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《跟著怪咖物理學家一起闖入核子實驗室--一次搞懂核融合、核分裂、連鎖反應、原子彈、氫彈、中子彈的超強威力》
作者 多田將
譯者 黃郁婷
出版社 聯經出版事業股份有限公司
ISBN 9789570851212
分類 自然科學 > 化學 > 物理及理論化學
價格 HK$93.00
 
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極小世界爆發的極大破壞力 純粹以物理學觀點解析人類史上最強的武器

怪咖物理學家又來了!這回,他將結合自己的暗黑嗜好與學術專業,向大家揭露核子武器不為人知的祕密!

即使只有高中物理和化學常識的讀者,都能輕鬆了解核彈知識。

染著一頭金色長髮的天才怪咖物理學家多田將教授,用最口語、易懂、有趣的方式,為青年學子及一般大眾講解看似艱深卻無比迷人的知識。拋開政治、倫理的是非,純粹從物理學的觀點,剖析核武器強大猛烈的機制。

《跟著怪咖物理學家一起闖入核子實驗室:一次搞懂核融合、核分裂、連鎖反應、原子彈、氫彈、中子彈的超強威力》主要分為原子力與核子彈兩個部分,先從原子的結構,核分裂、核融合的過程,以及連鎖反應的機制,讓讀者理解原子力的基本原理,然後進一步說明核子彈的三種類──鈾彈、鈽彈和氫彈──的構造與機制,以及爆炸的方式。


Amazon 讀者熱評:

「本書是專門解說核能物理學中的核子武器,軍事迷意外會忘記或搞錯的基本知識。高度專業的知識留給其他教科書來解說,這本小書的份量正好可以供讀者快速讀完。對於核子武器的部分,希望一般人都能不要懷著恐懼的有所了解。而本書寫得非常淺顯易懂。」

「高中時物理和化學我總是不及格,屬於理科後段理的學生,但這本書寫得十分簡單,連我都能充分了解。本書從原子核的結構開始說起,然後介紹核融合與核分列,以及製造核能的核燃料,由核子控制的核能發電廠,以及核武,作者以輕快的筆觸,讓人讀得非常流暢。」

「你可以從書中得到核子武器與核能發電的基本知識,適合真正想了解核能原理的人,無論是支持還是反對。而且我認為,除非真正了解核武器的原理,才算是真的了解世界局勢。」

「文組學生也看得懂的核武器基本知識!」

「以簡單易懂的方式解釋了核反應堆與核武器之間的差異。適合國中生和高中生暑假期間的推薦閱讀。」

「雖然這是一本關於核武器的書,但它對於核能的解說非常全面完整。作者身為科學家,以一種容易理解的方式和中立態度說明科學原理。」


核反應器需三要件,核武器只需一要件

接下來回到本書的主題:核武器。最先利用核分裂反應的核武器是原子彈。

先前介紹核反應器必須具備三要件,但是原子彈不需要緩和劑與冷卻劑。因為是炸彈所以不需要冷卻,這一點無須多作說明。至於為什麼原子彈不需要緩和劑,則是因為它不像核反應器那樣必須在控制之下穩定地反應,反而必須一鼓作氣地在瞬間反應。說穿了,原子彈刻意讓反應瘋狂爆發,因為這正是它被使用的目的。

核反應器是人類絞盡知識,研發再研發,企求避免失控情況;相反的,當人類期盼核反應失控時,卻又不是那們輕而易舉。很不可思議吧?

原子彈必須在瞬間達到超臨界狀態,因此它是讓中子瞬間射穿燃料。而剛才也說明過,如此高速的中子難以引起核分裂。儘管條件如此不利,人類還是希望原子彈的核分裂反應能一鼓作氣地發生,所以需要某些工夫。

首先,要提高燃料的濃度。原子彈使用的燃料並非核反應器那種濃度低的燃料,而是高濃縮的燃料,以鈾燃料為例,其中的鈾235的濃度就必須達到9成以上。而且,燃料的量也很重要。燃料太少,中子一眨眼就會跑出燃料以外,引發不了連鎖反應。假如要促使原子彈達到臨界狀態,就必須確保燃料擁有一定程度的量。

利用反射體壓實

接下來,燃料的周圍必須用能夠反射中子的反射體包覆起來,利用反射體一而再地反射中子,使中子一而再地穿越燃料。換句話說就是,利用反射次數彌補低反應率的部分。提到哪種情況容易反射,這個概念之前曾引用撞球比喻說明過,就是大的原子核碰撞到反射體的時候。而鈾是天然元素中原子核最大的元素,因此反射體多以鈾製造。這個反射體的英文稱為Tamper。提到Tamper,在貼近各位的日常生活的物品中,義式咖啡機的咖啡粉填壓器也稱為Tamper。還有,鋪裝道路時,把路面夯實的砸道機也稱為Tamper。如同希望沖出風味濃厚的咖啡,必須使用填壓器將咖啡粉壓實一般;希望引發旺盛的核分裂反應,也必須將燃料夯實,所藉助的器具也稱為Tamper,中文稱之為反射體。

此外,在燃料的形狀方面也必須下功夫。必須盡可能將中子關在燃料裡面,讓中子無處逸散。而中子可以逸散的地方就是表面,所以要儘量減少表面積。在體積相同的條件之下,能達成最小表面積的形狀是球形。筆者的研究室的所在基地內有貓。夏天,天氣熱的時候,貓會趴在水泥面上,將身體攤到最開以便散熱。冬天,天氣寒冷的時候,貓會把身體蜷縮成一球,縮小表面積以避免熱能逸散。換句話說,貓會藉由改變形狀的方式改變表面積,巧妙地調節熱能進出身體。啊,抱歉,我們不該去管貓咪會怎麼樣。言歸正傳,原子彈也是將燃料的部分設計成球形,以便將中子逸散到外界的量調控在最低程度。不僅如此,就連在核分裂反應持續的過程之中也使燃料持續維持球形,不希望它的球形在中途崩壞。

誠如以上說明,在原子彈的要件唯獨核燃料一項,當然得在燃料的設計方面下足功夫。在原子彈的場合,核燃料稱為核心。

在密度(濃度)或形狀、形式等各種條件俱足的情況下,促成臨界狀態所需的最低可核分裂物質的量稱為臨界量。至於在某種條件下臨界量是多少這問題,則是機密中的機密。據說,原子彈的核心需要數十公斤的鈾235與數公斤的鈽239。

中子彈

最後,和各位聊聊核武器的多樣性。

凡是核武器,無論是原子彈或氫彈,它的外圍無論是反射體或外殼,全都擁有反射中子的材料。假如將外圍做得更輕一點、做成不容易反射中子的材料,那麼情況會如何呢?

那麼一來,會有很多中子不會被反射,而是直接逸散出去,造成核反應不充分,導致爆炸威力下降。想來似乎是一點好處也沒有。其實,「讓中子逃逸出去」可是非常重要的事情。

以戰車或過去的戰艦為例,它們都以非常厚實的鋼板打造,因此在對抗氣浪或γ射線方面堪稱堅固。然而,一旦受到中子照射,由於中子的穿透力非常強,無論鋼板厚薄,中子都能輕易穿透。而且,中子所要穿透的目標,其實是戰車或戰艦內的人。而人類的組成物質絕大部分是水。請各位稍微回想緩和劑單元的內容。水的減速較果最好──也就是說,水不但最容易與中子反應,也非常容易吸收中子。換句話說,對於中子而言,人類是絕佳的標靶。反過來說,而對人類而言,中子是最恐怖的輻射。在戰車幾乎未經毀損的情況下,就能將車內人員燒殺殆盡的武器就是:中子彈。

而且,只要反射體或外殼不進行核分裂,中子彈所釋出的放射性物質,所造成的輻射汙染也非常的少。例如在攻擊過後對於占領地的除汙作業,便能因此省事許多。但是,那些被中子照射到的各種物質,則如經過「煉金術」一般地變成新的同位素,而且多半屬具有放射性。意思即是:新生放射性同位素所造成的輻射汙染,簡直是變本加厲的嚴重。那麼,這種情況稱得上好嗎?想必各位也已經思考到這一點了吧。

此外,由於中子彈能釋放大量的中子,因此也被應用在迎擊敵方發射的彈道飛彈的核彈頭方面。目的在於使位於核彈頭的控制系統失效,所以屬於防禦用途(W66)。防禦原理在於:半導體一旦吸納中子便會故障或毀損。不過,關於在自己國家的上空,利用核武器迎擊核武器的作法,我只能說:這還真是大膽啊!各位說是不是呢?

相較於核分裂所釋放的中子,核融合所釋放的中子的速度較快,而中子的速度愈快,穿透鋼板等物質的能力愈強。因此,中子彈其實是以氫彈為基礎所研發問世的核武器。


提一段我年幼時的事情。印象已經不是很清楚了,只記得那時電視正在播放科幻卡通,其中有句台詞說道:「那傢伙是壞人,所以他一定是物理學者」。由於觀賞時已是重播,我想猜想那作品的年代應該有昭和時代那麼久遠。那時,世界局勢正值冷戰時期。因此那句台詞或許是懼怕核戰惡夢的人,懷著「開發核武器的是物理學者!所以物理學者全是大惡人!如果世上沒有那幫人多好!」的心理,因而將它寫入腳本。而幼時的我做夢也沒想過,自己竟然會立志成為時人口中那「萬惡的物理學者」……

軍事科技之發展,往往不惜重資傾注最尖端科技。而原先以發展軍事為由所開發的科技,有許多在日後成為支配你我日常生活的日常科技。儘管如此,動用龐大的預算所開發的軍事科技往往不是打從一開始就被我們一般民眾視為敬而遠之的對象,就是到頭來還是以遭到誤解的形態被一般民眾認識。最新軍事科技確實必須仰賴一些複雜且專業的知識,然而它的基本原理卻不乏簡單得教人意外,甚至是生活周遭就接觸得到的物理現象。那些簡單的部分只需基礎物理學解釋就能使人輕鬆理解,然而與軍事武器相關的書籍卻鮮少以物理學觀點寫作。又或者,嘗試解說軍事武器的物理學者少之又少。

本書的宗旨在於解說著名的,以及民眾耳熟能詳的軍事科技,尤其是那些在遭受誤解,或在尚未獲得充分了解的情況下即已擴散至世界各地的軍事科技──姑且撇開政治或倫理觀點,純粹由物理學的觀點出發。

對軍事領域已有深厚認識的人士,倘若能以物理學的觀點檢視核武器,或許更能了解「原來核武是這麼一回事!」甚至因而掘獲嶄新的發現。倘若本書,能使一些對於軍事武器抱持興趣的人士針對其原理:物理學產生興趣,或使對物理學抱持興趣的人士針對其尖端應用實例:軍事科技產生興趣,進而在興趣方面發展出超越固有領域的大開拓局面,倘若本書有幸扮演此一渡橋角色,那麼身為「催生核武器的萬惡物理學者」的我即能獲得些許贖罪之感。

第一章 原子核
武器與物理學的關係
那個男人,來自東海村
因應核能反應設施所需焊接技術而誕生戰車
原子與原子核的大小
所有的物質都是質子與中子的不同排列組合所建構
鍊金術,華麗復活!
同位素是什麼?
美國境內允許持有15磅以下的鈾
美國境內可以販售釙?
去靜電刷的製造方法
與其緊迫盯人,不如稍微保持距離的愛情來得強烈?!
水滴與原子核

第二章 核融合與核分裂
剖析原子核
讓原本不會立刻依偎在一起的伴侶緊緊相依的辦法是?
氘和氚的核融合反應
快要變得不穩定的原子核變成變成不穩定的原子核
不帶電荷的中子容易接近原子核
快吃碘!
維繫原子核的力量遭到釋放
其他炸藥與核分裂所釋放的能量相差好幾等級!
哪種物質適合作為核燃料?
核分裂前一階段的鈾與鈽
中子的速度左右核分裂反應發生的難易度

第三章 連鎖反應
核分裂的連鎖反應
抽出或插入控制棒,即可控制中子的數量
次臨界狀態與超臨界狀態
車諾比核電廠抽出控制棒
地熱如何產生?
構成核反應器的三要件(1)燃料
構成核反應器的三要件(2)緩和劑
作為緩和劑,水與石墨各有什麼優缺點?
構成核反應器的三要件(3)冷卻劑

第四章 核燃料
核反應器需三要件,核武器只需一要件
利用反射體壓實
某實驗風景
釙再次登場
濃縮鈾
A-1 氣體擴散法
A-2 氣體離心法
A-3 空氣動力學方法
B-1 電磁濃縮法
一流物理學家們製作的鉛筆芯
B-2 雷射原子法
B-3 雷射分子法
C 化學法
鈽的製造過程
鈽是冥界之王
人類首座核反應器誕生於大學足球場底下
武器等級的鈽
快滋生反應器

第五章 核武器
槍管式原子彈
小男孩直到投彈前瞬間前才組裝完成
過早爆炸
美國最偉大的總統
內爆式原子彈
內爆式構造
利用核融合的氫爆彈
中子彈
助力器
終極核武器
後記
核武器自初登場以來已歷經七十載,人類至今未能獲得威力更勝於此的武器。所謂原子核,是構成我們的身體、構成我們周遭所有物體的「再自然也不過」的物質,為何它足以成為具有壓倒性毀滅威力的武器呢?我嘗試盡可能以平易近人的方式解說那極小世界,卻能爆發極大破壞力的物理原理。請問各位,我解說得還可以嗎?

關於我接下來的發言,可能有部分人士會不以為然。我認為,核武器並非「不人道的武器」。這話如何而來呢?因為我打從根本懷疑,所謂的「人道武器」果真存在?又,「人道武器」這種說詞果真能成立?殺人還有所謂的「人道殺法」嗎?不可能的。

更何況,這世界並非沒有武器就能喚來和平。假使設法將現今存在的所有武器沒收,人類還是會撿拾棍棒來互相殘殺吧?所以我認為,沒有武器就能喚來世界和平,根本就是本末倒置的說法。和平真正降臨之時,人類真正冀求和平之時,人們的手自然會放下武器。

核武器的確是人類所發展出的負面遺產之最,或許是吧?那麼,我們是不是更應該盡可能正確地認識它,將它的真實面目正確地傳達給後代世人了解呢?因為,人類的歷史不就是美好事物與愚蠢事物的重複累積嗎!

曼哈頓計畫中的學者群領袖,即原子彈之父羅伯特‧歐本海默(Robert Oppenheimer)在戰後表示:後悔開發核武器,並直言懺悔「Physicists have known sin. 物理學者知罪了。」但是,歐本海默所創建的洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory,LANL)成立已逾七十年,至今仍以匯聚全人類睿智的研究單位的姿態君臨天下。


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