2023年8月21日 星期一

《奧本海默》背後的科學探索:從原子論、原子彈到核融合的千年之旅

電影《奧本海默》上映,帶著大眾重新回顧催生原子彈的「曼哈頓計劃」。奧本海默(J. Robert Oppenheimer)雖然是催生原子彈的關鍵人物,但他的角色更像是在最後踢出關鍵的「臨門一腳」。在奧本海默出現之前,人類已經在物理學的領域探索了數千年。

從發現原子核的存在,到釋放其分裂的能量而開發出原子彈,中間不過經歷了短短35年而已。但在發現原子核之前,背後累積的科學卻是橫跨千年。這篇文章不只帶你回顧人類文明發展的歷程,看原子彈背後的關鍵技術,是怎麼一步一步被人類探索發明出來。

從現在回頭來看「原子彈」也不過是一個中繼站,這篇文章還要帶你看到在「曼哈頓計劃」之後,物理學如何繼續發展,走到「氫彈」又是不同的科學高度。

西元前400年,原子論被提出

要說原子彈,就不得不從原子說起。原子的概念最早在西元前400年左右由古希臘人——德謨克利特(Democritus,和達摩克利斯之劍——沒有關係)所提出。1803年時,英國科學家道耳吞(John Dalton)將原子的概念結合當時的化學新知,開始宣揚化學原子論,讓此論點慢慢為世人所接受。不過因為原子實在太小了,所以原子的存在一直無法被證實。這之後還要再過百年,到1908年科學家才能成功證明原子的存在。

1789年,鈾元素被化學家發現

俗話說得好「人的心是肉做的」,原子彈的芯是鈾做的,可以說鈾元素就是核子武器的根本。但要製作原子彈並不容易,首先要有大量的鈾礦,當鈾被提煉出來後,要再選擇:

  1. 透過離心或擴散方法,來濃縮提高鈾235同位素的純度,使其成為武器級鈾材。
  2. 用中子照射鈾將之轉換成鈽。

有了高濃度鈾或者鈽之後,才能夠用來做成原子彈。而鈾元素最早是在1789年由德國化學家——克拉普羅特(Klaproth)所發現,並且以剛被發現不久的天王星(Uranus)將之命名為Uranium。

在現代,鈾元素可以說是一切核子工業和核子武器的基礎,不過這時候人們對它的價值還完全沒有概念,其唯一應用是添加到玻璃裡面形成有漂亮黃綠色的鈾玻璃。在這之後要再過100年鈾元素才會因為其放射性成為重要的科學要角。