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問答:反物質炸彈為什么研究不出來?如果能研究出來大概需要多久

現在很多國家還沒有氫彈呢,反物質彈的設想其實還很遙遠。

要了解反物質彈那么咱們還是從基本的核武器開始談起吧。原子彈和氫彈為什么會釋放出那么大的能量,在核裂變與核聚變反應過程中是不是真的是一個質量換能量的反應。以及核武器為什么是大威力的武器,再往深處說核武器的威力到底有多大。


現在很多人認為,一個大威力的核武器是可以夷平一個國家的。但細究一下這個觀點其實是錯誤的。現在人類所能制出的一枚最大當量的核彈是蘇聯上世紀60年代引爆的沙皇炸彈,爆炸當量為5000萬噸TNT,如果這枚核彈可以夷平一個國家,那么現在的世界就早不存在了。

一枚沙皇炸彈如果在紐約爆炸,那么影響的范圍可以如圖所示:


是不是看起來很大的面積,在中央公園爆炸的沙皇炸彈,爆轟波是可以波及到半個長島的。然而放在整個的美國版圖上看,還依舊是九牛一毛。


確切的說沙皇炸彈的爆轟范圍是11300平方公里,和美國980萬平方公里的面積來對比大約就轟掉了0.114%當然了這是一個數學題。

說大其實并不大,畢竟得將近1000枚沙皇炸彈才可以轟平美國;說小也實在不小,僅僅重量27噸的沙皇炸彈,爆轟效果相當于5000萬噸TNT炸藥。整體重量能量比高達185萬倍。那么如此巨大的能量是哪里來的呢?

主要來自于質量的損失——在一個鈾-235原子吸收了一個中子以后會變成一個鈾-236原子,同時會釋放出6.4兆電子伏特的結合能。這個能量大于鈾-236的裂變勢壘。于是鈾-236原子內部的能量過大導致鈾-236快速的釋放出三個中子以及一個氪92原子和一個鋇141原子,同時釋放出2兆電子伏特的能量。


這樣說有點模糊,那么就以廣島核爆炸來說明問題:在廣島投下的小男孩原子彈中包含有62千克的鈾,在核爆炸的過程中大約有1千克的鈾參與了裂變反應,其中有不到1克的質量損失。那么我們可以帶入E=MC^2的質能轉化方程中計算一下。

先知道幾個量,

光速C=299792458米/秒

1千克的TNT爆炸能量為4184000焦耳

小男孩的質量損失為 0.001千克

這樣就可以計算得出

0.001 * 299792458 * 299792458 /4184000 /1000=21480噸TNT當量


所以4噸重的小男孩最終其實只有不到1克轉換為了純能量。

但要清楚的是質能方程的確是在核爆炸里面起到了關鍵租用。

同理,兩個氫原子組合成一個氦原子他們會損失0.030377u的質量,也就是說按照質能方程來說會放出28.30兆電子伏特的能量。

現在說反物質,反物質是由反粒子構成的物質,例如帶負電的質子或者帶正電的電子。


當帶有反電荷的質子與普通質子相撞的時候就會發生湮滅反應,由物質直接轉化為純能量。

這也就是說,一克的反物質就可以釋放出2枚廣島小男孩原子彈的威力,相當于4萬噸TNT炸藥爆炸的能量。這是一個威力極大的武器形式。

然而讓人感覺悲觀的是:

自從1955年諾貝爾物理學獎得主埃米利奧·塞格雷和歐文·張伯倫在加州大學透過粒子加速器反粒子后反質子就只能依靠強大的磁鐵隔離在真空中。否則反質子就會立刻和接觸到的質子結合發生湮滅反應。


因此當年的反質子從未離開過Bevatron 加速器(圖為埃米利奧·塞格雷和歐文·張伯倫)。而且制造反物質所需要驅動加速器的巨大能量費用也使得反質子的價格約為62.5萬億美元一克。

因此從效費比來說,當年10億美元投入的曼哈頓工程就已經可以生產出8枚原子彈了,而62.5萬億美元一克的反物質也僅僅能達到2枚原子彈(2.5億美元)的效果。這樣的買賣只有白癡才會想做。

除非,人類有更好的制造反物質和保存反物質的辦法。這樣才能讓反物質武器成為現實。


PS:W君新開設了一個小專欄,大家可以來捧場。

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