下載客戶端

登錄

讓奧本海默焦頭爛額的曼哈頓計劃，到底有多困難？

2023-09-11 14:04

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

《奧本海默》上映一周多，（玩梗）熱度依然不減。觀眾在欣賞基里安·墨菲等帥哥靚女美貌的同時，也對曼哈頓計劃的前前后后有了更多了解。

面對全世界最高智商的一批物理學(xué)家和研究預(yù)算高達10億美元的保密項目，奧本海默除了發(fā)揮專業(yè)所長之外，還做盡了組織協(xié)調(diào)、項目推進的方方面面，被網(wǎng)友稱為“一流項目經(jīng)理”。

那么，整個原子彈的研究過程為何如此困難，核武器又為何讓奧本海默乃至戰(zhàn)后的世界陷入焦慮呢？

歐洲核子中心一線專家、希格斯玻色子研究團隊成員伊福·范瓦爾彭在《小，更小，最小》中為我們講述了原子彈研發(fā)的背景知識，引領(lǐng)我們踏上這塊未知版圖。

[荷] 伊福·范瓦爾彭｜著

余寧｜譯

未讀·探索家｜出品

和切奶酪截然不同的工作原理

1938年，奧托·哈恩、麗絲·邁特納和他們的同事在德國首次成功對原子進行了分裂，他們向地球上最重的自然元素鈾的原子核發(fā)射中子。

哈恩和他的同事原本期望用一個額外的中子創(chuàng)造出一個更大的原子核，但令他們驚訝的是，這個過程反而產(chǎn)生了更輕的元素。

他們似乎成功地創(chuàng)造了一個新的、更大的原子核，但它極其不穩(wěn)定，因此，從能量學(xué)角度，新的原子核分裂成更小的部分。更出人意料的是，所有原子核加在一起的重量小于原始鈾核加上向其發(fā)射的中子的重量。

但這怎么可能呢？畢竟，如果你把一塊奶酪切成兩半，兩半的總重量還是等于原來那塊的重量，不是嗎？

當(dāng)物體是一塊奶酪時，確實如此，但原子核的工作原理卻不同：如果原子核的排列變得更有效率，那么將它們結(jié)合在一起所需的能量就會減少，因此新粒子的總重量可能會比原來的粒子輕。

根據(jù)眾所周知的公式E=mc2，這種損失的質(zhì)量被轉(zhuǎn)換成能量。雖然每個原子核的質(zhì)量差只是質(zhì)子質(zhì)量的一小部分，但質(zhì)量和能量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)卻非常大，能產(chǎn)生非常大的能量。

所以，如果你用一個中子來推動鈾核，它會分裂，能量會有一個凈增加，因為一些儲存在原子核中的能量被釋放了。

還有一個重要且有趣的現(xiàn)象，鈾原子核衰變?yōu)閮蓚€較小的原子核，留下了一些自由中子。這些“自由中子”并沒有成為原子核的一部分，而是“自謀出路”。

這個看似不重要的細節(jié)，盡管是一個基本的科學(xué)事實，卻對世界政治產(chǎn)生了難以置信的影響。這是因為這些自由中子會使另一個鈾原子核不穩(wěn)定，從而使它分裂：這就產(chǎn)生了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這一發(fā)現(xiàn)是大規(guī)模核軍備競賽的開始。

三年后，第一座核反應(yīng)堆建成，又過了兩年，第一顆核彈在日本廣島市上空爆炸。從商業(yè)角度來說，這項基礎(chǔ)物理研究的上市時間可謂非常短，但結(jié)果卻相當(dāng)可怕。

倒下的多米諾骨牌

當(dāng)鈾原子核分裂時，反應(yīng)產(chǎn)生的自由中子比射向原子核的多。如果這些中子的能級正好，那么它們也會撞到其他鈾原子核，并導(dǎo)致它們分裂，釋放出更多的中子，繼而撞向更多的原子核，依此類推。這個過程一直持續(xù)到鈾用完為止。

這聽起來很無害，而且乍一看，它真的很理想化。如果每次衰變只產(chǎn)生一個中子，那么它就像一系列的多米諾骨牌，在第一塊骨牌被推后都會跟著倒下。

所以你只需要發(fā)射一個中子，把第一個原子核分開，就能“燃燒”一整塊鈾金屬，剩下的過程是自動的，隨著鈾核一個接一個地衰變，產(chǎn)生了“自由”能。你可以用這些能量來蒸發(fā)水，然后用產(chǎn)生的蒸汽，像普通的燃煤或燃氣發(fā)電廠那樣發(fā)電。

美國著名科學(xué)家恩里科·費米發(fā)明了第一座核反應(yīng)堆。這是在他因利用慢中子研究放射性物質(zhì)獲得1938年諾貝爾獎后不久完成的。

電影《奧本海默》劇照。胸前號牌24號為恩里科·費米（丹尼·德費拉里飾）。

為了制造第一座核反應(yīng)堆，他要做的就是把大量的鈾聚集在一個地方。這雖然很困難，但并非不可能。

有一個問題，鈾衰變產(chǎn)生的中子逃逸速度太快了，并不足以引起其他鈾核的衰變，但是，通過減慢這些中子的速度，他可以更有效地利用它們。就像人們在游泳池里走得更慢一樣，水和石墨（碳的一種形式）等物質(zhì)能減慢中子的速度。

費米的結(jié)論是，用石墨塊交替堆砌大量的鈾片應(yīng)該可以達到目的。鈾被秘密地收集并堆放起來，1942年12月2日，實驗成功了。費米和他的團隊建造了世界上第一座核反應(yīng)堆：芝加哥一號堆。

80年后的今天，世界各地有了許多核反應(yīng)堆，雖然種類不同，但原理是一樣的。他們?nèi)紵派湫匀剂希ㄢ?35、钚或釷），加熱水，并使用蒸汽發(fā)電。

從表面上看，核能似乎很理想：它不排放任何二氧化碳；只要少量的燃料，就可以在很長一段時間內(nèi)產(chǎn)生大量的能量。后一個優(yōu)勢就是它被用于核潛艇的原因，但眾所周知，核能也有缺點。

你不能接觸放射性物質(zhì)，因為輻射對人體有害。一旦燃料用完，剩下的廢料就是較小的原子核，它們具有很強的放射性，必須被安全地儲存數(shù)千年。

近年來，釷反應(yīng)堆受到廣泛關(guān)注。因為我們地球上的釷比鈾多得多，畢竟鈾十分稀缺，且釷產(chǎn)生的放射性廢料也要少幾百倍，最重要的是人類不能用它來制造原子彈。切爾諾貝利和福島的災(zāi)難嚴峻地提醒人們，如果沒有正確的安全措施，核電站可能會帶來嚴重的影響。

想到這一點，世界上第一座核反應(yīng)堆的選址就相當(dāng)令人驚訝了：在芝加哥廢棄的斯塔格足球場的觀景臺下。一旦實驗出了問題，災(zāi)難的影響會超出想象，而結(jié)果很可能就是這樣。

制作原子彈

將核反應(yīng)堆比作倒下的多米諾骨牌聽起來似乎很天真，但如果原子每次分裂釋放出的中子不止一個，那么鏈?zhǔn)椒磻?yīng)很快就會失控。每進行一步，分裂鈾核的數(shù)量就會增加。

例如，如果釋放出兩個中子，那么在前五個步驟中衰變的鈾核數(shù)量依次是1、2、4、8和16，到第50步，數(shù)量就是1125899906842624。如果每個步驟發(fā)生得非常快，比如說幾秒鐘，那么核裂變就可以用于制造核彈。

當(dāng)巴黎的科學(xué)家研究表明，每個鈾-235原子核在每一步產(chǎn)生的中子不是一個而是三個，并且鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可能進行得非常快時，居住在美國的匈牙利科學(xué)家利奧·西拉德開始感到恐慌，他要求科學(xué)家不要發(fā)表他們的研究結(jié)果，因為他擔(dān)心這會讓德國人產(chǎn)生和他一樣的想法：原子彈。

科學(xué)家最終還是發(fā)表了，就在“二戰(zhàn)”前不久。西拉德與其他一些科學(xué)家合作，說服阿爾伯特·愛因斯坦給羅斯福總統(tǒng)寫了一封信，指出了潛在的新炸彈的危險。

美國政府看到問題的緊迫性，最終向費米提供了他第一座核反應(yīng)堆所需的鈾，并啟動了鈾濃縮計劃。自然界中有一定量的鈾，但大部分都是鈾-238（含有92個質(zhì)子和146個中子）。

對于需要額外中子的核裂變，你需要使用鈾-235，一種原子核中少3個中子的同位素。這在自然界中也能找到，但不幸的是，它只是隱藏在“普通”鈾中的一小部分（0.7%）。為了建造一個核反應(yīng)堆，你可以讓鈾-235與普通鈾混合。

但要制造原子彈，科學(xué)家需要一大塊相當(dāng)純的鈾-235，這樣（原則上）每個中子都會分裂另一個原子核。一小塊也不管用，因為表面的原子核會把多余的中子發(fā)散到空氣中，無法產(chǎn)生更多原子核的衰變。鈾-235 越大塊，逃逸的中子越少。在一定的重量，即所謂的臨界質(zhì)量下，鈾塊會自發(fā)爆炸。

需要補充說明的是，這不是一個多么巨大的重量：大約50千克的鈾-235（一個半徑為10厘米的球），或者僅僅10千克的钚-239，約一個橙子的大小。

所以，原子彈的原理大致就是：你把一大塊達到臨界質(zhì)量的鈾-235或钚放在一起。通常的方法是將兩個塊體（每一個都在臨界質(zhì)量下）以高速相互撞擊，形成一個大到足以自發(fā)爆炸的塊體。如果這個過程太慢，兩個較小的塊體會燃燒，然后融化，什么也不會發(fā)生。

因此，炸彈制造者需要做的就是獲得50千克的純鈾-235 或10千克的钚，然后瞄準(zhǔn)，發(fā)射。分離鈾的兩種同位素，或做出一大塊鈾-235比例足夠大的鈾塊，這一過程被稱為叫鈾濃縮，這是非常困難的，因為這兩種同位素在化學(xué)性質(zhì)上幾乎是相同的。

科學(xué)家通常用大型離心機分離同位素，原理和洗衣機很像。通過圍繞鈾氣體高速旋轉(zhuǎn)，它們將更多的質(zhì)量較重的鈾-238“甩”到外壁，而較純的鈾-235則留在中心。

你還可以用钚制造原子彈，在沒有鈾的情況下。原則上，你需要的钚要少得多。但問題是钚在自然界并不存在，而是必須在核反應(yīng)堆中制造，所以它很難獲得。

然而，在第二次世界大戰(zhàn)期間，巨大的戰(zhàn)爭壓力讓钚的使用成為可能。首先制造出核彈的一方會贏得戰(zhàn)爭，在那場要么大獲全勝要么滿盤皆輸?shù)母傎愔校还P令人難以置信的資金被投入到這項工程。

迫于戰(zhàn)爭的緊迫，一群頂尖科學(xué)家花了幾年時間致力于曼哈頓計劃，開發(fā)這種新武器。1945年7月16日，第一顆原子彈在新墨西哥州的沙漠中成功引爆，這一事件被稱為“三位一體核試驗”。美國是第一個成功制造出兩種核彈（鈾-235和钚）的國家，這兩種核彈分別于1945年8月6日和9日在廣島和長崎爆炸。