众所周知，核武器是目前我们人类可以制造出来的威力最大的武器，更是唯一可以媲美大自然力量的终极大*器。当1945年7月16日，人类历史上的第一朵蘑菇云在新墨西哥州安拉莫多而沙漠腾空而起的时候，就标志着人类从此进入到了核武器时代。从这个时候开始，想要摧毁一座城市就不用不着出动大规模的轰炸机集群了，只需要一架飞机把一颗“特殊的炸弹”给丢下去，几分钟之后，这座千辛万苦才建立起来的城市就会在升腾的蘑菇之下瞬间灰飞烟灭。这颗“特殊的炸弹”也办到了曾经需要数十架、上百架轰炸机，携带着成千上万吨炸弹才能办到的事情，这个，就是核武器的威力。当人类打开“核”这个“潘多拉魔盒”之后，从那一刻起，就意味着人类真正拥有了可以摧毁自己的力量。
人类首次原子弹试验
所以，核武器的威力是巨大的，小小的体积内所蕴藏的力量就足以轻松毁掉一个现代化的工业大城市，那么，相比于那些常规武器，核武器的威力为什么会那么大？它这种巨大的能量又是来自于哪里？以及它爆炸的原理又是什么？等等一些列有关核武器的内容，在这篇文章里都会给大家做一个详细的介绍。
重原子核的裂变（铀裂变）
首先，如果根据核武器的爆炸原理去划分的话，那么现阶段我们主要可以把核武器分为两种，分别是裂变式武器和聚变式武器。其中，前者裂变式武器的代表就是大家听得最多的原子弹，后者聚变式武器的代表则是氢弹，大家同样也应该很耳熟了。可以说，不管是氢弹还是原子弹，都是大家在一听到核武器后印象中的第一反应过来的两种武器了，但是，这两种核武器在本质上是有很大不同的，因为它们在对核能的利用方式上不一样，原子弹这样的裂变式核武器原理是利用重原子核的裂变，而氢弹则是利用轻原子核的聚变，不过，不管是重核裂变还是轻核聚变，它们都有一个共同点，那就是都会在瞬间释放出巨大的核能（聚变释放出来的能量比裂变更大），并且这种能量等级要远远的超过普通化学反应所产生的，所以核爆炸的剧烈程度也就远远的超过了常规武器爆炸。
轻原子核的聚变（氘、氚）
然后，第一个问题来了，为什么核爆炸释放的能量在量级上会远远地超过常规武器爆炸呢？原因就在于，在所有的常规武器爆炸的过程中，涉及到的都只是一个化学反应的过程，学过初高中化学知识的都知道，任何的化学反应都是要遵循质量守恒的，即在整个的反应过程中，反应物和生成物的总质量不会发生任何的改变，也就是反应物的质量会等于生成物的质量，所以，这之间并没有出现物质质量的亏损，化学反应过程中释放的能量主要是来自于物质原子间化学键的断裂以及生成，即旧化学键的断裂会吸收能量，而新化学键的生成则是会释放能量，也就是说，化学反应只是在武直的分子层面或者是原子层面发生，产生的能量在量级上是很有限的。
常规武器爆炸（化学反应过程）
但是核爆炸就完全不同了，不管是重核裂变还是轻核聚变，涉及到的是原子核层面的核物理反应，而不是化学反应。那么这个核物理反应又有什么特点？它其实可以看成是“质量不守恒”的，即在反应的过程中物质会出现“质量亏损”，而亏损的这一部分质量就会转化为能量，以能量的形式释放出来。所以，我们不要把这里面的质量简单的理解为是物质，对于核物理反应来说，我们只能说它的整个系统是“质能守恒”的，而不能单说是质量守恒或者能量守恒，因为在狭义相对论里，能量就是质量的另一种表现方式，它们之间是可以相互转化的。那么，在相对论里面，质量和能量的关系又是什么呢？通过质量转化而来的能量在量级上相比化学反应又拥有多大的优势，要回答这些问题我们就要先来看一个公式，也就是爱因斯坦的“质能方程”，如下图所示：
爱因斯坦“质能方程”
这个质能方程就是用来描述：在一定条件下，质量和能量之间的当量关系的。而在这个质能方程中有三个参数，它们分别是：质量m，单位为kg；能量E，单位为J（焦耳）；以及常数量c，也就是光速，我们在这里直接取c = 3.0x10^8米/秒。知道了这几个参数所表示的意义，我们就可以来简单计算，不同的质量它所能转化的能量量级了，也就同样可以解释，为什么核反应可以释放出远超过化学反应的能量。直接来举个例子作对比，比如在某一次的核反应过程中亏损的质量为1 g，那么在理论上，这1 g亏损的质量如果完全转化为能量的话，就可以大概释放出0.001x(3x10^8)^2=9x10^13 J的能量，那么这个量级的能量又是一个怎样的概念呢？我们继续来看，当1kg TNT炸药爆炸时，可以释放出大约4200 kJ的能量，因此，换算一下我们就可以知道，1 g物质完全转化的能量大概就相当于2.14万吨TNT炸药爆炸时所释放出来的，所以，这就是核能与普通化学能相比所拥有的巨大优势，同时我们也就可以知道，为什么核武器爆炸时的威力会远远超过常规武器了。
1克物质完全转化后产生的能量
我们继续来讨论，在核反应过程中出现的质量亏损究竟是什么意思？在前面已经提到了，要回答这个问题，我们就“不能简单的把质量理解成是物质”，因为在狭义相对论中：E^2 = M^2 P^2，这个等式意味着什么？意味着我们平时说的质量和能量，在本质上就是一样的，它们其实就是一回事。所以，有关原子核的质量，我们可以这样来理解：原子核内部的能量以质量的形式存在，组成了原子核质量的绝大部分。举个例子吧，以氢原子核为例，我们都知道，氢原子核由1个质子和1个电子组成，即1个质子和1个电子在强相互作用力的束缚下紧紧地结合在一起，从而组成一个而氢原子核，但是氢原子核的总能量却并不等于自由态1个质子质量 1个电子质量，而是等于束缚态1个质子质量 1个电子质量 束缚的能量，但是这个束缚的能量其实是“负值”，所以想要让质子和中子分开就必须给它注入等值的能量（也就是核结合能）。这个其实就是为什么把核子分开时需要输入能量的原因所在。
原子核结构简图：红色为质子，蓝色为中子
同时，处于束缚状态的粒子，其能量也是要低于自由态粒子的。所以，自由态的1个电子 1个质子的质量，是要重于1个氢原子核的总质量的，重的那部分质量，其实就是它们聚合成原子核时用来亏损的质量，而这个亏损的质量就会以能量的形式释放出来。所以，我们所说的质量亏损，其实就是指原子核内部的质子和中子之间发生了质量亏损，但是并不是说质子和中子的数量变少了，而是它们的能量出现了变化（前面已经说了质量和能量是同一回事），这个变化就是反应前后原子核的结合能不同。所谓的核结合能，简单来讲就是把原子核拆解成自由态的质子、中子时需要吸收的能量。或者是把自由态的质子、中子聚合成原子核时需要放出的能量。下图是2个质子和2个中子的总质量与氦核的总质量（同样由2个质子和2个中子组成）对比：
氦核与2个质子2个中子总质量的对比
接着，我们还要再引入一个比结合能的概念，所谓的比结合能，就是一个原子核的结合能与组成它的核子数量的比值，也就是每个核子的平均结合能。所以，比结合能越大的原子核，它的稳定性就越好。不管是重核的裂变，还是轻核的聚变，它们反应后的产物都是比结合能更高、更加稳定的元素，即都是从低比结合能（反应前）向着高比结合能（反应后）靠拢的。比如氘、氚聚变后生成氦核，氦的比结合能就要高于氘和氚；铀-235裂变后的产物中有钡、氪、锑等元素，这些元素的比结合能也一样要高于铀-235。再根据前面结合能的概念，我们就可以这样来理解核反应放能的过程：拆开比结合能低原子核（吸收能量）后，会生成比结合能更高的原子核（释放能量），即吸收的能量要小于释放的能量，这之间的能量差，其实就来自于核子的质量亏损，需要亏损一部分质量来转化成能量，来保证反应前后的质能守恒，所以，这就是核反应过程中释放的能量的来源。
不同原子核的比结合能
然后再顺带提一下不同原子核的比结合能的大小问题，比结合能最大的是中等质量的原子核，比如原子质量数为56的铁，它的比结合能就是所有元素中最大的，而原子质量数很大的重核或者是原子质量数较小的轻核，它们的比结合能都要比中等质量数的原子核小，比如上图所示，就是不同质量数原子的核比结合能大小对比。因此，既然铁或者说中等质量原子核的比结合能更大，那么，不管是轻核聚变还是重核裂变，它们的最终产物都是朝着更加稳定（比结合能更高）的中等质量原子核靠拢的，比如下图所示。举个例子，一般情况下，宇宙中的恒星聚变，它们的最终产物也只能是铁，因为对于铁元素来说，它的比结合能是最高的，所以不管是让它聚变还是裂变，都只能是一个吸收能量而不是释放能量的过程。那么宇宙中那些比铁更重的元素是怎么来的呢？答案就在这：在恒星生命周期的末期，也就是超新星阶段，就会聚变生成比铁更重的元素，不过在此之后，恒星的寿命也就到头了，会变成黑洞或者是一颗中子星。
裂变/聚变的反应趋势
题外话说完，我们继续回到核武器这方面，前面有提到，“拆解开”原子核是需要能量的，那么，问题又来了，给核反应提供这种能量的手段是什么？我们一个一个来讨论，先来看重核裂变，众所周知，现阶段用来造原子弹的主要原料就是铀-235和钚-239，而让铀-235或者钚-239发生裂变的方法就是利用高能中子的轰击，即利用快中子的动能（能量在1~20MeV之间）来轰击铀-235或者钚-239的原子核，来使它们发生裂变，为什么要用快中子呢？这是因为想要让重核发生裂变，那么就需要大约7~8MeV的总输入能量。因此，让重原子核发生裂变的这个能量就是来自于快中子的动能，至于快中子是哪里来的？有两种途径，一是不管是铀-235还是钚-239，在衰变的过程中都会自发裂变产生高能中子；二则是为了保证链式反应的顺利进行，可以人工增加中子源（通常都用在钚弹上，原因下面会讲）。
部分重原子核的自发裂变概率对比
不过，关于铀-235、钚-239这样的重核的自发裂变，还有个概率的问题。即这些重核在衰变的过程中发生自发裂变的概率是非常低的，比如上图所示，为部分重核在衰变过程中的自发裂变概率。因此，为了保证自发裂变的中子能够轰击到下一个重核，进而保证链式反应的顺利发生，对核材料中铀-235或者钚-239的丰度就有很严格的要求，所以武器级的浓缩铀都需要不断地提纯，尽可能让它里面的铀-235或者钚-239纯度更高，把铀-238这样的杂质给去除？为什么？因为铀-238在高能中子的轰击下虽然也可以发生裂变，但是却不会发生链式反应。同时，铀-238和钚-239之间的自发裂变率也不同，前者的自发裂变率要比后者高16倍，自发裂变率的不同，也导致了这两种材料制造的原子弹在构型上也不一样，比如“枪式”结构的原子弹是只能使用铀-235来当核材料的，为什么？因为“枪式”结构中的两块核材料紧密接触的时间很短，大概不到1毫秒，所以，为了保证核反应的顺利发生以及考虑到核材料的利用率，就需要使用铀-235这种自发裂变率更高的核原料。下图为枪式原子弹结构简图：
“枪式”结构原子弹
而原子弹除了“枪式”结构之外，还有一种常用的构型就是“内爆式”，“内爆式”结构对核原料的要求并没有那么严格，不管是使用铀-235还是使用钚-239，都能够采取“内爆式”结构，同时“内爆式”结构的原子弹还有一个特点就是对核原料的利用率要比“枪式”结构更高，所以，除了早期的原子弹之外，后面到现在的原子弹使用的基本上都是“内爆式”结构。当然了，当使用钚-239为原材料时，因为考虑到了钚-239的自发裂变率要相对更低，所以，通常都会在钚核的中心加一个中子源，比如下图所示，就是一个“内爆式”结构的原子弹简图：
“内爆式”结构原子弹
原子弹部分说完，继续来看氢弹，来看看给氢弹提供反应能量的途径是什么？其实相关的知识我在以前的一篇文章中已经详细写过了，在这里就再给大家大概提一下。氢弹的原材料是氢的同位素氘和氚，而氘、氚聚变时所需要的能量就是极高的温度（上亿摄氏度），那么这个极高的温度的作用是什么呢？就是让氢原子核里面的质子和中子获得足够的能量而脱离束缚，在开头几段有提到，一个氢原子核的总质量=一个质子质量 一个中子质量 束缚的能量，然后我们可以把这个束缚的能量理解成是一个“坑”，即质子和中子在这个坑里面运动，但是出不去，想要出去就只有给它们足够的能量，然后它们才能够脱离这个坑的束缚，而这个极高的温度就给了这些粒子足够的能量，让它们运动的更加剧烈，从而脱离“坑”的束缚。因此，这个就是为什么起爆氢弹需要极高的温度的原因所在。
两级内爆式氢弹（T-U结构）
然后我以前也有提过，如果想要相对不那么高的温度去引发核聚变的话，那么就要相应地提高反应的压力，而这个需要的压力也是非常大的，大到什么程度呢？恒星中心的那种压力级别。因此，为什么今天的氢弹都要用到一颗微型原子弹来起爆，就是因为只有原子弹爆炸时产生的高温高压环境才能满足给氘氚聚变点火的要求，除此之外，其他任何的常规手段都做不到，虽然利用高能激光可以做到给热核聚变点火，但是想要武器化的话，凭借今天的科技水平还远远做不到。上图为一个两级内爆式热核武器，其中上面的初级结构就是一个小型裂变装置（原子弹）。说到这里，有关核武器的原理、核能的来源、核反应中的质量亏损等相关核物理知识基本上就已经大概介绍了一遍了。
