原子彈研發的始末

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原子彈研發的始末

95/08/07 48247

陳忠志｜輔英科技大學科學教育中心

二次世界大戰期間，科學界全力配合戰局的發展投入核武器的研發，揭開核武競賽的序幕。1945年原子彈在廣島、長崎上空爆炸，終結了數十萬人命，堪稱歷史上最大的一次人為浩劫。距大戰結束已屆61年的今日，回顧這場核武發展的歷史過程，帶給人類無限的省思與啟示，也留下無盡的爭議。本文依原子核的基本認識、原子彈的原理及研發經過等3方面，介紹原子彈發展的始末。

原子核的基本認識

原子是由原子核及核外電子所組成，而原子核又由質子與中子所組成。質子與中子統稱核子，質子帶正電，中子則不帶電，一個原子的原子核內質子的數目和核外電子的數目相等，這數目稱為這原子的原子序。因為核外電子的結構決定元素的化學性質，所以原子序決定它是哪一種元素，以及在化學周期表上的位置。

原子核中質子與中子的總數稱為質量數。原子核的符號是在元素符號的左下角註明原子序，在右上角註明質量數，如₉₂U²³⁵代表質量數是235的鈾原子核。若兩原子的原子序相同，但質量數不同（原子核內所含的中子數目不等）時，我們稱這兩種原子為同位素。同位素的化學性質相同，位於周期表上的同一位置，若僅用化學方法是難以把同位素分離開的。

原子核內的質子都帶正電，為什麼這些質子集中在非常小的空間內，卻不會因電的排斥力而分散？其原因是，原子核內任何兩個核子之間，當距離小於原子核的半徑（約10^－15公尺）時，尚有另一種稱為核力的相互吸引力。核力是一種非常強大的短程作用力，相吸的核力遠較相斥的電力為強，使質子和中子能聚集成穩定的原子核。由於核子間的核力遠大於核外電子之間的電磁力，因此核反應所釋放的核能，就比一般化學反應所釋出的化學能大上數百萬倍，核能的威力實在大得驚人。

自然界有些元素的原子核結構天生就不穩定，會自發性地放射出微小的α或β質點，而蛻變成另一種元素，或者放射出γ輻射線。α、β或γ射線對生物都具殺傷力。

我們也可用人工方法，以微小而快速的粒子為射彈，去撞擊原子核，使它因為受到刺激而轉變成另一種原子核，這種方法稱為人工蛻變。例如西元1919年拉塞福首次以α粒子撞擊氮原子，而產生質子及氧原子核。所有自然蛻變與人工蛻變統稱為原子核反應，任何一種核反應前後，原子序總合不變，質量數的總合也不變。利用核反應可把某一元素轉變為另一元素，雖然人類「點石成金」的夢想還未能實現，但在努力的方向上已露出曙光。

核分裂與連鎖反應

在核反應中有一類反應受到科學家極大的重視，稱為核分裂。1930年代初期，義大利物理學家費米首次發現一個鈾原子核受中子撞擊後，會分裂成兩個大小相差不多的原子核，他也因為這項發現而於1938年獲頒諾貝爾獎。西元1939年，德國科學家哈恩以中子撞擊鈾235原子核，發現不僅會它分裂，同時還會產生2～3個中子。

關於U235的核分裂反應有兩項重要發現，其中之一是原子核分裂時，會放出巨大的能量，這能量源自核分裂後的總質量小於分裂前的總質量，這些減少的質量便轉化為能量釋放出來。這一事實與愛因斯坦所提出的相對論中，質量與能量是可相互轉換的道理相呼應。質能互換的公式是：

E = mc²

式中E是能量，m是質量，c是光的速度。按這公式計算，1公克質量的減少可產生的能量是9 × 10¹³焦耳，相當於燃燒300萬公斤煤所放出來的熱，也相當於2千5百萬度的電能，這電能足以供給3千5百用戶一年內的電力需求。經測量，一個鈾235原子的核分裂反應所放出的能量是3.2 × 10^－11焦耳，依此估算，若1莫耳的鈾原子（6 × 10²³個鈾原子共235公克）都分裂時，可得到1.93 × 10¹³焦耳能量，這能量相當於四、五千噸黃色炸藥爆炸的威力。

若比較核分裂與燃燒反應，更能體會核分裂所產生的驚人威力。以甲烷為主要成分的天然氣燃燒為例，燃燒1莫耳的甲烷僅可產生213千卡的熱能，約9 × 10⁵焦耳，而1莫耳的鈾原子分裂所產生的能量是它的千萬倍。

另一重要發現是一個鈾235的原子核受中子撞擊而分裂後，會產生2至3個中子。在一塊鈾材料中，如果能使第一梯次分裂出來的中子再撞擊其他鈾原子核，引發第二梯次核分裂，便可產生更多的中子，又可利用這些中子再引發另一梯次更多的核分裂。如此下去，則每梯次核分裂的規模就呈指數函數增加，可持續到所有鈾235耗盡為止，我們稱這一系列連續性的反應為連鎖反應。

連鎖反應蔓延的速度非常快，一塊幾公斤的鈾原料在百萬分之一秒內便可反應殆盡，瞬間產生數百萬度的高溫與高達數十萬個大氣壓的壓力，其威力形同一場毀滅性的爆炸。

核料製造武器的條件

要把鈾235的核分裂連鎖反應應用到武器的製造上，有兩項基本的條件必須滿足。第一個條件是須採用高純度鈾235為核燃料，純度越高，則每梯次核分裂所產生的中子越不會被雜質吸收，中子撞擊到鈾235的機會便越大，就可產生蔓延較快的連鎖反應。

另一個重要的條件是所用鈾料的量必須大於臨界質量，如果小於臨界質量，鈾料的體積不夠大，則中子在其行進路徑上，尚未撞到任何鈾235原子核之前就已逸出鈾料的邊界之外，而沒有足夠數量的中子可引發連鎖反應，每梯次核分裂所產生的中子數會逐漸減少，分裂反應的次數也跟著逐漸降低，終至「熄火」。若鈾料大於臨界質量，則每梯次核反應的次數會逐次增加，連鎖反應便可發生。

1942年安瑞可．費米（Enrico Fermi, 1901-1954）在芝加哥大學組成一研究團隊，這個團隊深信把足夠的鈾放在一起，並控制在適當的條件下，應該可以產生持續不斷的核分裂反應。於是他們利用芝加哥大學斯特格體育場西側看台下的手球場，設計與安裝了一座核反應爐，經過無數次的實驗，在1942年12月2日，核反應爐終於持續了28分鐘的連鎖核反應。這是一項劃時代的實驗，它的成功象徵核能時代的來臨。

原子彈核料的提煉

製造原子彈的最大難題在於核料的取得，已知可以產生連鎖核分裂反應的核料有鈾235與鈽239等元素。就鈾235的取得而言，令人洩氣的是，在自然界的鈾礦中，只有0.7％是鈾235，其餘是鈾238。由於鈾238只會吸收中子而不會造成核分裂，因此鈾238的存在有礙鈾235連鎖反應的進行。若要使大規模核分裂發生，必須自鈾礦提煉出高純度的鈾235。

以核能發電廠所需的鈾燃料為例，鈾235的濃度須提高到3～5％，至於原子彈所需的核料，鈾235的濃度更須提高到90％以上。兩者對濃度的要求之所以有如此大的差距，是因為原子彈是要把能量瞬間釋放出來，以造成巨大的破壞力。而核能發電廠的要求是讓能量在掌握下，以穩定的速率緩慢釋放，才能配合用戶的需求。因為兩者的要求不同，所需的純度也就不同。

要從天然的鈾礦把鈾235的純度提高到90％以上，可是個極為困難的挑戰。因為鈾235與鈾238都屬同一種元素，兩者化學性質完全相同，因此無法以化學方法加以分開。欲大量提煉只得靠兩同位素在質量上的差異，利用物理的方法來分開鈾235與238。

常用的分離過程是先使鈾礦與氟反應，生成氣態的六氟化鈾（UF₆），再利用這兩種同位素的UF₆氣體因質量不同所導致的擴散速率差異，把氣態六氟化鈾區隔成鈾235含量較多與較少的兩部分。分別取出純度不同的這兩部分後，再就每一部分進行另一回合的擴散區隔，如此經歷非常多次的擴散步驟，才能提煉出90％以上高純度的鈾235。

利用氣體擴散以區隔同位素的方法，使提煉鈾235的進度極緩慢且價格昂貴。曼哈頓計畫曾在田納西州橡樹嶺設立了分離U235的氣體擴散工廠，這工廠在二次大戰期間僅生產了約50公斤的U235，只夠一枚原子彈所需。後來這顆原子彈就直接投入戰場，連事先應該做的核子試爆都因苦無核料而作罷。

就鈽239的取得而言，雖然鈽239不存在於自然界，卻可在核反應器中利用鈾238為原料，經過一系列核反應後生產出來。因此鈽239是一種人造的元素，它的半衰期是2萬4千年，非常穩定，但當鈽吸收一中子後，就會發生核分裂並釋出中子，與鈾235的核分裂反應非常類似。

核反應爐所用的原料中含有大量的鈾238，因此核能電廠的反應爐是製造鈽239的最佳場所。又由於鈽與鈾是完全不同的兩種元素，化學性質迥然不同，因此從核反應爐的燃料中取得鈽就比較簡單，只要利用化學方法便可把鈽從鈾中分離出來，其困難度遠低於自鈾238中分離出鈾235。二次大戰末期在華盛頓州亨佛所興建的核反應爐，就是專為生產鈽239而建造的。曼哈頓計畫所製造的3顆原子彈中，兩顆以鈽239為核料，另一顆以鈾235為核料。

原子彈的構造

原子彈含核料、中子源、炸藥、起炸裝置和彈殼等5部分。原子彈設計的最大關鍵是，在備用狀態時炸彈內的核料不能比臨界質量大，必須化整為零，分散成數塊安置在彈殼中。當要它爆炸時，再化零為整把這些分散的數塊合併成一塊大於臨界質量的整體。

鈾原子彈內有大、小各一塊的鈾核料，其中任何一塊都小於臨界質量。較小的一塊鈾做成圓柱體，內部裝有中子源，較大的一塊做成圓球體，但沿其中心線挖空一圓柱，這個空缺的尺寸剛剛好可讓較小的一塊鈾塞入以構成一實心圓球，若兩者合成一圓球，核料的質量就會大於臨界質量。欲引爆原子彈時，以化學炸藥的爆炸力把鈾圓柱射入鈾球，二者瞬間結合成實心球體，其質量達到臨界質量，在中子的澆淋下，便引發連鎖核分裂反應。反應可在不到幾分之一秒的瞬間內完成，產生巨大的爆炸，同時釋放出大量的光、熱與輻射。

鈽原子彈的中央有一球狀的鈽核料，內部含中子源，鈽的四周裝置化學炸藥。引爆時，化學炸藥爆炸所產生的巨大內向壓力，可向內壓擠鈽，使鈽達到臨界質量以上，連鎖核分裂反應於是產生，瞬間產生威力極為猛烈的爆炸。

原子彈問世的經過

原子彈研發時正逢第二次世界大戰，戰爭萌生了製造原子彈的念頭，原子彈的問世左右了戰局，兩者交互影響，交織在同一套歷史脈絡中。在這一歷史的足跡中，我們可以看到核能與核武研究快速成長的來龍去脈。原子彈問世經過的大事年表如下。

1932年英國物理學家查兌克發現中子。由於中子不帶電，不受原子核所帶正電的排斥，可輕易擊破原子核。中子被發現後，立刻成為原子核研究的最佳利器。

1934年費米以中子為射彈，撞擊許多元素，當他以中子撞擊鈾時，赫然發現其反應方式與當時熟知的核蛻變迥然不同。

1938年居禮夫人重複中子撞擊鈾的實驗，她認為得到的裂片可能是原子序57的元素，提出鈾235所進行的反應是分裂式的看法。

1939年德國政府下令禁止捷克斯拉夫出售鈾原料，並暗中開始進行核武器的研發，這一舉動引發居留美國的科學家對德軍的戒心。

1939年10月，愛因斯坦上書羅斯福總統，提出納粹德國企圖研發原子彈的警告，呼籲政府應密切重視當時科學界核分裂研究的進展，並應編列經費支援核分裂的研究，勿讓德國搶先。但並未立刻獲得政府的重視，官方的回應只是開了一次會並提交一份委員會報告，便告結案。

1940年科學家發現以中子撞擊鈾238，鈾238獲得一中子後會再經歷一系列的核反應，產生人造元素鈽。

1941年科學家實驗發現鈽原子受中子撞擊後會分裂並再釋出中子，其行為類似鈾235的核分裂反應。

1941年10月，科學界終於說服羅斯福總統採信以核分裂製造武器的可行性，撥發巨款投入製造原子彈的研究工作。

1941～1943年，哥倫比亞大學一批物理學家從事鈾的氣體擴散實驗研究。

1942年10月，美國官方正式啟動核武發展計畫，投入50億美金的經費，成立曼哈頓計畫，由格洛夫斯將軍領軍，並挑選具領導長才的理論物理學家歐本海默擔任科學部門的主任，負責設計與建造核子武器。計畫團隊網羅了許多頂尖的科學家，諸如波爾、查兌克、傅瑞許、費米及費曼等一時之選。實驗室場址選在新墨西哥州沙漠裡的一處偏僻高地上，稱為洛薩拉摩斯實驗室，實驗室規模非常大，工作人員達數千人，計畫的分工很細，當時工作人員能知道計畫全貌的人寥寥無幾。

1942年12月，芝加哥大學費米領導的研究團隊建造全球第一座核反應器，首次做出可自行持續的連鎖反應，這實驗的成功對美國研發原子彈注入一劑強心劑。

1943年美國陸軍於田納西州橡樹嶺建造分離鈾235與鈾238的氣體擴散工廠，工廠規模宏大，單為了容納成千上萬個擴散器，建築物本身就長達800公尺、寬200多公尺。二戰期間，這工廠總共提煉了50公斤高濃度的鈾235。

1945年夏天，提煉出來的鈾235數量已達製造一顆鈾原子彈的需求量。

1945年5月，提煉的鈽核料已夠製造一顆鈽核彈來進行臨界質量的核爆試驗。

1945年5月8日，德軍投降。雖然德國的核武威脅宣告解除，但美國卻沒有因此而中止原子彈的研發。由於仍處於與日本的激烈作戰中，原子彈計畫照常進行。

1945年7月16日，史上首次核彈試爆在美國新墨西哥州的沙漠試驗成功。這顆綽號「瘦子」的原子彈以鈽為核料，引爆後發出一道眩目閃光與一陣駭人的10億度高溫，一團巨大火球升上8千公尺高空，把沙漠燒成焦土，甚至連美國西部幾州都聽到巨大的爆炸聲響，其驚人的威力遠超出人們的想像，與2萬噸黃色炸藥相當。

1945年7月26日，美、英、中三國聯合發表「波茨坦宣言」，勸日軍投降，日軍卻置之不理，杜魯門便下令對日本使用原子彈。

1945年8月2日，廣島被美軍選定為原子彈襲擊的目標，這項決定是基於兩項考量。第一、美軍想了解原子彈爆炸所造成的殺傷力，當時廣島是未曾受到美軍傳統炸彈轟炸的少數城市之一，因此若以原子彈襲擊廣島，原子彈的威力能明確地測量出來。第二、廣島是日本的重要港口與軍事司令部，是戰略目標。

1945年8月5日，美軍伊諾拉‧蓋B29重型轟炸機完成原子彈的裝載作業。這顆原子彈綽號叫「小男孩」，由鈾235做成，整顆炸彈總重4萬4千公斤。這顆鈾彈威力與1萬2千噸的黃色炸藥相當，或相當於4萬8千顆傳統炸彈同時爆炸的威力。

1945年8月6日上午9點，伊諾拉‧蓋轟炸機飛抵日本廣島，在上空6英里處投下「小男孩」原子彈，43秒後原子彈在450公尺高度的上空爆炸，立刻造成一團巨大高溫火球與滾滾蕈狀塵霧。火球亮度比太陽高10倍以上，蕈狀雲向空中捲起約1萬3千公尺，位於火球正下方戶外的民眾瞬間被蒸發，連遺骸都看不見，方圓1公里內的居民完全被燒死。

爆炸同時引發衝擊波向四面八方傳開，衝擊波所經過的地方，建築物全被震毀，方圓5公里的範圍內幾被夷為廢墟，又一次造成人員更大的傷亡。接著爆炸所產生含高輻射的蕈狀雲，擴散開來形成黑雨，輻射塵隨雨降下污染人體，又使倖存者後遺症不斷，受害者層面更加擴大。原來人口有40萬的廣島，爆炸立即造成14萬人死亡，並有14萬人受傷，其後5年內死亡人數持續增加到20萬，占原有人口總數的一半。原子彈襲擊後的廣島，淪為人間煉獄。

1945年8月7日，日本高層全面封鎖廣島遭原子彈襲擊的消息，以避免動搖人心。

1945年8月9日，鈽原子彈綽號「胖子」襲擊日本長崎，炸彈威力相當於2萬2千噸黃色炸藥。當時長崎居民有28萬人，當場死亡居民達7萬人，另有7萬人在5年內相繼身亡。這次爆炸毀了長崎一半的人口，至此日本已無力再戰。

1945年8月14日，日皇宣告無條件投降，2顆炸彈終於結束了第二次世界大戰。

核武時代的降臨

原子彈可瞬間摧毀整座城市並結束數十萬條人命，其存在對全體人類構成巨大的威脅。二次大戰結束後，原子彈所引發的悲情，理應喚醒全人類不要再擴充自我毀滅性的軍備，但沒想到戰後以美國與蘇聯為首的兩大勢力，彼此叫陣與對抗的局勢節節升高，使全球又陷入冷戰。非戰非和亦戰亦和的詭譎局勢，使各國爭先恐後發展核武並擁核自重，全球便如火如荼再度上演一場核武競賽秀。

首先蘇俄步美國後塵，在原子彈的製造研究上急起直追，1949年成功造出原子彈。美國為了保有核武的領先優勢，更進一步研發核融合技術以製造威力更大的氫彈，1952年美國第一顆氫彈試爆成功。1953年英國傳出製造出原子彈的消息。這期間蘇聯在軍備的競賽上也不遺餘力，1953年隨即製造出氫彈。法國在1960年自製原子彈成功，奪得擁有核武國家的第4名。到了1964年，中國試爆第一顆原子彈成功，搶得核武競賽的第5名，之後又有幾個國家陸續加入擁有核武器的俱樂部。

在冷戰期間，敵對的兩大陣營所擁有的核武器數量，已足夠摧毀整個地球，核武擴散的嚴重性已對全人類構成莫大的威脅，使全球籠罩在可怕的核戰陰影中。根據70年代可靠資料，美、蘇等國核武器庫存量的1／80，就足以毀滅全體人類。

另一方面在發電等和平用途上，核能是極具潛力的能源。戰後各國紛紛設立核能電廠，在原油日益枯竭但需求量日漸增加的今天，核能似乎已是人們無法拒絕的能源。

科技的發展應為人類帶來福祉與進步，但若誤入歧途做不當的使用，卻可帶向毀滅，人類應拿出智慧與理性做有利的抉擇。距二次大戰結束已達61年的今天，人類應牢記戰禍的教訓，認清互助和平共存才是永續生存之道。

資料來源

《科學發展》2006年8月，404期，62 ~ 69頁

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