理論上探討實現(xiàn)核鏈式裂變的可能性，他是最早認識到中子是核鏈式裂變反應(yīng)關(guān)鍵的科學家。
相對于太陽這樣宇宙中存在的聚變體，地球上很難發(fā)現(xiàn)自然的裂變。1934年，意大利科學家恩里科·費米曾經(jīng)用中子轟擊鈾-238，已經(jīng)得到了核裂變產(chǎn)物，但是費米卻不認為是裂變反應(yīng)。最終在1939年1月奧地利科學家莉澤·邁特納和他的外甥馬克斯·弗里施，正式宣布鈾可以被中子轟擊而引發(fā)裂變。幾乎在同時，奧格·玻爾就和惠勒就提出了原子核裂變的“液滴”模型，不但描述了鈾原子裂變的機制，而且點明了鈾-235比鈾-238更容易吸收慢中子引發(fā)核裂變。
玻爾的研究就是在美國舉行的第五屆國際理論物理研討會上公布的，隨即已經(jīng)移民美國的費米和西拉德組織了專門研究核裂變的“哥倫比亞小組”，使用哥倫比亞大學的回旋加速器加速核并轟擊鈹( Be) 來產(chǎn)生中子，再用中子轟擊鈾核。而美國科學家的發(fā)現(xiàn)是研制成功了高純度的石墨來作為中子減速劑，這是美國在研究核裂變上領(lǐng)先德國的一個重要原因。
在1938年核裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，蘇聯(lián)科學家就意識到了其中的軍事價值。而從1941年8月份開始，蘇聯(lián)駐外情報機構(gòu)就不斷向國內(nèi)發(fā)出英美進行核能軍事利用研究的情報。1942年4月，蘇軍從一個死去的德國高級軍官身上的筆記本中，發(fā)現(xiàn)了寫有與核能利用有關(guān)的公式和圖表。這促使在1942年9月28日，蘇聯(lián)國防委員會秘密發(fā)布 《關(guān)于組織開展鈾研究》 的第 2352CC號令，開始原子彈的研究。但是由于缺乏高層的直接行政領(lǐng)導和協(xié)調(diào)，項目進行并不順利。
最初美國的研究進展緩慢，1941年春天英國發(fā)表了一份報告，確認原子彈是可能的，并敦促與美國合作。美國成立了S-1委員會對原子彈研究力量進行重組，通過萬尼瓦爾·布什領(lǐng)導的科學研究與發(fā)展辦公室進行管轄。然而隨著項目從研究進展到開發(fā)，布什意識到缺乏資源，最終選擇向陸軍尋求支持。1942年8月13日，“曼哈頓計劃”正式成立。
1942年8月13日陸軍工程兵團上校喬治·卡特利特·馬歇爾奉命，在工程兵團內(nèi)建立一個新工程區(qū)，以便完成建造原子彈的特殊任務(wù)。這個工程稱為曼哈頓工程區(qū)，與這個曼哈頓工程有關(guān)的工作，被稱為“代用材料研制計劃”。1942年9月17日，國防部長任命工程兵團準將萊斯利·格羅夫斯完全負責有關(guān)“代用材料研制計劃”的一切事項。曼哈頓工程區(qū)取自該工程座落在紐約的總部的名宇。總部為原子彈計劃提供行政、建設(shè)以及日常供應(yīng)的任務(wù)。這個名稱起了有效的掩飾作用，后來又取代了軍方內(nèi)部的稱呼，將原子彈研制計劃稱為“曼哈頓計劃”。“曼哈頓計劃”從組織上還包括橡樹嶺的核原料生產(chǎn)計劃，主要承擔代號X-10的钚生產(chǎn)任務(wù)、代號Y-12的濃縮鈾電磁生產(chǎn)、代號K-25的濃縮鈾氣體擴散生產(chǎn)和代號S-50的濃縮鈾液體熱擴散生產(chǎn)，還有新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的原子彈制造計劃（代號Y）、芝加哥的核反應(yīng)堆、漢福德的后處理工廠以及代號P-9的重水生產(chǎn)計劃。
1944年6月時，曼哈頓計劃擁有員工12.9萬人左右，包括8.45萬名建筑工、4.05萬名工廠操作員和1800名軍事人員。1年后隨著建設(shè)工程陸續(xù)完工，員工總數(shù)量降低到10萬人，但軍事人員增加到5600人。1943年，格羅夫斯從戰(zhàn)時勞動力委員會處取得了臨時勞動力優(yōu)先權(quán)。1944年3月，戰(zhàn)時生產(chǎn)委員會和戰(zhàn)時勞動力委員會賦予曼哈頓計劃最高優(yōu)先權(quán)。
1945年7月16日，在新墨西哥州阿拉莫戈多附近的一個沙漠地區(qū)，第一顆原子彈成功引爆。曼哈頓工程還制造了兩枚原子彈。1枚是用鈾材料制作的“小男孩原子彈”核彈，另一枚是用钚材料制作的“胖子”核彈。
在原子彈專門委員會成立后，蘇聯(lián)的原子彈研究進入快速發(fā)展階段。1946年6月，蘇聯(lián)明確了在 2 號實驗室的領(lǐng)導下研制 РДС-1 和 РДС-2 兩種型號的原子彈。原子彈的每個元件都有研究小組集體攻關(guān)，多采用2-3 個研究小組平行研究的方法，要確保第一顆原子彈按期成功試驗。1949 年8月 29日早7時，蘇聯(lián)第一顆原子彈在哈薩克斯坦謝米巴拉金斯克核試驗場成功試爆。
1968年7月1日，美蘇簽署《防止核武器擴散條約》，確定有核締約國不得將核武器讓與任何其他國家。1972年5月底，美蘇簽署了《關(guān)于限制反彈道導彈防御系統(tǒng)條約》《關(guān)于限制進攻性戰(zhàn)略核武器的某些措施的臨時協(xié)定》。1979年6月18日，卡特和列昂尼德·勃列日涅夫在維也納簽署了《關(guān)于限制進攻性戰(zhàn)略武器條約》即《第二階段限制戰(zhàn)略武器條約》，確定至1981年底雙方進攻性戰(zhàn)略武器運載工具限額各為2250件。1987年12月，里根與米哈伊爾·戈爾巴喬夫在華盛頓哥倫比亞特區(qū)簽署了《美蘇關(guān)于銷毀中程彈道導彈和中短程彈道導彈條約》(即《中導條約》)，規(guī)定兩國應(yīng)在條約正式生效后立即停止所有射程為500-5000公里中程和中短程導彈的生產(chǎn)和試驗。1991年7月，美蘇領(lǐng)導人簽署了《削減戰(zhàn)略武器條約》，條約規(guī)定雙方戰(zhàn)略核武器各削減30%。
2005年美著手“可靠替換彈頭”的可行性研究，2006年4月，布什政府公布了核彈制造與研制設(shè)施的現(xiàn)代化改造計劃，還以反恐為借口模糊常規(guī)武器與核武器界限。美國還研究在洲際彈道導彈和核潛艇上安裝常規(guī)彈頭，實施戰(zhàn)略打擊行動。在增強核攻擊能力的同時，美國戰(zhàn)略防御能力也有了新的進展，其標志就是導彈防御系統(tǒng)開始進入實際部署階段。美GMD于2006年1月初步具備了導彈防御能力。在東亞，美日聯(lián)合部署導彈防御系統(tǒng)，使用“宙斯盾”戰(zhàn)艦裝備標準-3海基攔截導彈，搭配陸基反導攔截武器構(gòu)成多層攔截的系統(tǒng)。此外美國以意識形態(tài)和地緣利益為由，執(zhí)行雙重標準，損害了核不擴散機制的可信度。
中國
1945年秋，經(jīng)蔣介石特許，國民政府軍政部長陳誠和兵工署長俞大維開始籌劃派人赴美學習研制原子彈，最終資助吳大猷[yóu]、曾
昭掄、華羅庚及六位青年學者，在美研究與學習。
1947年，“ 中央研究院”在制定次年工作計劃時，將原子核物理研究列為重點研究領(lǐng)域的第一項，同年，北京大學校長胡適給國防部部長白崇禧和參謀總長陳誠寫信，“提議在北京大學集中全國研究原子能的第一流物理學者，專心研究最新的物理學理論與實驗，并訓練青年學者，以為國家將來國防工業(yè)之用”，希望由國家撥款，在北京大學建立原子物理研究中心。
1948年9月，北平研究院在原鐳學研究所基礎(chǔ)上組建了原子學研究所，但是當時各方面對于研制原子彈、發(fā)展原子核物理的認識都達到了新的高度，也在人才培養(yǎng)和設(shè)備引進方面做了一些工作。這為中華人民共和國成立后核科學家進行相關(guān)科學研究，并最終研制出原子彈打下了一定的基礎(chǔ)。1960年，由鄧稼先領(lǐng)導的北京第九研究所啟動了被稱為“九次計算”的原子彈理論設(shè)計初期重要計算工作。
1964年10月16日15時，中國第一顆原子彈在新疆羅布泊荒漠爆炸成功。該原子彈由錢三強等科學家參與研制，其代號為“老邱”。
基本原理
1905年，阿爾伯特·愛因斯坦提出了著名的“質(zhì)能轉(zhuǎn)換”方程，指出任何具有質(zhì)量的物體，都貯存著巨大的內(nèi)部能量，而只要有能量的變化，就會有質(zhì)量的變化，能量和質(zhì)量是能夠相互轉(zhuǎn)化的。這一理論被認為是原子彈的基礎(chǔ)。但愛因斯坦在創(chuàng)造這一理論時，并沒有想到原子彈這種武器。從“質(zhì)能轉(zhuǎn)換”方程到最終鈾原子核的鏈式裂變反應(yīng)以及核聚變武器，需要一系列的理論基礎(chǔ)。原子彈應(yīng)該稱為原子核彈，在核物理專業(yè)中稱為裂變彈；氫彈應(yīng)該稱為氘彈，專業(yè)叫法為聚變彈。
首先需要發(fā)現(xiàn)原子核的存在。1911年英國物理學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福，通過使用鐳作放射源，進行α粒子射擊金箔的實驗，發(fā)現(xiàn)有些α粒子被彈回來了，因此盧瑟福認為原子中存在堅實的帶正電的“原子核”。通過研究氫原子，可以確定質(zhì)子肯定是構(gòu)成原子核的組成部分。1932年詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了中子。
在核聚變和核裂變的發(fā)現(xiàn)過程中，輕核聚變要早于重核裂變。這是因為大自然就存在輕核聚變的現(xiàn)象。20世紀初以前，太陽和星星發(fā)光一直是人類無法解釋的奇觀。1920年，英國天體物理學家亞瑟·埃丁頓根據(jù)阿爾伯特·愛因斯坦的相對論首次提出，恒星的能量來自于內(nèi)部氫聚變?yōu)楹さ倪^程。1933年，澳大利亞科學家馬克·奧利芬特與歐內(nèi)斯特·盧瑟福等人合作，第一個通過實驗證明核聚變的存在，還發(fā)現(xiàn)了氦3和氚原子核。馬克·奧利芬特發(fā)現(xiàn)，當氘核與氦3、氚核或其他氘核發(fā)生反應(yīng)時，釋放出的粒子所具有的能量遠遠超過它們開始時的能量，這意味著結(jié)合能已經(jīng)通過聚變從原子核內(nèi)部釋放出來。
相對于太陽這樣宇宙中存在的聚變體，地球上很難發(fā)現(xiàn)自然的裂變。在原子核這個微觀世界中，量子力學發(fā)揮作用，無法精確的觀察原子核的結(jié)構(gòu)，而且無法通過薛定諤方程來描繪重原子核這種量子多體系統(tǒng)，因此必須要假設(shè)一個非常容易處理和理解的簡單模型，來理解原子核的結(jié)構(gòu)。
1929年，俄裔美國物理學家蓋莫夫推出了原子核的液滴模型。該模型將原子核描述為一滴液體。如果給予足夠的額外能量（如通過吸收中子），原子核可能會扭曲成啞鈴形狀，然后在中間分裂成兩個幾乎相等的碎片，然后釋放能量。雖然這個模型不足以解釋所有核反應(yīng)現(xiàn)象，但該模型的理論基礎(chǔ)提供了對原子核平均特性的估計。而這種能量，就是原子核的結(jié)合能。
液滴模型的出現(xiàn)，為核裂變武器的誕生奠定了基礎(chǔ)。在1932年中子被發(fā)現(xiàn)后，科學家開始用它來轟擊原子核來進行探測。1934年，意大利科學家恩里科·費米用戶中子轟擊鈾，產(chǎn)生了第一個比鈾重的元素。在費米之后，奧地利猶太裔女科學家麗莎·邁特納，以及德國化學家奧托·哈恩以及化學家弗里茨·斯特拉斯曼也開始合作用中子轟擊鈾和其他元素并確定一系列衰變產(chǎn)物。1938年12月16日，奧托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼進行了“鐳間皮分餾”實驗，結(jié)果令奧托·哈恩困惑，因為在用中子轟擊鈾后，它分裂成了兩半，并且產(chǎn)生了許多β放射性核素。哈恩給已經(jīng)逃亡國外的莉澤·邁特納寫信描述了這一現(xiàn)象。邁特納和她的侄子奧托·弗里施認為，應(yīng)該借鑒液滴模型來研究這一問題，即鈾原子核在遭到中子轟擊后，原子核像液滴一樣分離，并釋放出能量，而這兩個子核加在一起的質(zhì)量，要比原有的鈾原子核少大約20%。而釋放的能量就來自損失的質(zhì)量。1939年1月份邁特納和馬克斯·弗里施將這一過程寫成論文寄給《自然》雜志，并將這一分裂的過程稱為“裂變”。1939年2月，奧托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼則發(fā)表了他們的論文，首次使用了Uranspaltung （鈾裂變）一詞，并預測在裂變過程中將有額外中子的存在和釋放，開啟了核鏈式反應(yīng)的可能性。
鏈式裂變反應(yīng)
要實現(xiàn)原子核裂變產(chǎn)生巨大的爆炸能量，必須使大量的鈾原子核在短時間內(nèi)發(fā)生裂變，也就是發(fā)生鏈式裂變反應(yīng)。盡管1933年匈牙利物理學家利奧·西拉德就構(gòu)想了核鏈式裂變的可能性，但必須要在實驗中再現(xiàn)。恩里科·費米的工作就是先要證實裂變鏈式反應(yīng)的存在，這才能實現(xiàn)原子彈。
從1939年開始，費米就開始在哥倫比亞大學重點研究實現(xiàn)可以自持的裂變鏈式反應(yīng)。當時費米認為只要有足夠的中子，就能夠引發(fā)裂變鏈式反應(yīng)，但關(guān)鍵是能夠讓中子減速，石墨是一種非常有效的減速劑。1940年，費米在哥倫比亞大學的禮堂地下室內(nèi)使用50噸石墨和8噸的氧化鈾建造一個亞臨界的反應(yīng)堆。1940年加州伯克利分校的科學家格倫·?博格發(fā)現(xiàn)了钚-239這種超鈾元素。钚-239在受到慢中子轟擊后能夠和鈾-235一樣的方式進行裂變，這就產(chǎn)生了第二種制造原子彈的方法。钚-239可以通過中子輻照鈾-238來不斷產(chǎn)生。這就意味著恩里科·費米對反應(yīng)堆研究的重要性，因為這不但能證實裂變鏈式反應(yīng)的存在，而且還能制造原子彈所需的裂變材料。
1942年6月，費米開始主導建設(shè)芝加哥1號堆（CP1）。CP-1由45000塊石墨磚組成，每2塊石墨磚中間放置1個鈾塊。1942年12月2日，費米下令將所有的控制棒從反應(yīng)堆中抽出來，反應(yīng)堆達到了臨界狀態(tài)，自持的裂變鏈式反應(yīng)出現(xiàn)了。費米不僅證實了核鏈式裂變存在，而且還實現(xiàn)了核能量緩慢和可控的釋放，為開發(fā)利用原子能作為動力奠定了基礎(chǔ)。
恩里科·費米的發(fā)現(xiàn)表明，自持裂變鏈式反應(yīng)發(fā)生的條件，是實現(xiàn)中子增殖，也就是中子被裂變核吸收并且發(fā)生裂變放出裂變中子，也就是“中子增殖系數(shù)”。如果這個系數(shù)為1，意味著系統(tǒng)為臨界狀態(tài)，即每一代裂變中子數(shù)保持不變，鏈式反應(yīng)可以自持下去，而且裂變數(shù)始終保持不變。如果這個系數(shù)大于1，則為超臨界狀態(tài)，即每一代產(chǎn)生的中子數(shù)比前一代的增加，裂變鏈式反應(yīng)不但可以自持，而且裂變的數(shù)目一代代增加。對核武器來說，這個系數(shù)盡可能大于1，這就意味著核爆炸發(fā)生。如果這個系數(shù)小于1，則系統(tǒng)為亞臨界狀態(tài)，最后裂變鏈式反應(yīng)停止。
臨界質(zhì)量
無論是原子彈還是核反應(yīng)堆，一個核燃料系統(tǒng)達到臨界狀態(tài)的體積，就是臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量就是臨界質(zhì)量。對于核武器而言，臨界質(zhì)量越小越好。各種實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鈾-235和钚-238的中子增殖性能很好，鈾-235原子核在收一個中子后放出的平均中子數(shù)為2.21個，而钚-238為2.61個。這就意味著钚-238的臨界質(zhì)量可以做到更小。根據(jù)測定，高濃縮度鈾235臨界質(zhì)量約為50公斤，武器級钚-239其臨界質(zhì)量約為16公斤。
實現(xiàn)可實用的核武器，就需要盡可能減低臨界質(zhì)量。減低臨界質(zhì)量除了選擇增殖性能好的裂變材料之外，還可以通過其他設(shè)計來實現(xiàn)。例如核材料應(yīng)該設(shè)計成圓形，這樣就能夠盡可能降低中子泄漏的幾率。此外還可以在核材料的外部增加中子發(fā)射層，這樣就可以減少臨界質(zhì)量。
對臨界質(zhì)量的估算，是研制原子彈的一個重要方面。在第二次世界大戰(zhàn)前德國也啟動對原子彈的研制，但最終失敗。其中一種重要原因就是德國核物理的領(lǐng)軍人物海森伯格對于原子彈的臨界質(zhì)量估算錯誤。海森堡的模型是核反應(yīng)是從鈾-235球心向周邊擴展的。在這一過程中，將有10的24次方個鈾-235原子核發(fā)生裂變。海森堡計算認為，在中子達到鈾-235球表面之前，必須和這些鈾-235原子核發(fā)生碰撞并產(chǎn)生分裂。因此他計算原子彈的鈾-235球最小半徑為54厘米，質(zhì)量超過1噸，這意味建造實用的原子彈根本不可能。而海森堡在聽到美國軍隊用原子彈轟炸廣島市的消息后，仍然不相信原子彈的存在。這因為海森伯格沒有獲得正確的自持鏈式裂變反應(yīng)的理論，因此也就無法得出正確的核武器臨界質(zhì)量。
主要結(jié)構(gòu)
以1945年8月，美國投到日本廣島的那顆原子彈（代號叫“小男孩原子彈”）為例，該原子彈采用槍式結(jié)構(gòu)，重約4100公斤，直徑約71厘米，長約305厘米。核裝藥為鈾235，爆炸威力約為14000噸三硝基甲苯當量。在槍式結(jié)構(gòu)中，每塊核裝藥不能太大，最多只能接近于臨界質(zhì)量，而決不能等于或超過臨界質(zhì)量。因此當兩塊核裝藥合攏時，總質(zhì)量最多只能比臨界質(zhì)量多出近一倍。這就使得原子彈的爆炸威力受到了限制。
另外在槍式結(jié)構(gòu)中，兩塊核裝藥雖然高速合攏，但在合攏過程中所經(jīng)歷的時間仍然顯得過長，以致于在兩塊核裝藥尚未充分合并以前，就由自發(fā)裂變所釋放的中子引起爆炸。這種“過早點火”造成低效率爆炸，使核裝藥的利用率很低。一公斤鈾235（或钚239）全部裂變，大約能釋放18000噸三硝基甲苯當量的能量，一顆原子彈的核裝藥一般為15～25公斤鈾235（或6～8公斤钚239），以此計算，“小男孩原子彈”的核裝藥利用率還不到百分之五。
鈾在正常壓力下的密度約為19克/立方厘米。在高壓下，鈾可被壓縮到更高的密度。研究表明，對于一定的裂變物質(zhì)，密度越高，臨界質(zhì)量越小。根據(jù)這一特性，在發(fā)展槍式結(jié)構(gòu)的同時，還發(fā)展了一種內(nèi)爆式結(jié)構(gòu)。在槍式結(jié)構(gòu)中，原子彈是在正常密度下用突然增加裂變物質(zhì)數(shù)量的方法來達到超臨界，而內(nèi)爆式結(jié)構(gòu)原子彈則是利用突然增加壓力，從而增加密度的方法達到超臨界。
在內(nèi)爆式結(jié)構(gòu)中，將高爆速的烈性炸藥制成球形裝置，將小于臨界質(zhì)量的核裝料制成小球，置于炸藥中。通過電雷管同步點火，使炸藥各點同時起爆，產(chǎn)生強大的向心聚焦壓縮波（又稱內(nèi)爆波），使外圍的核裝藥同時向中心合攏，使其密度大大增加，也就是使其大大超臨界。再利用一個可控的中子源，等到壓縮波效應(yīng)最大時，才把它“點燃”。這樣就實現(xiàn)了自持鏈式反應(yīng)，導致極猛烈的爆炸。內(nèi)爆式結(jié)構(gòu)優(yōu)于槍式結(jié)構(gòu)的地方，在于壓縮波效應(yīng)所需的時間遠較槍式結(jié)構(gòu)合攏的時間短促，因而“過早點火”的幾率大為減小。這樣，內(nèi)爆式結(jié)構(gòu)就可以使用自發(fā)裂變幾率較大的裂變物質(zhì)，如钚239作核裝藥；同時使利用效率大為增。
分類
原子彈設(shè)計的基本原理是通過特定結(jié)構(gòu)設(shè)計，使初始處于次臨界狀態(tài)的裂變裝料在瞬間達到超臨界狀態(tài)，并通過中子源適時提供適量中子，觸發(fā)裂變鏈式反應(yīng)從而引發(fā)核爆炸。由次臨界達到超臨界狀態(tài)的方法有“槍式”（壓攏型）和“內(nèi)爆式”（內(nèi)爆式核武器）兩種。此外還有加強型原子彈。
槍式原子彈
其結(jié)構(gòu)原理是把次臨界質(zhì)量的圓柱形鈾塊(“鈾子彈”)和另一個次臨界質(zhì)量、帶有圓柱形凹槽的鈾球分開放置。分開后的原子彈中的兩個鈾塊都不會引起裂變鏈式反應(yīng)。若要引發(fā)核爆炸，要通過雷管點燃烈性炸藥，由化學爆炸產(chǎn)生的強大推力使“鈾子彈”迅速射向鈾球并進入圓柱形凹槽內(nèi)，使整個系統(tǒng)瞬間達到臨界和超臨界狀態(tài)，并適時地由中子引爆器產(chǎn)生的中子觸發(fā)，立即發(fā)生強烈的鏈式裂變反應(yīng)。如鏈式裂變反應(yīng)能在超臨界系統(tǒng)瓦解之前達到足夠多的“代”數(shù)，就會產(chǎn)生強烈的核爆炸。1945年8月6日美國投到廣島市的第一顆原子彈就是“槍式”構(gòu)型原子彈。
內(nèi)爆式原子彈
這種原子彈的結(jié)構(gòu)原理，是把一塊處于次臨界狀態(tài)的裂變裝料（鈾-235或钚-239）的球體放于原子彈的中心，四周被化學炸藥包圍，在使用前不會引起裂變鏈式反應(yīng)。若要引發(fā)核爆炸，則是先點燃高能化學炸藥，利用化學爆炸產(chǎn)生的內(nèi)聚沖擊波和高壓力，壓縮中心處于次臨界狀態(tài)的裂變?nèi)剂锨蝮w，使其密度急劇升高。由于臨界質(zhì)量與密度成反比，使得裂變裝料達到超臨界狀態(tài)。這時中子引爆器適時地產(chǎn)生大量中子，引發(fā)劇烈的鏈式裂變反應(yīng)從而產(chǎn)生核爆炸。與槍式相比，內(nèi)爆式構(gòu)型更為先進，因為裂變材料用量少利用率高，但技術(shù)更復雜。美國在1945年7月16日進行的第一次核試驗和后來在日本長崎投下的代號“胖子”的原子彈都屬“內(nèi)爆式”钚彈。
加強型原子彈
從單位質(zhì)量講，聚變釋放的能量要比裂變釋放的能量高。原子彈裝料里加一些聚變材料，在原子彈爆炸的高溫下，引起聚變反應(yīng)，聚變放出的中子又可以加強裂變反應(yīng)，從而使爆炸威力大大增加。這樣的原子彈稱“加強型原子彈”。加強型原子彈由于用了氘氚氣體，其內(nèi)爆壓縮過程會帶來許多新的問題。界面不穩(wěn)定性會更加突出，因為氘氚氣體的密度比起鈾、钚金屬的密度差得太遠了。當壓縮的氘氚內(nèi)部壓力過高時，就會產(chǎn)生反壓而出現(xiàn)界面不穩(wěn)定的情況。對于加強型原子彈來說，除了雷管點火、中子點火引爆原子彈之外，還有第三次點火，即用裂變反應(yīng)的能量點燃輕材料的聚變反應(yīng)。以上各次點火的時間是要選擇在有關(guān)釋能部件處在一個最佳的物理狀態(tài)下，才能獲得最好的爆炸效果。這只能依靠極其復雜的實驗和模擬計算來確定。
相關(guān)國家
根據(jù)《不擴散核武器條約》，世界上有5個擁有核武器的締約國，包括中國、法國、俄羅斯聯(lián)邦、英國和美利堅合眾國。該條約規(guī)定的核武器締約國是指在1967年1月1日之前已制造和爆炸核武器或其他核爆炸裝置的國家。
除了5個國際承認的核國家，還有3個自行“宣布”擁有核武器的國家和1個“模糊國家”。印度1968年開始核武器項目，1974年5月進行了“和平的核爆炸”試驗。1998年5月印度進行了五次核試驗后，正式宣布該國為擁有核武器國家。1998年5月巴基斯坦在印度核試驗后，很快也進行了核試驗，并宣布擁有核武器。朝鮮于2006年10月和2009年5月進行了核試驗，宣布自己是有核國家。外界猜測以色列擁有一定數(shù)量的核彈頭，但該國奉行“模糊戰(zhàn)略”，對此既不承認也不否認，也沒有公開進行過核試驗。以上四個國家都沒有加入《不擴散核武器條約》。2024年6月16日，據(jù)瑞典斯德哥爾摩國際和平研究所報告統(tǒng)計，印度、巴基斯坦、朝鮮和以色列分別擁有172枚、170枚、50枚和90枚。
使用情況
1945年7月25日，哈里·S·杜魯門決定，如果日本拒絕接受波茨坦公告就使用原子彈。攻擊順序為廣島、小倉、新潟縣和長崎市。7月29日，美國軍隊用重巡洋艦將原子彈的核心部分——裝在金屬密封筒里的鈾-235，從舊金山運到馬里亞納群島的天寧島。7月31日，第一枚用于實戰(zhàn)的原子彈裝配完畢，由于彈體細長，被命名為“小男孩原子彈”。
“小男孩”彈重4082公斤，彈長3.05m，彈徑0.711米，裝料為50公斤豐度為89%的鈾-235和14公斤豐度為50%的鈾-235。“小男孩”使用槍式設(shè)計，通過炸藥爆炸，將一塊25.6公斤低于臨界質(zhì)量的鈾-235，射向三個總重為38.4kg處于低臨界的環(huán)形鈾-235，形成整塊超臨界質(zhì)量的鈾，引發(fā)核鏈式反應(yīng)。
8月2日，第20航空隊下達作戰(zhàn)指令，確定8月6日向日本實施原子彈轟炸，出動7架B-29。1945年8月6日凌晨2時45分，保羅·蒂貝茨和機組人員駕駛“埃諾拉·蓋伊”號B-29轟炸機起飛。7時50分，“埃諾拉·蓋伊”號進入四國上空，高度己達9700米。 軍械專家擰下原子彈上一個綠色螺絲，接通了最后一個電路，原子彈處于待爆狀態(tài)。8時14分17秒，”埃諾拉·蓋伊”號炸彈艙打開，將“小男孩原子彈‘投向位于廣島市中心太田川上的相生橋。50秒后，一道藍白色的亮光閃過，一個紫紅色光點騰空而起，迅速化作急速膨脹的巨大火球，白色煙柱很快升至3000米高空，逐漸形成蘑菇狀煙云，一直升到15000米高空。
小男孩原子彈在相生橋以東約100米的外科醫(yī)院上空580米爆炸，爆炸地點在廣島市中心偏西北處。小男孩裝有的鈾-235,只有約1公斤在爆炸中進行了核裂變，釋放的能量約相等于1.25萬噸TNT烈性炸藥，即大概為5.5x焦耳。爆炸立刻產(chǎn)生了30萬度的高溫和時速高達60公里的強烈沖擊波。方圓42平方公里的城市被摧毀，房屋毀壞率達70%以上，14萬人死亡。廣島市中心約12平方公里，幾乎被夷為平地，全市76328幢建筑物中，4.8萬幢全部被毀，22178幢半毀，房屋損失達92%。
1945年8月9日上午9點，美國飛機將第二顆原子彈投向了有27萬人口的海港城市長崎市，長崎上空隨即騰起了巨大的蘑菇云，1.4萬棟建筑物被毀，7萬多人死亡。1945年8月9日美國投于長崎市的原子彈名為“胖子”，是人類歷史上第二次使用的核武器。這顆原子彈長3.25米、直徑1.52米、重4545公斤，核心是用6.2公斤钚-239制成，釋放的能量約相等于2.2萬噸三硝基甲苯烈性炸藥，即大概為8.4x焦耳，比投擲在廣島的首枚原子彈稍大。“胖子”核彈由查爾斯·斯文尼駕駛的B-29轟炸機“博士卡”在長崎市上空9000米高度投下。早上11時02分原子彈在550米高度爆炸。長崎在爆心投影點2.5公里半徑里，所有的建筑物完全被摧毀，在爆心投影點4公里半徑 里，大部分的房屋被破壞，原子彈爆炸后約120分鐘，約6.7平方公里范圍內(nèi)，建筑物燃起熊熊大火。由于長崎市地勢多山，造成的損害比平坦的廣島市較低。
相關(guān)人物
泰勒(Geoffrey Ingram Taylor）
1886年3月7日生于倫敦，1975年6月27日卒于劍橋大學，英國力學家，1907年和1908年先后獲劍橋大學數(shù)學和物理學位，1919年在劍橋大學卡文迪什實驗室工作，同年選為英國皇家學會會員。1923年起，一直擔任E．盧瑟福領(lǐng)導的卡文迪什實驗室的研究教授，1949年起，先后被聘為荷蘭、美國、法國、挪威、意大利、印度等國科學院外藉院士。
泰勒科學工作的特點是擅長巧妙地將深刻的物理洞察力和高深的數(shù)學方法結(jié)合起來，并善于設(shè)計出簡單而又完善的專門實驗。泰勒的科學貢獻除將說到的強爆炸研究外，還有很多，如闡明激波的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；對大氣湍流和湍流擴散作了研究，提出了均勻各向同性湍流，和湍流的泰勒微尺度；得到兩同軸轉(zhuǎn)動圓筒間流動的失穩(wěn)條件；提出晶體的位錯理論；發(fā)現(xiàn)薄板穿孔中的塑性流動，對高速加載材料試驗作了貢獻。
馮．諾依曼(John Von Neumann）
1903年12月28日生于匈牙利布達佩斯，1957年2月8日卒于美國華盛頓哥倫比亞特區(qū)，匈牙利猶太人，布達佩斯大學數(shù)學博士，1930年赴美，美國普林斯頓大學大學教授，美國科學院院士。馮．諾依曼在計算機、數(shù)學、物理學和經(jīng)濟學等方面都作出過杰出貢獻，特別的是，他參與設(shè)計和制造了世界第一臺電子計算機，對制造原子彈的曼哈頓工程做出了重大貢獻。
謝多夫(LLSedov）
1907年11月14日出生于俄羅斯羅斯托夫，1999年卒于莫斯科，蘇聯(lián)力學家、應(yīng)用數(shù)學，1930年畢業(yè)于莫斯科國立大學，1937年起任莫斯科大學教授，蘇聯(lián)科學院院士，曾任國際航天協(xié)會主席。
羅伯特.奧本海默
20世紀美國著名的理論物理學先驅(qū)，年輕時，他就為早期量子力學的發(fā)展作出了開創(chuàng)性的貢獻，顯示出非凡的才能，30多歲時，他在伯克利創(chuàng)立了美國歷史上前所未有的龐大的理論物理學學派，為美國物理學的迅速崛起留下了深刻的印記，因而當之無愧地進入了世界著名的十大理論物理學家之列，他領(lǐng)導著“史無前例的最龐大的科學家組織”，研制成功了世界上第一顆原子彈，由此獲得了“原子彈之父”的美譽，二次大戰(zhàn)后，他積極倡導原子彈的國際控制，竭力阻止美國研制氫彈，從而導致了著名的“奧本海默案件”，同時，他還是一位極具性格魅力的演講者，喜歡用獨特的表達方式闡述自己的觀點。
發(fā)展趨勢
由于原子彈投射工具準確性的提高，自60年代以來，原子彈的發(fā)展，首先是核戰(zhàn)斗部的重量、尺寸大幅度減小但仍保持一定的威力，也就是比威力（威力與重量的比值）有了顯著提高。例如，美國在長崎市投下的原子彈，重量約4.5噸，威力約2萬噸；70年代后期，裝備部隊的“三叉戟”Ⅰ潛地導彈，總重量約1.32噸，共8個分導式子彈頭，每個子彈頭威力為10萬噸，其比威力同長崎投下的原子彈相比，提高135倍左右。威力更大的氫彈，比威力提高的幅度還更大些。這一方面的發(fā)展或許已接近客觀實際所容許的極限。
中國政府在爆炸第一顆原子彈時即發(fā)表聲明：中國發(fā)展核武器，并不是由于相信核武器的萬能，要使用核武器。恰恰相反，中國發(fā)展核武器，是被迫而為的，是為了防御，為了打破核大國的核壟斷、核訛詐，為了防止核戰(zhàn)爭，消滅核武器。此后，中國政府又多次鄭重宣布：在任何時候、任何情況下，中國都不會首先使用核武器，并就如何防止核戰(zhàn)爭問題一再提出了建議。中國的這些主張已逐漸得到越來越多的國家和人民的贊同和支持。
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深視頻｜最新報告：2100枚核彈頭處高度戰(zhàn)備狀態(tài)，幾乎都屬于美俄.百家號.2025-11-10
“Research Study on Impacts of the Use of Nuclear Weapons in Various Aspects” Commissioned by the Ministry of Foreign Affairs of Japan in FY 2013.日本外務(wù)省網(wǎng)站.2023-03-31
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解密世界第一顆原子彈爆炸內(nèi)幕：全美國只有12人知道 .微信公眾號.2025-07-16
超空泡高速魚雷技術(shù)綜合分析.中國知網(wǎng).2023-12-11
我國核安全法律制度研究.中國知網(wǎng).2023-12-11