让奥本海默焦头烂额的曼哈顿计划到底有多难？

让奥本海默焦头烂额的曼哈顿计划，到底有多困难？
原创 读书的 未读


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《奥本海默》上映一周多，（玩梗）热度依然不减。观众在欣赏基里安·墨菲等帅哥靓女美貌的同时，也对曼哈顿计划的前前后后有了更多了解。
面对全世界最高智商的一批物理学家和研究预算高达10亿美元的保密项目，奥本海默除了发挥专业所长之外，还做尽了组织协调、项目推进的方方面面，被网友称为“一流项目经理”。
那么，整个原子弹的研究过程为何如此困难，核武器又为何让奥本海默乃至战后的世界陷入焦虑呢？
欧洲核子中心一线专家、希格斯玻色子研究团队成员伊福·范瓦尔彭在《小，更小，最小》中为我们讲述了原子弹研发的背景知识，引领我们踏上这块未知版图。


[荷] 伊福·范瓦尔彭｜著
余宁｜译
未读·探索家｜出品


01
和切奶酪截然不同的工作原理
1938年，奥托·哈恩、丽丝·迈特纳和他们的同事在德国首次成功对原子进行了分裂，他们向地球上最重的自然元素铀的原子核发射中子。
哈恩和他的同事原本期望用一个额外的中子创造出一个更大的原子核，但令他们惊讶的是，这个过程反而产生了更轻的元素。
他们似乎成功地创造了一个新的、更大的原子核，但它极其不稳定，因此，从能量学角度，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铀核加上向其发射的中子的重量。

但这怎么可能呢？毕竟，如果你把一块奶酪切成两半，两半的总重量还是等于原来那块的重量，不是吗？
当物体是一块奶酪时，确实如此，但原子核的工作原理却不同：如果原子核的排列变得更有效率，那么将它们结合在一起所需的能量就会减少，因此新粒子的总重量可能会比原来的粒子轻。
根据众所周知的公式E=mc2，这种损失的质量被转换成能量。虽然每个原子核的质量差只是质子质量的一小部分，但质量和能量之间的转换系数却非常大，能产生非常大的能量。
所以，如果你用一个中子来推动铀核，它会分裂，能量会有一个净增加，因为一些储存在原子核中的能量被释放了。

还有一个重要且有趣的现象，铀原子核衰变为两个较小的原子核，留下了一些自由中子。这些“自由中子”并没有成为原子核的一部分，而是“自谋出路”。
这个看似不重要的细节，尽管是一个基本的科学事实，却对世界政治产生了难以置信的影响。这是因为这些自由中子会使另一个铀原子核不稳定，从而使它分裂：这就产生了链式反应，这一发现是大规模核军备竞赛的开始。
三年后，第一座核反应堆建成，又过了两年，第一颗核弹在日本广岛市上空爆炸。从商业角度来说，这项基础物理研究的上市时间可谓非常短，但结果却相当可怕。


02
倒下的多米诺骨牌
当铀原子核分裂时，反应产生的自由中子比射向原子核的多。如果这些中子的能级正好，那么它们也会撞到其他铀原子核，并导致它们分裂，释放出更多的中子，继而撞向更多的原子核，依此类推。这个过程一直持续到铀用完为止。
这听起来很无害，而且乍一看，它真的很理想化。如果每次衰变只产生一个中子，那么它就像一系列的多米诺骨牌，在第一块骨牌被推后都会跟着倒下。
所以你只需要发射一个中子，把第一个原子核分开，就能“燃烧”一整块铀金属，剩下的过程是自动的，随着铀核一个接一个地衰变，产生了“自由”能。你可以用这些能量来蒸发水，然后用产生的蒸汽，像普通的燃煤或燃气发电厂那样发电。
美国著名科学家恩里科·费米发明了第一座核反应堆。这是在他因利用慢中子研究放射性物质获得1938年诺贝尔奖后不久完成的。

电影《奥本海默》剧照。胸前号牌24号为恩里科·费米（丹尼·德费拉里饰）。
为了制造第一座核反应堆，他要做的就是把大量的铀聚集在一个地方。这虽然很困难，但并非不可能。
有一个问题，铀衰变产生的中子逃逸速度太快了，并不足以引起其他铀核的衰变，但是，通过减慢这些中子的速度，他可以更有效地利用它们。就像人们在游泳池里走得更慢一样，水和石墨（碳的一种形式）等物质能减慢中子的速度。
费米的结论是，用石墨块交替堆砌大量的铀片应该可以达到目的。铀被秘密地收集并堆放起来，1942年12月2日，实验成功了。费米和他的团队建造了世界上第一座核反应堆：芝加哥一号堆。

80年后的今天，世界各地有了许多核反应堆，虽然种类不同，但原理是一样的。他们燃烧放射性燃料（铀235、钚或钍），加热水，并使用蒸汽发电。
从表面上看，核能似乎很理想：它不排放任何二氧化碳；只要少量的燃料，就可以在很长一段时间内产生大量的能量。后一个优势就是它被用于核潜艇的原因，但众所周知，核能也有缺点。
你不能接触放射性物质，因为辐射对人体有害。一旦燃料用完，剩下的废料就是较小的原子核，它们具有很强的放射性，必须被安全地储存数千年。
近年来，钍反应堆受到广泛关注。因为我们地球上的钍比铀多得多，毕竟铀十分稀缺，且钍产生的放射性废料也要少几百倍，最重要的是人类不能用它来制造原子弹。切尔诺贝利和福岛的灾难严峻地提醒人们，如果没有正确的安全措施，核电站可能会带来严重的影响。
想到这一点，世界上第一座核反应堆的选址就相当令人惊讶了：在芝加哥废弃的斯塔格足球场的观景台下。一旦实验出了问题，灾难的影响会超出想象，而结果很可能就是这样。


03
制作原子弹
将核反应堆比作倒下的多米诺骨牌听起来似乎很天真，但如果原子每次分裂释放出的中子不止一个，那么链式反应很快就会失控。每进行一步，分裂铀核的数量就会增加。
例如，如果释放出两个中子，那么在前五个步骤中衰变的铀核数量依次是1、2、4、8和16，到第50步，数量就是1125899906842624。如果每个步骤发生得非常快，比如说几秒钟，那么核裂变就可以用于制造核弹。
当巴黎的科学家研究表明，每个铀-235原子核在每一步产生的中子不是一个而是三个，并且链式反应可能进行得非常快时，居住在美国的匈牙利科学家利奥·西拉德开始感到恐慌，他要求科学家不要发表他们的研究结果，因为他担心这会让德国人产生和他一样的想法：原子弹。

科学家最终还是发表了，就在“二战”前不久。西拉德与其他一些科学家合作，说服阿尔伯特·爱因斯坦给罗斯福总统写了一封信，指出了潜在的新炸弹的危险。
美国政府看到问题的紧迫性，最终向费米提供了他第一座核反应堆所需的铀，并启动了铀浓缩计划。自然界中有一定量的铀，但大部分都是铀-238（含有92个质子和146个中子）。
对于需要额外中子的核裂变，你需要使用铀-235，一种原子核中少3个中子的同位素。这在自然界中也能找到，但不幸的是，它只是隐藏在“普通”铀中的一小部分（0.7%）。为了建造一个核反应堆，你可以让铀-235与普通铀混合。
但要制造原子弹，科学家需要一大块相当纯的铀-235，这样（原则上）每个中子都会分裂另一个原子核。一小块也不管用，因为表面的原子核会把多余的中子发散到空气中，无法产生更多原子核的衰变。铀-235 越大块，逃逸的中子越少。在一定的重量，即所谓的临界质量下，铀块会自发爆炸。

需要补充说明的是，这不是一个多么巨大的重量：大约50千克的铀-235（一个半径为10厘米的球），或者仅仅10千克的钚-239，约一个橙子的大小。
所以，原子弹的原理大致就是：你把一大块达到临界质量的铀-235或钚放在一起。通常的方法是将两个块体（每一个都在临界质量下）以高速相互撞击，形成一个大到足以自发爆炸的块体。如果这个过程太慢，两个较小的块体会燃烧，然后融化，什么也不会发生。
因此，炸弹制造者需要做的就是获得50千克的纯铀-235 或10千克的钚，然后瞄准，发射。分离铀的两种同位素，或做出一大块铀-235比例足够大的铀块，这一过程被称为叫铀浓缩，这是非常困难的，因为这两种同位素在化学性质上几乎是相同的。
科学家通常用大型离心机分离同位素，原理和洗衣机很像。通过围绕铀气体高速旋转，它们将更多的质量较重的铀-238“甩”到外壁，而较纯的铀-235则留在中心。
你还可以用钚制造原子弹，在没有铀的情况下。原则上，你需要的钚要少得多。但问题是钚在自然界并不存在，而是必须在核反应堆中制造，所以它很难获得。

然而，在第二次世界大战期间，巨大的战争压力让钚的使用成为可能。首先制造出核弹的一方会赢得战争，在那场要么大获全胜要么满盘皆输的竞赛中，一笔令人难以置信的资金被投入到这项工程。
迫于战争的紧迫，一群顶尖科学家花了几年时间致力于曼哈顿计划，开发这种新武器。1945年7月16日，第一颗原子弹在新墨西哥州的沙漠中成功引爆，这一事件被称为“三位一体核试验”。美国是第一个成功制造出两种核弹（铀-235和钚）的国家，这两种核弹分别于1945年8月6日和9日在广岛和长崎爆炸。




原子弹研发，只是《奥本海默》的一部分剧情，更多的，是对那个时代的科学家们的致敬，如果你对量子物理发展路上的他们有更多兴趣，不妨用下面几本书，打开新的世界！




-本期话题-
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编辑｜泰若克塔
图片｜网络


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