《横空出世》是一部讲述我国第一颗原子弹的电影,这部电影让我们感受到了激情澎湃的年代,也让我们热泪盈眶。在电影当中有一个片段让我们记忆深刻,一群科学家在一个简陋的办公室,用算盘飞快地计算着数据。都说原子弹是用算盘打出来的,那么这些科学家到底在计算着什么?
原子弹的基本原理
原子释放核能有两种方法:核裂变和核聚变,原子弹使用的就是核裂变。在核裂变中,通过中子轰击使一个较大的原子分裂成几个较小的原子,同时质量发生损失而转换成能量。
原子弹使用的主要材料是铀。铀在自然界中主要存在铀238和铀235两种同位素,其中铀235仅占0.7%。铀235是裂变的主要材料,当它受到中子的轰击时,它便会分裂成钡和氪并释放能量,同时释放出2~3个中子继续撞击其它铀235。在这样的往复循环之下,原子弹发生核链式反应,产生巨大的能量。
不过,铀238也会吸收中子,但是它并不会继续产生中子来撞击其它铀同位素。于是,铀238就会阻止链式反应的进行,因此要对铀原料进行提纯。一般来说,武器级的铀至少含有90%以上的铀235.
数据的计算虽然我们已经知道了原子弹的基本原理,但这对于制造原子弹来说仍然是不足的。我们还需要知道维持链式反应的临界质量,这与铀的丰度、半径、质量、起爆方式等都有关系。
这部分计算是非常难的,因为这些方程往往是一些多维偏微分方程。我们知道,偏微分方程在代数上是无法求解的,只能通过数值的方法进行计算。计算过程也非常复杂,他们必须通过矩阵利用递归方式求出近似解。为了得到更精确的解,叠加的精度必须足够小,但这也造成了工作量的增加,因为必须经过更多次数的循环才能收敛。
在没有现代计算机的情况下,执行上述计算是非常困难的。于是,许多科学家用算盘组成了一个人力计算机,每人负责一个点的计算,最终汇总起来就可以得到我们想要的结果。这也就是众多科学家聚在一起打算盘的原因。
如果说原子弹全靠算盘打出来,确实是有点以偏概全,因为当时我们已经有了计算机。这些计算机也是在科学家日以继夜的研究中制造出来的。但是,计算机的资源是有限的,在一些关键的计算上我们才用上计算机,而其它数据则用人力算盘给出解答。
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