【深造物理】氫彈與原子彈的原理，兩種核武有甚麼分別？

如果你在新聞裡看到「核試」或「戰略威懾」，往往會同時聽到兩個名字：原子彈(A-bomb)與氫彈(H-bomb)。兩者都屬於核武器，但原理、結構、能量來源、威力規模與戰略用途都有本質差別。本文帶你一步步拆解：氫彈和核彈到底有甚麼分別？

兩種核能：裂變 vs 聚變

先用一個比喻：想像你有兩種「能量生意」。其一是把大公司拆賣—把巨無霸企業分拆出售，意外地更值錢；其二則是把幾間小店合併成連鎖品牌，規模效應令價值飆升。核能世界也有類似的兩條路：

• 核裂變(Fission)：把重元素(例如鈾U-235、鈈Pu-239)的原子核「劈開」，釋放能量與中子。這是原子彈的核心原理，也是今日核電廠運作的根基。
• 核聚變(Fusion)：把輕元素(通常是氫的同位素—氘Deuterium、氚Tritium)融合成較重的核(例如氦)，在極高溫高壓下釋放更龐大的能量。這是氫彈的核心，也是太陽發光發熱的機制。

關鍵差異在於能量密度與啟動條件：聚變單位質量能量更高，但需要極端高溫高壓「點火」；裂變容易啟動，但能量密度較低。這就帶到下一個問題：氫彈怎樣取得啟動聚變所需的超高溫高壓？

原子彈如何運作？兩種基本引爆設計

原子彈屬於「純裂變武器」。它的能量來自將可裂變材料(如U-235或Pu-239)在一瞬間達到臨界狀態(Criticality)，產生失控的鏈式反應(Chain reaction)。典型有兩種設計：

• 砲管式(Gun-type)：把兩塊次臨界的高濃縮鈾高速撞在一起，組成超臨界塊，觸發鏈式反應。廣島的「小男孩」採用此法。
• 內爆式(Implosion-type)：用炸藥對稱性地從外向內壓縮一顆鈈或高濃縮鈾核心，使之迅速變超臨界。長崎的「胖子」採用此設計。現代軍事上，內爆式更常見，因其效率高且可控性較佳。

內爆式的關鍵是「對稱、極速」的壓縮，像把一個海綿球瞬間壓得非常密。壓縮增加核子的密度與中子再吸收機率，令鏈式反應在微秒(microsecond)內狂飆，釋放巨大能量。

氫彈的兩段式設計：先裂變，後聚變

氫彈其實不是「只聚變」那麼簡單，它通常是「分段式」(Staged)武器。最經典的設計稱為泰勒–烏拉姆(Teller–Ulam)架構，概念上像兩級火箭：

• 第一級(Primary)：一顆小型的裂變彈頭(通常是內爆式)，其爆炸在極短時間內提供超高溫高壓與X射線輻射。
• 第二級(Secondary)：包含聚變燃料(如氘化鋰Lithium deuteride)與「點火」與壓縮機制。第一級的能量透過輻射傳輸(Radiation implosion)把第二級迅速壓縮並加熱，推入可點燃聚變的條件。

當第二級被壓縮到極高密度，再加上局部高溫，氘、氚發生聚變，釋出高能中子與大量能量。這些高能中子還能回頭「點燃」包覆在外的鈾/鈈外殼(所謂Tamper或推進層)，引發額外裂變，進一步放大爆炸當量。這就是為何氫彈的威力可以遠超原子彈。

能量來源與當量：為何氫彈通常更強？

衡量核爆威力常用「當量」(Yield)，以TNT當量為基準。歷史上：

• 原子彈：多在10–100千噸級(kilotons, kt)。例如廣島約15 kt。
• 氫彈：可達數百千噸至數千萬噸級(megatons, Mt)。有紀錄的最大試爆達數十Mt級。

差距源於聚變的能量密度與可「分段堆疊」的工程可擴展性。理論上，氫彈可透過多級設計(多段Secondary)進一步放大，但會受工程可行性、運載平台限制與軍事策略考量。

微觀層面：中子、臨界與點火條件

裂變靠「慢中子或快中子」誘發核分裂；聚變則需要「高溫高密度」令核克服庫倫斥力(Coulomb barrier)。

• 裂變鏈式反應：一顆可裂變核吸收中子後分裂，釋放出2–3顆新中子，若幾何設計與反射層(Reflector)配置得當，中子被有效「留住」，反應呈指數式倍增。
• 聚變點火：需達到「律遜條件」(Lawson criterion)的乘積n·T·τ(粒子密度n、溫度T、約束時間τ)足夠大。氫彈用第一級裂變產生的X光和衝擊波來「藉爆」(boost)第二級，瞬間達標。

特別一點：在某些設計裡，第一級裂變核心也會加入少量氚/氘做「助燃」(Boosted fission)，提高中子產額與效率，令整體更穩定可靠。

結構與材料：從核心、反射層到外殼

雖然每個國家與時代的設計有所不同，但抽象化後，常見元素如下：

• 可裂變核心(Fissile core)：U-235或Pu-239，幾何形狀與純度直接影響臨界與效率。
• 爆轟透鏡(Explosive lens)：高爆藥(highexplosive)組成的多層結構，把外層的爆炸波整形成「同心」內爆，像精密光學把散射光聚焦。
• 中子啟動器(Neutron initiator)：在最佳時刻釋出一批中子，提高鏈式反應啟動成功率。
• 反射層/推進層(Tamper/Reflector)：高密度材料(如鈹、鈾、鉛等)反射中子並延後核心膨脹，拉長反應時間、提升效率。
• 聚變燃料(Fusion fuel)：常採氘化鋰固體，於高溫中生產氚並參與聚變反應。

這些環節的協作需要極高工程精度，時間尺度常在奈秒(nanosecond)到微秒之間。

從威力到效應：爆風、熱輻射與電磁脈衝

不論裂變或聚變，核爆的破壞力主要來自三方面：

• 爆風(Blast)：瞬間高壓衝擊波，摧毀建築與基礎設施。
• 熱輻射(Thermal radiation)：可引發大範圍火災與燒傷。
• 電離輻射(Ionizing radiation)與放射性沉降(Fallout)：急性與長期健康風險。

氫彈因當量更高，爆風與熱效應的影響半徑通常更大；但是否造成更嚴重的放射性污染，取決於引爆高度與設計。高空引爆減少地表吸入，沉降較少；近地或地下引爆，會把土壤玻璃化、產生更多放射性塵埃。同時，核爆也可能產生電磁脈衝(EMP)，對未受保護的電子設備造成干擾或損壞，高空核爆尤為顯著。

戰略用途與投送平台的差異

核武器不是越大越好，還涉及投送平台(Delivery systems)與戰術/戰略目標：

• 原子彈(較小當量)：可用於戰術核武(Tactical nuclear weapons)概念，如戰場級打擊或對「硬目標」(Hardened targets)的精準攻擊。
• 氫彈(高當量)：多用於戰略威懾(Strategic deterrence)，裝載於洲際彈道飛彈(ICBM)、潛射彈道飛彈(SLBM)或遠程轟炸機。為降低附帶損害與提升靈活性，現代戰略彈頭常採「可變當量」(Dial-a-yield)設計，亦可能使用多目標分導重返載具(MIRV)分散威力。

因此，兩者差異不只在物理學，也在軍事運用與地緣政治上呈現不同定位。

常見迷思清

• 迷思1：「氫彈完全沒有放射性污染。」澄清：雖然聚變本身產生的長壽命放射性較少，但氫彈實作幾乎總伴隨裂變階段，且外殼可能被高能中子活化；引爆環境也會產生沉降。
• 迷思2：「聚變反應可以像瓦斯爐般隨時開關。」澄清：實際上點火條件極端，且是瞬時暴衝；工程上靠第一級裂變的極端條件才可觸發，談不上常規「開關」。
• 迷思3：「核爆只是大一點的炸彈。」澄清：核爆涉及高能中子、伽馬射線、EMP、放射化學等複雜效應，遠超常規炸藥的物理範疇。

核電、核融合能源與核武：不要混為一談

市面上也常把核電與核武混淆。核電廠主要利用可控的裂變反應堆(Reactor)把能量轉為蒸汽推動渦輪發電，安全設計的目標是「避免臨界暴衝」。核融合能源研究(如托卡馬克Tokamak、慣性約束慣性聚變ICF)則試圖用非爆炸的方式長時間維持聚變條件，以成為清潔能源來源。兩者都與武器化的「瞬時爆炸」機制完全不同。

以生活視角總結差異

面向	原子彈(A-bomb)	氫彈(H-bomb)
基本反應	裂變(Fission)	聚變(Fusion)為主，配合裂變驅動/增幅
點火方式	臨界質量 + 內爆/砲管式	以裂變第一級產生輻射內爆，壓縮並點燃第二級
典型當量	約10–100 kt	數百kt至多Mt，可多級擴展
工程關鍵	爆轟透鏡、臨界控制	輻射傳輸、二級壓縮、燃料配方與外殼耦合
放射性沉降	取決於設計與爆高	通常仍顯著，尤其近地引爆與外殼裂變貢獻
戰略用途	戰術/有限戰略	戰略威懾、可變當量、MIRV配置

歷史一瞥：為何從裂變走向聚變？

早期核武以裂變為主，已能造成巨大破壞；但軍事競逐下，追求更高當量、更小體積/重量比與更靈活的戰略投放，推動了聚變武器的技術突破。泰勒–烏拉姆構型的出現，使得「以裂變驅動聚變」成為現實，亦開啟了多級設計的可能，將威力與體積比提升到前所未見的水平。此後，核武設計更多著眼於可控性、可靠性、投送效率與降低非預期風險。

科學視角的啟示：極端條件下的物理

核武研究雖位於軍事領域，但其背後物理推動了高能密度物理(High energy density physics)、等離子體物理(Plasma physics)、高壓物性與輻射傳輸等基礎科學與計算方法的進展。這些知識也反饋於天體物理與能源科學：例如恆星內部的聚變、超新星的爆發動力學、甚至行星內部在高壓下的物性，都與這些物理相互關聯。

結語：理解不是為了複製，而是為了看清選擇

氫彈與原子彈的差別，核心在「能量機制與工程門檻」：原子彈靠裂變，較易引爆；氫彈以裂變驅動聚變，可把威力推向更高量級。從社會與政策角度，理解兩者的物理與影響，有助我們更理性地看待核威懾、軍備管制與核能發展。科學能揭示自然規律，也提醒我們，技術的方向取決於人類的選擇。把知識用於和平與福祉，是每一代人的共同課題。