核武器神秘化的历史背景：太阳给予人们的启示

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　　太阳每时每刻不停地向外辐射出巨大的能量，引起了宇宙空间气象万千的变化。地球上的生命、绿色……的起源，无不与太阳给予的能量有关。万物生长靠太阳。太阳不仅是养育人类的能量源泉，而且是蕴育人类文明的天体。我们对宇宙的认识则始于太阳和太阳系。从远古年代确定季节，了解寒暑变化开始，一直到现代科学文明，无一不从对太阳的研究中得到了许多认识自然和改造自然的启示。

　　(1) 太阳能量来自核聚变

　　为什么太阳等星球能在这么长时间中一直维持高温而不致冷却？它的能量来源是什么？这个秘密一直到本世纪30年代才为原子核物理学家所揭穿。

　　二十世纪初期，科学家们发现太阳是一团炽热的气体，其中一半以上都是氢气，其他还有碳、氮、氧、氦等元素。太阳的表面温度非常高，大约有6000度，内部温度更高，大约有1300万度。太阳中的压力非常大，连气体也被压缩成7倍于铅的密度。

　　1938年，美国物理学家贝特和德国天文学家魏扎克，各自独立的指出：太阳上可能发生着H-H，C-N循环聚合反应，并证明氢核反应的聚变能，足以维持太阳能的规模。它是太阳能够不停地向地球辐射能量的重要依据。太阳上热核反应所消耗的氢核数量大得惊人，计算表明每秒钟内约有6.57亿吨氢聚合成氦，相应地每秒钟约有400万吨质量消失掉，它们转换成巨大的辐射能普照宇宙和大地，为地球上的万物生长和人类的美好生活提供了必要的条件。

　　(2) 聚变能是怎样产生的

　　原子是有结构的，原子核周围有电子，电子带负电-e；原子核带正电Ze，它们的电量恰好大小相等；Z叫做原子的电荷数。原子核的质量用原子量表示，以碳原子质量的1/12作单位（称为碳单位，记为amu）来衡量每个元素的原子量，所得的倍数即该元素的原子量。一个元素的原子量不一定是整数，最接近原子量的整数叫做质量数(记为A），记在元素符号的左上角。具有同样的电荷数而质量数不同的元素叫做同位素，比如1H（氢）可以有同位素2H和3H。2H叫做氘（记为2D），3H叫做氚（记为3T）。

　　原子核也是有结构的，它由质子、中子和其他基本粒子组成。质子带正电，原子核中质子的数目和原子核外电子的数目相同。最简单的核是氢（1H）的原子核，它带一个正电荷e，质量数等于1，常常用p来表示。原子核都带有正电荷，两个原子核相互靠近时，电磁的排斥力随其间距的平方成反比而增大。但是，原子核里还存在一种核力，核力是一种相互吸引的短程力，只在很短的距离里起作用，当两个核充分接近时，它们相互吸引的核力就变得相当强了。当一个原子核具有很高的动能与另一个原子核发生碰撞时，在克服了电磁排斥力之后就进入核力范围，两者之间在核力作用下就要发生强烈的核反应。这种反应可能是聚合成一个新的原子核并释放出多余的能量，也可能是变成一个原子核并放出多余的核子和能量。

　　不同元素的原子量之间找不到整数倍的关系。例如一号元素氢，只有一个核子，原子量是1.00794；二号元素氦，有四个核子，原子量是4.002602，比氢原子量的4倍少0.0292；三号元素锂，有7个核子，原子量是6.941，比氢原子量的7倍少0.11458；四号、五号元素……，情况都与此相似。说明用同样多的氢核组成质量数相等的元素时，质量总是减少。所减少的质量转化为能量形式释放了出来。就像两颗星球碰撞结合成一个新星时，相互损失质量而放出巨大的能量一样。

　　科学家测出太阳气体的成份，氢71%，氦27%，其他元素2%。这些太阳气云是通过核聚变反应形成的。较轻的原子核聚变成较重的原子核（即生成大量气体）的过程中，包含着大量的质量亏损，从而释放出大量的能量。

　　科学家研究太阳中可能存在下列四个循环的核聚变反应：

　　①氘—氘（D-D）循环的能量平衡：

²D + ²D ® ³T+ P + 4.00兆电子伏

²D + ²D ® ³He + n + 3.25兆电子伏

²D + ³T ® ⁴He + n+ 17.6兆电子伏

²D + ³He ® ⁴He + p + 18.3兆电子伏

总和  6²D ® 2⁴He + 2p + 2n + 43.15兆电子伏

　　②质子—质子（P-P）循环的能量平衡：

¹H +¹H ® ²D + e + n + 0.164兆电子伏

²D +¹H ® ³He + g + 5.49兆电子伏

³He +³He ® ⁴He +2¹H + 12.85兆电子伏

总和  4¹H ® ⁴He + 2e⁺ + 2n + 2g + 24.158兆电子伏

　　③碳氮氧（CNO)循环的能量平衡：

¹²C + ¹H ® ¹³N+ g + 1.95兆电子伏

¹³N  ® ¹³C+ e⁺ + n + 1.50兆电子伏

¹³C + ¹H ® ¹⁴N + g + 7.54兆电子伏

¹⁴N + ¹H ® ¹⁵O + g + 7.35兆电子伏

¹⁵O ® ¹⁵N + e⁺ + n + 1.73兆电子伏

¹⁵N + ¹H ® ¹²C + ⁴He + 4.96兆电子伏

总和   4¹H ® ⁴He + 2e⁺ + 2n + 3g + 25.03兆电子伏

　　④氦原子核聚变反应。太阳气云中氢、氧、碳、氮都烧完了，最后最轻的元素就是氦。氦反应需要更高的温度，在不同条件下可能出现的反应道也很复杂，在此不拟一一列出。

　　在太阳环境中，4个氢核不断合成一个氦核，同时释放出大量能量。太阳的这些能量以光的形式不断地射向茫茫宇宙之中。据推算，太阳每秒钟要“烧掉”6.57亿吨氢，但同时产生6.53亿吨氦，两者相差的质量为0.04亿吨，即太阳每秒钟要损失约400万吨质量！那么，这些质量到那里去了呢？根据爱因斯坦的质能转换公式，这些质量都转换成能量，以光的形式释放了。

　　如此说来，太阳每秒钟损失400万吨质量，每昼夜就是3456亿吨，每年便损失126.144万亿吨质量！这样下去，太阳是不是很快会熄灭呢？其实不会。一是因为太阳的体积异常庞大、质量异常可观。太阳质量Ｍ＝1.989×1033克＝1.989×1015万亿吨，即令以现有的规模每年损失126.144万亿吨，计算150亿年可知：

　　（126.144×150×108／1.989×1015）≈1／1000

　　也就是说大约历经150亿年，损失的质量也仅占总质量的千分之一；二是热核反应虽然异常活跃，但完成一个完全反应的速度也异常缓慢，据估算约为500万年⑦。从氢的燃耗也可估算反应速度，太阳中每秒烧氢6.57亿吨，计算100亿年烧掉的氢的质量：

　　（6.57亿吨／秒）×1010×365×24×3600秒≈2×1014万亿吨

　　太阳中约有14×1014万亿吨氢，这就是说可以燃烧700亿年。因此，我们不必杞人忧天！诚然，太阳终究会熄灭的，但现在离它熄灭之日为时尚早。

　　(3) 实现聚变反应的条件

　　太阳上的核聚变是怎样产生和维持的呢？

　　要了解核聚变的条件，必须先了解太阳的温度和密度情况。太阳内部的温度和密度分布只能通过理论计算得到。理论模型很简单，假设太阳是一个分层的静止球，重力使物质互相吸引而聚向球心，造成中心的压力高，外边压力低；最后，太阳内部核聚变所产生的辐射能向外推的压力梯度和内聚的重力达到平衡。通过计算，理论建立的太阳结构模型要与观测太阳所得的数据，诸如质量、半径和亮度等相一致。太阳上有变化多端的活动过程，也有相对平静的现象。为了使问题处理起来比较简单，也为了抓住问题的主要特点，对太阳相对平静的现象，理论家们设计了一个宁静太阳模型如图1.4。

　　宁静太阳模型是由一些同心的球壳层所描述。设太阳半径为Ｒ，中心是太阳核（0.25R），由于重力的聚集作用，那里的气体密度、压力和温度都很高，热核反应就在这个区域进行。在0.25～0.86R这一层，气体温度从800万度降到50万度，密度从20克/厘米3降到10-2克/厘米3，太阳核产生的能量通过这个区域传递到外部，叫做辐射区。从0.86R到近太阳表面，温度降到6000度，密度降到4×10-7克/厘米3。这么大的温度差，很容易产生对流，把内部传出的热量继续传到太阳表面。就像烧开水时壶底部的水被加热，通过对流把热传到上边。所以这一层叫做对流区。在太阳表面紧里边500公里左右的一层叫做光球层，这里的温度继续下降到4000度，密度降到8×10-8克/厘米3。我们看到的太阳形象就是光球的象，太阳光主要由这一层发出。再向外约2500公里厚度的一层中，温度增加到几万度，但密度降低到10-14克/厘米3。在日蚀的时候，有时可以看到太阳边缘一薄圈红玫瑰色的辉光，就是这一层，叫做色球层。再往外延伸到几个太阳半径的广延太阳大气区域就是日冕。在日蚀观测时，可以清楚地看到日冕所对应的淡银色光辉。

　                                 　 图1.4 宁静太阳模型

　　太阳的密度和温度沿半径向外迅速减小（见图1.5）。3/4的太阳质量都集中在1/3个太阳半径的区域内，也就是不到4%的太阳体积中。更值得注意的是中心的密度（160克/厘米3）和温度值（1.5×107K），它决定了太阳所产生的能量。

　　图1.5 太阳的密度和温度分布图

　　核聚变反应是在一定的温度和密度条件下产生的。太阳的起源仍在研究之中，现有各种学说。我们先把它看成一团气体云，在气云自身的引力作用下，气体因互相吸引而收缩。根据我们的经验知道，要克服引力的作用把物体抛出去，就需要对物体做功；反过来，如果物体顺着引力场运动，就可以获得引力势能。所以，气云在收缩过程中，气体得到引力势能，通过气体粒子之间的碰撞转化为粒子的动能，使气体温度增加。气云这样收缩的结果，中心的温度要比周围的高。一旦中心区域的温度达到聚变反应的温度，中心区域聚变反应就开始了。一团点燃聚变反应的气体，一方面不断地释放核能来维持“燃烧”，另一方面，核聚变的高温气体又不断地向周围通过辐射或其他方式放出能量。就像点燃一堆柴火一样，只有当燃烧放出的能量比向周围损失的能量多时，燃烧才能继续下去。否则就会熄灭。太阳中的核聚变反应要不熄灭，就需要有足够的核聚变燃料，并且要有能维持核聚变的温度和密度。太阳中心区域通过核聚变释放能量，于是中心的气体压力和辐射压力比外边的高，有向外膨胀的趋势，它们可以和太阳气体本身向内收缩的惯性引力相平衡。从而维持一个相对稳定的发展阶段，满足聚变反应所需的温度和密度条件，使聚变反应持续进行。

　　如果太阳原始气云中有一定含量的氢同位素氘（2D），那么，氘-氘（D-D）聚变反应将首先开始，因为它需要的温度条件较低，大约80万度就可以使氘聚变点火。当氘燃料耗尽以后，其他核聚变还难于发生，聚变反应暂时熄灭，消失了向外膨胀的压力。这时，气云将进一步受自身惯性引力的作用而收缩，气云再度向内压紧，使中心温度再度升高。当中心温度达到700万度，中心密度为20克/厘米3时，气云中的氢原子核，即质子-质子（P-P）聚变反应就可以进行了，从而再次造成一个相对平衡的新阶段。当中心温度超过1200万度时，还有少量碳氮氧（CNO）循环反应发生。这时太阳到了相对稳定的主序星阶段，也就是它的中年时期。我们目前正处于这个时期。据测算，这个阶段还将继续50亿年。当核燃料氢烧完以后，太阳将再进一步收缩，使温度上升。而当中心温度达到一亿度左右时，太阳内部的氦聚变过程开始了。这时，太阳的一生到了老年阶段。最后，氦聚变过程终止了，太阳继续收缩变成一颗白矮星。然后，又经过大约10亿年，这颗白矮星内部的热量也逐渐地辐射掉了，太阳耗尽了能量，丢失了质量，变成了一颗冷的黑矮星，在茫茫的宇宙中遨游。

　　由上可见，不同的聚变反应需要不同的温度和密度为条件。太阳上创造这个条件的压力来自太阳本身的质量引力。使这个条件在一个时期内保持相对稳定，则是靠聚变反应释放的能量所产生的向外膨胀的推力，它与太阳气体向内的质量引力达到相对地平衡。太阳为什么有这样大的质量引力足以使太阳气云达到聚变反应所需的密度和温度呢？这是因为太阳的体积和质量都大得惊人，都是天文数字。太阳半径R0=6.96×105公里，大约是地球半径的110倍。太阳质量M=1.989×1033克，大约是地球质量的33万倍。从太阳的密度分布图可以看出，大约70%的质量被压缩在太阳半径1/4的体积内。这是太阳的核反应区，我们可以估算一下，在此反应区表面的引力f1比地球表面的引力f2大多少倍。在此处太阳半径比地球半径大110/4＝27.5倍，太阳质量比地球质量大0.7×3.3×105＝2.31×105倍。根据万有引力公式

f＝—GM₁ M₂ /r²

　　引力与半径的平方成反比，与质量成正比。可以算出

 

　　由上面简单的计算，可知太阳核反应区表面粒子的重力加速度，比地球表面粒子的重力加速度要大300多倍。前面已经讲过，太阳气云在收缩过程中得到引力势能，通过气云粒子之间的碰撞转化为粒子的动能，从而使气云温度增加，以致达到聚变所需的温度而点燃聚变。

　　(4) 地球上也能实现核聚变

　　地球上也有可以发生聚变反应的元素，如氢、氘等，为什么没有发现天然的聚变现象呢？这是因为它们在地球上存在的条件与太阳中的条件大不相同的缘故。第一是没有太阳中那么高的丰度，第二是没有太阳中那么密集，第三是没有太阳中那么高的温度和压力。由于本身不具备聚变反应的条件，所以地球上没有自发的聚变能释放。

　　可否在地球是人工实现聚变反应呢？可以的。比如用实验方法可以把少量粒子或原子核加速到很高的能量，然后射进靶物质的原子核，它的速度足以克服接近靶原子核时的电磁排斥力而进入核力起作用的范围，从而产生核反应。但是实验方法加速的粒子流有限，又由于原子内部非常空旷，加速的粒子碰到靶原子核的机会很少，碰到原子核发生核反应还有一定的几率；即便发生了核反应，释放的能量绝大部分都耗散了，周围的原子核得到的能量很少。也就是这种方法释放的能量，不能使聚变物质达到聚变反应点火的温度。在核反应处周围的原子核不能获得很高的动能而相互碰撞再产生核反应。

　　太阳靠惯性引力把整个聚变物质压缩到很高的密度和温度而实现聚变点火。点火之后释放的能量使聚变物质温度继续升高，同时向外膨胀进行反压缩。如果外面的压力抵抗不住，就要继续膨胀，从而降低温度以致聚变熄灭。由于太阳的质量很大，其惯性引力能够抗住核聚变引起的膨胀，所以太阳上的聚变反应长时间经久不衰。太阳中心温度约1500万度，中心密度约160克/厘米3，反应区的原子核本身的温度极高，称之为“热核反应”。可想而知，前面所说的实验室加速粒子打靶的核反应称不上“热核反应”。

　　我们能不能在地面上对聚变物质造成一种很高的压力和温度的条件，使它在达到聚变点火时还不消失而能维持一定的时间？科学家已经进行了卓有成效的研究，在地球上进行人工聚变反应，一般来说要几千万度以致亿度以上的温度条件才有意义。科学家们经过多年的努力，造成核聚变反应并维持很短时间已经实现了，那就是氢弹。要维持较长时间并能控制释放能量的功率，也就是做成聚变能源为人类造福，目前还没有作到。这项研究，世界上已经投入并正在投入巨额的资金和人力，进行不懈的努力，下个世纪有可能获得成功。

　　人工热核反应首先是在氢弹爆炸中实现的。反应所需要的高温开始时由一般普通原子弹爆炸产生（其作用相当于普通炸弹中的雷管），然后由热核反应所释放的能量自行维持。这里提出了一个问题，核聚变现象，人们早已发现，1933年在实验室里得到了证实；而核裂变是后来发现的，1939年才得到实验证实，那么为什么人们是先作出原子弹（裂变弹）而后作出氢弹（聚变弹）呢？这个问题只能留在以后的章节来叙述。简单地说，是因为聚变反应点火的温度要求太高，现有贮能密度最高的算是炸药了，用炸药驱动所能造成的温度最高也不过几千度，而氢弹点火温度要上千万度，这个差距太大了。就是作出了原子弹，原子弹爆炸的温度也只有几百万度，要点燃氢弹也不是一蹴而就。原子弹引爆氢弹这个原理已为世人所知，但究竟如何引爆的技术诀窍至今还没有公开。

　　原子核裂变反应是不是也要很高的温度呢？从原理上说，不需要。裂变反应只与裂变材料的“临界体积”有关，与温度没有关系。一大堆裂变材料，如果超过了它的临界体积，可以引起自发裂变。但是材料受热很快膨胀而熄灭。如果仿照太阳上维持聚变反应的方式，即采取一种向内驱动的力，把裂变材料压缩得很紧，可以使裂变反应维持较长的时间，从而产生巨大的威力。用什么能量压缩裂变材料？现在最方便的还是用炸药。用一种高能炸药，比普通炸药的爆速高得多，在极短的时间里把裂变材料压得很紧，使之超过临界状态。当点火中子引燃裂变反应，裂变放出的能量使裂变物质升温膨胀，由于压得很紧，膨胀至裂变熄灭的时间就会增长，裂变放能就会增加很多，这样就可以作成武器了。

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   本文摘自《揭开核武器神秘面纱》

   经福谦 陈俊祥 华欣生著

   清华大学出版社 暨南大学出版社

   出版时间：2002年7月