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PAGE23核裂變相關(guān)素材1、跨出了劃時代的一步

十九世紀(jì)三十年代末，正當(dāng)科學(xué)家們利用鈾核俘獲中子產(chǎn)生裂變并釋放出巨大能量的科研成果，以早日實現(xiàn)第一個自持裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實驗的時候，第二次世界大戰(zhàn)卻正在不斷擴(kuò)大并空前殘酷地進(jìn)行著。

希特勒為了實現(xiàn)其稱霸世界的迷夢，把賭注押在生產(chǎn)威力巨大的核武器上。這就不得不引起全世界愛好和平的人們，特別是那些主持正義、從事核科學(xué)研究的科學(xué)家們的關(guān)注和擔(dān)心。他們在愛因斯坦的帶頭下，聯(lián)名寫信給美國的羅斯?？偨y(tǒng)，提請他密切注意這一重要事態(tài)的發(fā)展。美國政府被迫制定了從事研制原子彈的“曼哈頓工程”計劃，使得核能的利用一開始就和戰(zhàn)爭結(jié)下了“良緣”。

當(dāng)時美國政府為了贏得時間，集中了它所能調(diào)動的大量人力和物力。一大批有才能的科學(xué)家和工程技術(shù)人員都被凋集到芝加哥，參加核武器的研制工作。其中負(fù)責(zé)制備裂變?nèi)剂系氖敲绹锢韺W(xué)家康普頓教授，他在研究射線散射方面很有研究，并發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)即康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)。另外，他對光子、γ射線和宇宙射線的研究也有過重大貢獻(xiàn)。

在執(zhí)行曼哈頓工程計劃中，康普頓極力推薦費米參與這方面的工作。為此他曾說過這樣一段話：“事實已經(jīng)很明顯，如要進(jìn)行核反應(yīng)堆的研究工作，則其中心人物非費米不可。他不但知道甚么事要做，而且在用鈾和石墨結(jié)合起來試驗鏈?zhǔn)椒磻?yīng)成功的可能性方面，他也具備了一整套很重要的經(jīng)驗。在各項計劃進(jìn)行期間，我很需要跟他共同商討”。

當(dāng)然，費米的才干確也能勝任這方面的工作，他不但具有豐富的鈾核裂變實驗的實際經(jīng)驗，而且對中子慢化也很有研究。所有這一切，都為他能在哥倫比亞大學(xué)實驗室，對裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置進(jìn)行深入研究提供了十分有利的條件。

費米的實驗裝置是一種類似于石墨棱柱的指數(shù)實驗裝置。所不同的是除了石墨作為中子慢化劑外，并由天然氧化鈾塊一起相間堆砌而成。費米他們經(jīng)過分析比較，預(yù)計只要把石墨慢化劑的密度提高到～1.9克／厘米3

費米的這一工作成果和大膽設(shè)想，立即得到康普頓教授的支持和重視。雖然在1941年12月7

這樣費米就被康普頓邀請到芝加哥，并和普林斯頓研究小組一起，在代號為“冶金實驗室”的機(jī)構(gòu)中進(jìn)行研究工作。費米夫人后來在回憶中曾對此作了極其生動的描述。她說：“在那里每件事情都是高度機(jī)密的，人家只告訴我一件秘密，冶金實驗寶里沒有冶金學(xué)家。甚至連這么一個小消息都不能泄露”，“那年秋天，康普頓和他的夫人所舉行的一連串宴會，宴請來冶金實驗室的工作人員。那時新來的人實在太多了，連學(xué)生娛樂大廳也無法一次容納，因此只好分批宴請。每次宴會時，都放映英國影片《最近的親屬》。該片以沉痛的語調(diào)敘述了粗心和疏忽所造成的悲劇。一個放在公共場所的公文包被間諜偷走了，結(jié)果軍事計劃泄露，英國受到轟炸，無數(shù)房屋被毀，無數(shù)生命在前線作了不必要的犧牲。電影放無后，毋需再加什么說明就一切都明白了。我們每個人都欣然接受影片的暗示?！?/p>

費米他們?nèi)找岳^夜地在鈾—石墨柵裝置上進(jìn)行各種研究工作，共作了29次指數(shù)實驗，并測定了不同尺寸的鈾—石墨棚格的增殖系數(shù)。至此他們已為建造一座能產(chǎn)生自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置積累了許多有用的寶貴經(jīng)驗。

到了1942年，美國的“曼哈頓工程”計劃已進(jìn)入到一個新階段。美英兩國領(lǐng)導(dǎo)人，羅斯福和邱吉爾達(dá)成了一項秘密協(xié)議，把和核武器研究有關(guān)的科學(xué)工作全部集中在加拿大和美國進(jìn)行。同年夏季成立了曼哈頓工程區(qū)，從而加速了第一個自持裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆的研制工作。

同年1月，這時美國政府已制備了足夠數(shù)量的金屬鈾和氧化鈾，以及純度和密度都極高的石墨。其中6噸金屬鈾被加工澆鑄成許多圓柱體直徑為厘米，重為公斤，并把它們堆砌在中心部分。而外圍由于金屬鈾不夠，就用二氧化鈾粉末壓制成準(zhǔn)球形體，其直徑為厘米。所組成的鈾—石墨立方柵格的邊長為21厘米。高純度石墨用于中心部分，外層則用次純的石墨，最外層厚為30厘米的石墨層作為反射層，以防止中子泄漏。這就是由費米設(shè)計建造的，世界上第一座鈾裂變反應(yīng)堆CP-1芝加哥1號堆。其所以用“堆”一詞，是因為該裝置是用多層金屬鈾塊和石墨塊彼此交替堆砌而成的。

CP-1堆被建造在芝加哥大學(xué)早已廢棄的足球場西看臺下的一個小院落內(nèi)。他們先在地板中央設(shè)置了一個木架，然后在其上面放置一層石墨塊，再把鈾和石墨塊從中心往外，由下到上分層交疊堆砌而成。這樣鈾塊排列在慢化劑石墨中，形成一種有規(guī)則的立方柵格。原計劃準(zhǔn)備建選一個直徑為7.93米的球形裝置,

另外，在堆砌石墨層時，按照預(yù)定的高度，留有一些貫穿各層間的孔道。其中插入包有鎘皮的木棒即控制棒。這是因為鎘本身是一種能強(qiáng)烈吸收熱中子的材料，它對熱中子的吸收截面高達(dá)2537靶，所以它能像海綿吸水一樣大量吸收熱中子。當(dāng)它插入堆中時，中子被吸收減少；反之抽出時中子數(shù)就增加。這樣就能利用鎘棒方便地直接控制堆中的中子數(shù)目，即控制中子增殖系數(shù)值的變化，以達(dá)到控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的目的。

隨著鈾層和石墨層的增加，中子增殖系數(shù)也慢慢變大。而費米他們的心情也隨著測量結(jié)果逐漸緊張起來，他們渴望著自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能早日實現(xiàn)。

實際上，在1942年12月1日下午的測量結(jié)果表明，堆已達(dá)臨界。但是費米還是按照預(yù)定計劃，在安全系統(tǒng)保護(hù)下，堆砌了最后一層鈾塊和石墨塊。該堆的最后尺寸為寬9米，長接近10米，高為6.5米。堆的總重量為

在此情況下，反應(yīng)堆中的燃料和慢化劑已形成一個超臨界的體系。只是在控制棒的作用下，堆才處于次臨界停堆狀態(tài)。至此，一切試驗準(zhǔn)備工作都已完成了。就在1942年12月2日下午3時

為了保密起見，他們對這一重大的科研成果未能很好地慶祝。但是科學(xué)家們無法抑制自己取得預(yù)想結(jié)果的喜悅心情。就在停堆以后，匈牙利物理學(xué)家維格納把他預(yù)先準(zhǔn)備好的紅葡萄酒交給費米。為了表達(dá)大家的心愿，費米就打開酒瓶，并在每個小紙杯里都倒上一點，好讓在場的每一個工作人員都來分享這個幸福的時刻。大家紛紛高舉酒杯，為試驗取得成功而干杯！然后，大家義都激動地在酒瓶的商標(biāo)上簽名留念，總共剛好42人。

當(dāng)大家收拾好現(xiàn)場，鎖上控制棒，關(guān)好儀器離開實驗室時，實驗室的負(fù)責(zé)人康普頓正在小心冀冀地給華盛頓的科南特打長遠(yuǎn)電話。他是該工程計劃的負(fù)責(zé)人，哈佛大學(xué)校長?？灯疹D想把實驗成功的好消息早一點轉(zhuǎn)告給他，但為了不讓這個重要的機(jī)密被旁人偷聽去，就用暗語報告說：“吉姆，你對于獲悉這位意大利的領(lǐng)航員，已在新世界登陸的事一定很感興趣的”，對方回答：“真的嗎”。電話聽筒里傳來那邊科南特興奮的回答，并又詢問：“那些‘新世界的土著’都很友善嗎”，這是他急于想知道費米等人的下落和安全情況?！懊總€人都安全登陸了，并且快樂得很”，康普頓的回答是想叫對方放心。

美國人所以說又一個意大利人發(fā)現(xiàn)了新大陸，這是因為1492年意大利航海家哥倫布發(fā)現(xiàn)了美洲新大陸。而現(xiàn)在是1942年中間兩個數(shù)字互換了一個位置意大利物理學(xué)家費米又登上了“核時代”的新大陸。

如今，凡是到美國芝加哥觀光的游客，就可在芝加哥大芒的校園里，見到一座古老而又破舊的建筑物的外墻上寫著下面幾行永遠(yuǎn)值得人們紀(jì)念的碑文：1942年2、世界上第一批反應(yīng)堆自從第一座天然鈾—石墨反應(yīng)堆成功地啟動后，科學(xué)家們更加相信利用核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理，實現(xiàn)原子武器的制造已為期不遠(yuǎn)了。這樣，人們也就更加擔(dān)憂戰(zhàn)爭狂人希特勒也能生產(chǎn)這種可怕的殺人武器。而美國軍事當(dāng)局為了能早日贏得戰(zhàn)爭的勝利，不得不也加快了研制原子彈的步伐。

但是，畢竟在實驗室里成功的東西，并不等于馬上就能在實際中加以應(yīng)用。在CP-1堆中，核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不但未能釋放出巨大的能量，而且也不能滿足在核武器里要求在極短時間內(nèi)釋放出巨大能量的條件。另外在反應(yīng)堆中，可以使用大量天然鈾和石墨慢化劑，而且不受體積和重量的限制。

然而。在原子彈里就完全不同了，為了能用飛機(jī)或大炮等運載工具把它運送到敵方陣地，就要求其體積和重量愈小愈好。故就不能用天然鈾作裂變?nèi)剂?，慢化劑也不能用了。否則幾千噸重的大家伙就無法運載，而對戰(zhàn)爭來說，這也就失去了實用價值。

在核武器中所用的裂變?nèi)剂鲜且环N高濃鈾鈾235含量占％以上。但就當(dāng)時的核科學(xué)技術(shù)而言，這樣的高級核燃料是難以提供的。因為鈾235的濃縮過程是由一系列非常復(fù)雜的工藝流程所組成的，需要建立十分龐大的工業(yè)體系。而且從理論上講，欲得一公斤鈾235，需從鈾礦石提煉得140公斤純金屬鈾，而鈾礦石的需要量則更大為200多噸。這樣經(jīng)過探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉和最后濃縮分離等一系列生產(chǎn)過程。結(jié)果鈾燃料的價格當(dāng)然就非常昂貴了。

然而，曼哈頓工程的組織者仍不惜代價，動用了國家電氣公司的力量。即由通用電氣公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)動力設(shè)備；阿利斯-恰爾默公司生產(chǎn)磁鐵；威斯汀豪斯公司生產(chǎn)控制操作箱和其它有關(guān)部件。并在1943年2月開始建造第一個用電磁分離法生產(chǎn)濃縮鈾的工廠，同年11月安裝了第一批設(shè)備。到建成時共耗資三億零四百萬美元，其中很大部分是用于產(chǎn)生強(qiáng)大磁場的導(dǎo)線，由于戰(zhàn)爭的緣故，銅材奇缺，只得動用15000噸銀絲作為導(dǎo)線。先后共征集了近40萬建設(shè)者，工廠的運行人員超過24000人。

與此同時，又建造了一個采用氣體擴(kuò)散法生產(chǎn)濃縮鈾的工廠。該廠從1943～1945年，短短三年內(nèi)共投資5億美元。戰(zhàn)后經(jīng)多次擴(kuò)建，使總投資猛增到15～20億美元。全廠總耗電量相當(dāng)于紐約市的供電量，而直接用于生產(chǎn)的冷卻水量，足夠供應(yīng)一個有五百萬人口的大城市。該廠生產(chǎn)的鈾235，在1945年

當(dāng)初美國政府對用分離法取得鈾235作為原子彈裝料的計劃不是很有把握。為此采用雙管齊下兩條腿走路的方針，即對另一種核裝料钚進(jìn)行研究。而且經(jīng)過麥克米倫和美國化學(xué)家西博格等人的艱苦努力，最后獲得了直接從經(jīng)過中子輻照的天然鈾中，提取钚239的重大成果。

而在此以前，第一臺回旋加速器的設(shè)計和制造者勞倫斯，當(dāng)時他是美國研制原子彈的高級四人小組中的一員。他在1941年7月11日的一篇報告中曾經(jīng)寫道：“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可由未經(jīng)分離的天然鈾來實現(xiàn)的，這一點就為我們開辟了一條新途徑。即鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生后，可能會在其激烈反應(yīng)的過程中產(chǎn)生少量的94號元素即钚

由此可以看出勞倫斯早已預(yù)見到生產(chǎn)钚239的可能性和重要性，所以美國政府把生產(chǎn)钚239作為曼哈頓工程的另一個突破口。在1942年9月10日首次從被中子輻照過的鈾238中，分離得

首先，他們在1943年2月拆除了已成功運行最大功率為200瓦兩個月的CP-1堆。緊接著把“冶金實驗室”改裝成CP-2堆即芝加哥2號反應(yīng)堆，后來又變成為美國有名的阿貢國立研究所。CP-2在結(jié)構(gòu)上類似于CP-1堆，它也沒有冷卻系統(tǒng)，仍借助于空氣自然對流散熱，最大功率不超過2000瓦，并在堆本體四周圍上了混凝土生物屏蔽層。

不過對于生產(chǎn)钚而言，CP-2的功率實在顯得太小了。為此人們又著手設(shè)計和建造功率更大的反應(yīng)堆，即在1943年11月建成了X-10反應(yīng)堆。它被建造在克林頓工程師區(qū)的X-10工區(qū)。該區(qū)后來成為美國的另外一個核基地，即美國橡樹嶺國立研究所。X-10堆的運行功率為3800000瓦時，平均熱中子通量密度為每秒每平方厘米5千萬億中子。它比小居里夫婦的鐳-鈹中子源的最大通量大一百萬倍，所以它能生產(chǎn)更多的钚239核燃料。

由于X-10堆的功率比較大，自然對流冷卻就顯得不夠了。故它是采用流動空氣進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻。而慢化劉和反射層仍用石墨，活性區(qū)是用鈾燃料塊和石墨塊堆砌而成。其外形尺寸是每邊長為7.32米的立方體，石墨總重量為620噸，鋁包殼的金屬鈾棒外徑為厘米。燃料棒被均布在石墨孔道內(nèi)，孔間距為厘米。金屬鈾棒的總重量為54噸，堆的總高度有兩層樓那么高，從1943年11月4日到

這對制造原子彈的緊迫需要來說，其生產(chǎn)速度實在太慢了。所得的钚只能用來制作供研究用的钚樣品，而堆本身也只能作為設(shè)計制造更大的钚生產(chǎn)堆的原型堆使用。

就在X-10堆這個小型钚工廠還沒有完全建成以前，美國政府己在華盛頓州的漢福特建立了曼哈頓工程區(qū)的第二座原子城——漢福特原子能中心。而且仍由杜邦公司承建，并在1944年建成了三座用來生產(chǎn)钚的大功率反應(yīng)堆。每座堆都是由5～8層樓那樣高的無窗鋼筋混凝土建筑物所組成，堆所用的冷卻水來自哥倫比亞河。此外，為了安全起見，堆與堆之間相隔1～3公里。而后處理分離钚的廠房，則建在遠(yuǎn)離反應(yīng)堆的地方。堆廠房附近不冒煙的高大煙囪是為了能把放射性廢氣排入大氣之中，這些都是原子能工業(yè)工廠的特點。

就這樣，到1944年美國生產(chǎn)钚239的能力已達(dá)公斤級，這就為核武器的早日研制成功提供了必要的核燃料。

在此同時，1944年5月美國又設(shè)計建造了第一座用重水作慢化劑的CP-3反應(yīng)堆。所用核燃料是天然金屬鈾棒，其直徑為厘米，長為厘米，鈾棒中心間距為厘米，整個活性區(qū)被布置在直徑為厘米盛滿重水的水箱內(nèi)。其底部和四周是用厚為61厘米的核純石墨作為中子反射層，頂部則用重水作反射層。當(dāng)運行功率為300千瓦時，就可具有同X－10堆一樣水平的中子通量密度。由此可見重水確是比石墨更為有效的中子慢化劑。

除美國外，世界上早期建成反應(yīng)堆的國家還有加拿大、英國、蘇聯(lián)和法國。

1945年，加拿大建成了用重水作慢化劑的零功率實驗性反應(yīng)堆ZEEP。

1947年，英國建成了第一座石墨低功率實驗性反應(yīng)堆GLEEP。它也是歐洲第一座反應(yīng)堆。堆本體的外形尺寸是每邊長約為6.4米的石墨立方體，在石墨慢化劑中共鉆了682個孔道，中間插入外表面包有鋁殼的天然鈾棒，四周的水泥屏蔽層厚為1.52米。共有5根控制棒和6根停堆棒，它們是在不銹鋼管內(nèi)充以碳化硼制成的。堆的設(shè)計運行功率為100千瓦，但實際運行的最大功率為

同年，蘇聯(lián)也建成了第一座反應(yīng)堆，所用燃料也是天然金屬鈾，共重45噸，慢化劑也是用石墨。其外形尺寸為10×10×60厘米，共用去數(shù)百噸石墨。鈾棒直徑為3～4厘米，孔間距為20厘米。反射層的材料是厚80厘米的石墨塊，外形尺寸近似為半徑等于3米的球面?？稍?0

1948年，法國建成了第一座重水型氧化鈾零功率反應(yīng)堆ZOE，它用重水作慢化劑，可獲得高的中子通量密度。3、原子彈由上可知，建造原子彈的關(guān)鍵在于能否獲得高濃縮的鈾235和钚239這兩種核裝料。自從美國物理化學(xué)家尤雷發(fā)明了用氣體擴(kuò)散法提取鈾235以后，美國政府就在1943年建造了規(guī)模巨大的鈾氣體擴(kuò)散工廠，生產(chǎn)出為制造原子彈所需要的大量鈾235核裂變?nèi)剂?。而另外一種核裂變?nèi)剂项?39也在華盛頓州的漢福特原子能中心的生產(chǎn)堆上，經(jīng)過同位素分離最后被獲得。原子彈就是利用這兩種核裂變?nèi)剂系牧炎冩準(zhǔn)椒磻?yīng)所釋放出的巨大能量，來達(dá)到殺傷破壞的一種爆炸性核武器。

在原子彈的研制過程中，最值得一提的是美國杰出的物理學(xué)家奧本海默的重要貢獻(xiàn)。就在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前后，他已被公認(rèn)是世界上十名首席理論物理學(xué)家之一。加上他所具有的特殊才能和組織管理能力，使他在1942年夏天被美國政府正式任命為設(shè)計和制造原子彈的主要負(fù)責(zé)人。由他直接領(lǐng)導(dǎo)監(jiān)督管理研制原子武器的“冶金計劃”，當(dāng)時他只有38歲，在所有領(lǐng)導(dǎo)這項與戰(zhàn)爭勝利有關(guān)的歷史使命的科學(xué)家中，他是最年輕的一位。后來的結(jié)果表明他確是一位令人滿意的非常杰出的科學(xué)家，因而人們常把他稱為原子彈之父，即第一個制成原子彈的人。

初看起來，研制原子彈的任務(wù)對奧本海默來說并非是難事，因為他曾經(jīng)樂觀地認(rèn)為原子彈只不過是一種“附帶產(chǎn)生的新玩意”，它似乎是根據(jù)裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理發(fā)展而成的必然產(chǎn)物。當(dāng)然事實決非如此輕而易舉，奧本海默為了解決原子彈的爆炸問題，以及測定它的爆炸威力等等一系列難題，曾經(jīng)作出了非常巨大的努力。

就在1943年初，奧本海默親自帶領(lǐng)了30多名工作人員后來由于工作需要擴(kuò)大到一百余人進(jìn)行選點工作。結(jié)果在新墨西哥州的一個寧靜小城圣菲西北56千米吉米茲山的西邊，選到了一塊海拔600米的高地，就在這塊被深凹的大峽谷所隔絕的地方，建立起曼哈頓工程的第三個秘密原子城，即洛斯阿拉莫斯實驗室。當(dāng)時僅靠飛機(jī)與外界保持交通聯(lián)系。為了保密起見又稱它為“Y”地區(qū)，郵政信箱為1663

緊接著，奧本海默又調(diào)集了與研制任務(wù)有關(guān)的各種設(shè)備，其中有哈佛大學(xué)的一臺回旋加速器；威斯康星州的二臺電子靜電加速器；伊里諾斯州的一臺高壓倍加器等等。另外，他又集中了世界各國在核科學(xué)技術(shù)方面的優(yōu)秀人才，同心協(xié)力團(tuán)結(jié)一致共同進(jìn)行攻關(guān)。其中包括丹麥科學(xué)家玻爾、意大利科學(xué)家費米、英國科學(xué)家代表團(tuán)人員查德威克、德國科學(xué)家貝蒂、蘇聯(lián)科學(xué)家基斯卡柯夫斯基、奧地利科學(xué)家拉比和弗瑞土、匈牙利科學(xué)家特勒以及美國科學(xué)家勞倫斯、弗立許和貝瑟等人。除此以外，當(dāng)然還有許多一般技術(shù)工作人員。他的中心任務(wù)是在于集中所有人的聰明才智調(diào)動每一個人的工作積極性，一起解決研制原子彈工作中所遇到的各種疑難問題。

當(dāng)時各種大小問題幾乎多達(dá)好幾百個，而奧本海默最成功之處就是能集思廣益，抓住其中最主要的問題，這就是能引起原子彈爆炸所需要的“臨界質(zhì)量”問題。而所謂臨界質(zhì)量是指使裂變物質(zhì)在特定條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需的最少裂變物質(zhì)的數(shù)量，與臨界質(zhì)量相對應(yīng)的裂變物質(zhì)的體積被叫作臨界體積。顯然這些都是核武器裝料中所涉及的重要問題，它同裂變物質(zhì)的種類、純度、密度以及裝料的幾何形狀和特殊的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

從結(jié)構(gòu)上看，我們可把原子彈看成是由核裝料、引爆裝置和彈殼等部分組成的。一旦引爆后，普通炸藥把核燃料迅速地推合在一起，形成不可控的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。而堅固的彈體能使反應(yīng)有充裕的時間，可提高核爆炸的威力。另外根據(jù)起爆裝置構(gòu)造的不同，原子彈的具體結(jié)構(gòu)可分成槍型和內(nèi)爆型兩大類。

槍型原子彈的原理是，當(dāng)雷管被引發(fā)以后，烈性炸藥發(fā)生爆炸，將一塊圓柱狀的亞臨界質(zhì)量鈾塊象槍彈一樣，經(jīng)過導(dǎo)向槽射向兩塊固定的中空球形亞臨界鈾塊的中間。結(jié)果鈾塊的總質(zhì)量就大大超過臨界質(zhì)量而發(fā)生核爆炸。

1945年8月6日，美國投在日本廣島的第一顆原子彈，就是這種槍型結(jié)構(gòu)式原子彈，代號“小男孩”也叫瘦子。它的核裝料為鈾235，同位素純度為％?？傃b料為16～25公斤鈾235。核彈總重約4100公斤，彈直徑約為7l厘米，彈長約30厘米。由前可知一公斤鈾235或钚239

“槍型”原子彈雖然具有結(jié)構(gòu)簡單容易制造的特點，但是卻存在核裝料利用率很低的缺點。這是因為每塊核裝料的質(zhì)量都不能超過臨界質(zhì)量，而兩塊合攏的最大質(zhì)量僅比臨界質(zhì)量多出不到一倍，這樣爆炸威力也就不大。

第二種類型的原子彈是“內(nèi)爆型”原子彈，它是一個利用雙層普通烈性炸藥制成的球形裝置，在球的中心安置著一個小于臨界質(zhì)量的核裝料小球，小球的外圍為反射層。球心處裝有用來引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的中子源。通過電雷管同步點火，使外層炸藥各點同時起爆，這樣就能形成一種向球心聚焦的壓縮波又稱內(nèi)爆波，而小球瞬間將受到猛烈的向心壓緊力，結(jié)果使核裝料密度大大增加，達(dá)到超臨界質(zhì)量條件。此時可用球心上的中子源控制點火時間，等到壓縮波效應(yīng)最大時，在中子源作用下形成核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最后引起威力巨大的核爆炸。由于這種“內(nèi)爆型”結(jié)構(gòu)的原子彈產(chǎn)生壓縮效應(yīng)的時間遠(yuǎn)比“槍型”結(jié)構(gòu)的合攏時間為短，因此可避免過早點火的缺點。這樣在“槍型”結(jié)構(gòu)中難于安全應(yīng)用的钚239裝料，往往能在“內(nèi)爆型”結(jié)構(gòu)中被采用。

1945年8月9日，美軍投在日本長崎的第二顆原子彈，就是采用“內(nèi)爆型”結(jié)構(gòu)，用钚239作核裝料的炸彈。它由三個同心球構(gòu)成，外球殼用鈾238作反射層，內(nèi)球是兩個次臨界質(zhì)量的钚半球，而中心則是一個乒乓球大小的鈹球作為內(nèi)中子源，即從钚239所放射的α粒子作用于鈹就能產(chǎn)生中子。在超臨界條件下，钚—鈹中子源能加速鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，并能保證在規(guī)定的瞬間發(fā)生核爆炸的可靠性。而球體外面是兩層楔形烈性炸藥組成的炸藥球，每層有36小塊。同時為了能可靠地同時引爆，每塊安上兩個電雷管。彈體總重約4500公斤，其中钚239的裝料為5～10公斤。外形尺寸高為3.2米，而最粗處的直徑約為

然而，原子彈的研制工作畢竟是一項耗資巨大的工程。美國政府差不多在整整四年時間內(nèi)，調(diào)集了15萬科技人員，動用了全國三分之一的電力，總共花費了20多億美元。共制造了三校原子彈，除了投放在日本廣島和長崎的兩顆外，還有—顆是在1945年7月16日凌晨5

全部試驗工作都是按照原定計劃進(jìn)行的，而且取得了圓滿的結(jié)果。所有這一切也是和奧本海默得力的指揮和周密計劃分不開的。原子彈試爆裝置被安裝在預(yù)先專門設(shè)計建造好的鋼塔上，遠(yuǎn)距離控制的引爆裝置是由一系列十分復(fù)雜的電子儀器所組成的。操縱中心離鋼塔幾公里，能把爆炸過程中的各種情況詳細(xì)地記錄下來。定時信號正確無誤地告訴人們原子彈即將爆炸的時間。

在爆炸前20分鐘，全體工作人員各就各位，而在營地上的人們都奉令臉向地面，腳朝爆炸方向臥倒，并用雙手蒙住閉起的眼瞧。爆炸的時刻終于到了，一瞬間，天空中出現(xiàn)了比幾千個太陽還要亮的閃光。

幾秒鐘后，人們就聽到由強(qiáng)大的沖擊波所形成的隆隆巨響。此時人們才能翻身站起，并戴上事先準(zhǔn)備好的黑色防護(hù)眼鏡進(jìn)行觀看。只見一個大火球似的五顏六色的火云，上下不斷翻滾，并逐漸擴(kuò)大向天空升起，最后形成巨大的蘑菇云，扶搖直上成為高達(dá)十公里的擎天柱，其情景十分壯觀。同時也測得了原子彈內(nèi)部本身的演變情況，其中包括爆炸威力的大小、波及的范圍以及爆炸后在地面上和空氣中所產(chǎn)生的放射性污染程度，等等。

當(dāng)時在場參觀的約有1000多名各方面代表，其中有放射醫(yī)學(xué)家、氣象學(xué)家、工程師、數(shù)學(xué)家、爆炸專家、軍事參謀、政府官員和英國等外國政府代表。大家對原子彈的巨大爆炸威力相當(dāng)于20000噸黃色炸藥感到非常震驚。在半徑為公里范圍內(nèi)，所有蔬菜、各種動物試驗前預(yù)先安置好的以及其它各種有生命的東西都被破壞無遺，就連一條響尾蛇或一根青草都劫數(shù)難逃。而半徑360米

至于供試驗用的那座高塔也完全被高溫蒸發(fā)得無影無蹤，卻留下了一個邊緣傾斜的大坑。當(dāng)時即使被人們一向認(rèn)為是冷靜和理智的費米，平時他總是自己開車，此時也無力自己開車了，只得由他的同事駕駛汽車送他回家。

第一顆原子彈首次試爆成功的消息，很快傳遍了曼哈頓工程區(qū)的每一個角落。特別是那些直接參加試制工作的科學(xué)家和工作人員，他們更是被原子彈的巨大破壞力和強(qiáng)烈的放射性污染而深感不安。為此許多人曾聯(lián)名向有關(guān)當(dāng)局遞交了請愿書，反對輕率使用這種武器來對付當(dāng)時的敵國日本，并且要求美國政府立即著手對這種新式武器必須實行國際監(jiān)督。但是所有這一切絲毫也沒有觸動美國政府為了贏得戰(zhàn)爭勝利而進(jìn)行研制新式炸彈的既定方針，它還是一心想使用原子彈。

原來積極要求愛因斯坦寫信給當(dāng)時美國總統(tǒng)羅斯福敦促盡快發(fā)展核彈的西拉德，此時此刻也意識到這件事的嚴(yán)重性。為此他就又起草了不要使用原子彈的請愿書，并征集了69位著名科學(xué)家的簽名，最后把請愿書直接送到了杜魯門總統(tǒng)的手里。而總統(tǒng)的科學(xué)顧問又把此事提交給由奧本海默、勞倫斯、費米和康普頓四人所組成的臨時科學(xué)討論小組，請他們提出如何對待這一問題的決策報告。

當(dāng)時康普頓在建議書中曾寫下了這樣一段話來表明他的意見：“在使原子力量能為人類利用的偉大創(chuàng)舉中，我們都為自己曾經(jīng)貢獻(xiàn)自己一份智能而感到歡欣和驕傲。然而這真是一幕悲劇，這種巨大無比的力量將第一次被用來進(jìn)行傷害人類的勾當(dāng)。不過，如果因此而能得以縮短戰(zhàn)爭的時間，并能拯救更多的生靈，如果它能意味著人類將更接近放棄用戰(zhàn)爭作為解決爭端的時刻。那才是我們內(nèi)心真正的期望，才是我們敢于使用原子彈的論點”。

另外他對科學(xué)家的討論結(jié)果又寫道：“我們科學(xué)界的同事們，對于使用這種武器的意見頗不一致，大家建議的范圍很廣，從純技術(shù)性的示威到直接投擲原子彈迫使敵人投降的策略都有……”。

最后，科學(xué)顧問們?yōu)榱双@得一個能代表大家看法的折衷意見，就進(jìn)一步征求那些了解當(dāng)時戰(zhàn)爭形勢人們的看法，并請他們投票表決。其分工如下：奧本海默負(fù)責(zé)洛斯阿拉莫斯地區(qū)；勞倫斯負(fù)責(zé)柏克萊；康普頓負(fù)責(zé)芝