爆炸的人工选择

2 爆炸的人工选择

爆炸于我们来说，既熟悉又陌生，从绚丽的烟火，到威力巨大的核爆炸、中子流，以及违禁的白磷弹，这些到底给人类带来了什么？

武器，最主要的作用就是消灭敌人的有生力量，或者摧毁敌人的重要建筑设施。无论是古代的刀枪剑戟、斧钺钩叉，还是现代的枪械，它们的效率都极其有限，只针对个体进行作用，且无法对敌方的建筑设施产生影响。所以，人们就开始寻找更高效率的武器装备。

于是，人们发现了爆炸。

熟悉而又陌生

爆炸过程其实我们十分熟悉。小朋友们肯定很喜欢放鞭炮，当我们把鞭炮点燃，一个个红色炮体就会瞬间爆破，并且发出巨大的声响，这个过程其实就是爆炸。中国古人十分看重爆炸过程，认为声声爆竹可以驱魔，辟邪，消灾，将过去一年的晦气全部赶走，爆竹拥有着美好的寓意。但是，爆炸过程其实较为复杂，我们对它既熟悉又陌生。

爆炸发生时，最核心的就是气体在短时间内出现体积的急剧膨胀，气体膨胀过程中会产生剧烈震动和相互摩擦，于是就发出了声音，这就是爆炸的基本过程。

在我们的脑海里，爆炸往往和燃烧相关，这是由于燃烧的过程也往往会释放出热量和气体。例如鞭炮，其中引发爆炸的物质被称为火药，火药的主要成分为硫黄（S）、木炭（C）和硝酸钾（KNO₃），整体呈现黑色粉状。火药被点燃时，就会发生剧烈的氧化还原反应并伴随产生氮气（N₂）和二氧化碳（CO₂）（2KNO₃+S+3C=K₂S+N₂↑+3CO₂↑），这些气体在炮体内被加热，从而使压力急剧上升，最终引发爆炸。

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中国引领全人类走入火器时代

火药是中国人最先发明的，并与造纸术、印刷术、指南针合称“中国古代四大发明”。早在唐代的炼丹著作《太上圣祖金丹秘诀》中，就有了早期火药配方的书面记载。硝酸钾、硫黄、木炭按照一定质量比例进行调配就能够得到性能最佳的火药。

使用火药的热兵器最先出现在宋朝，并随着蒙古军队在欧亚大陆的所向披靡而传入欧洲。没想到500年后，西方人拿着东方传入的“升级版”火器，炸开了古老东方的大门。

炸药之王

中国人发明的火药燃烧强度非常有限，甚至在开放空间点燃都无法实现爆炸。所以当火药传入欧洲之后，西方人就开始研究是否有爆炸威力更加强大的物质来代替火药。

他们发现，含有硝基（-NO₂）的物质往往具有极强的爆炸特性。为什么硝基化物质容易引起爆炸呢？关键就在于硝基的极强氧化性，当遇到燃烧、摩擦，甚至只有震动时，硝基就可能引发自身的氧化还原反应，反应过程中，硝基作为氧化基团，与分子中的碳元素、氢元素反应生成二氧化碳、一氧化碳、氮气、水蒸气等，短时间内释放大量的热量和气体，从而引发剧烈爆炸。

硝化纤维不便于使用，而硝化甘油又太容易发生爆炸，使得炸药的制造和使用都存在巨大安全风险，在不断改进的过程中，人们发现了到如今都依然在广泛使用的炸药——三硝基甲苯（TNT）。

TNT性质较为稳定，即使被枪击也不易爆炸，所以它的引爆通常需要使用雷管。TNT较为疏水，使得TNT可以存放多年也不用担心受潮。更重要的是，TNT的疏水性使得TNT可以实现在水中的爆炸。

TNT优异的综合性能使得它在第二次世界大战结束前，一直都是使用最广泛的炸药，被称为“炸药之王”。

在炸药的改进优化过程中，有一位瑞典科学家功不可没，他就是被称为“炸药大王”的阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔。诺贝尔首次实现了硝化甘油类炸药的安全生产和安全运输，并且成立公司实现了硝化甘油类炸药的市场化销售。1895年，在诺贝尔临终之际，他立下遗嘱将自己的大部分财产捐出作为基金，设立了诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖、文学奖以及和平奖5个奖项，奖励在上述领域内做出突出贡献的人。

衡量爆炸威力的标准

由于TNT炸药成了迄今为止最成熟、使用最为广泛的炸药，人们便将这种明星炸药作为衡量其他炸药爆炸过程中释放能量的标准。1公斤TNT炸药完全爆炸会释放出420万焦耳的热量，也就是1公斤TNT当量。

例如美军曾在战争中使用的非核炸弹——“炸弹之母”为11吨TNT当量；在“二战”中美国投放的两枚原子弹，“小男孩”铀原子弹为1.5万吨TNT当量，“胖子”钚原子弹为2万吨TNT当量。而人类有史以来，引爆过的所有种类的炸弹中威力最强大的炸弹，是苏联在1961年试爆的“沙皇氢弹”，它的爆炸威力达到惊人的6000万吨TNT当量，相当于大约4000枚“小男孩”原子弹同时爆炸。

炸弹的杀伤不仅是物理创伤

普通炸弹的毁伤效果主要来自两个方面：一个是爆炸过程空气快速膨胀而产生的冲击波，另一个是弹片毁伤。(https://www.daowen.com)

弹片毁伤是炸弹爆炸时散发的弹片对人体的杀伤，弹片进入身体后形成的“弹道伤”非常难愈合，在手术还不是很成熟的“二战”时期，很多伤员就是因为弹片难以取出，最终导致伤口感染而失去生命。但是弹片波及的范围极其有限，想要让炸弹的威力提升，就要借助冲击波的力量。

冲击波毁伤则是由空气压力升高导致的躯体受损。地球上的生命体都生活在1个大气压（1.01×10⁵Pa）的环境中，当气压升高时，生命体便无法适应，甚至丧命。冲击波就是利用了这一点。当爆炸发生时，爆炸点周围的空气受热急剧膨胀，产生很高的气压，这股高压空气会以波的形式向外传递。当冲击波造成的压力差达到0.5个大气压时就可以掀翻屋顶，造成人的耳膜破裂，内脏受伤；当压力差达到1个大气压时就可以造成房屋倒塌，人体因内脏破裂而死亡。

所以想要提升传统炸弹的毁伤范围，就一定要提升炸弹产生的冲击波的强度与传播范围。

将冲击波进行到底

既然弹片毁伤的范围极其有限，那么在炸弹设计的过程中干脆直接放弃这种方式，把所有的焦点都放在冲击波的提升上，这样就产生了一种可怕的武器——云爆弹。

云爆弹的设计原理其实非常简单。云爆弹中装有大量的易燃性液体，例如硝酸异丙酯。弹体被投掷后，内部装载的云爆剂会释放出来并且与空气快速混合形成爆炸性云雾。随后云雾被点燃，瞬间发生剧烈爆炸，温度高达2500℃的冲击火球以600km/h的速度快速膨胀，所过之处建筑被焚毁，人被高温灼烧，即使有人侥幸逃进掩体也会被强大冲击波夺去生命。

只对生命有破坏的中子流

当然，威力最大的炸弹一定是核弹，无论是利用核裂变反应而制造的原子弹，还是利用核聚变反应而制造的氢弹，它们爆炸时释放出的巨大冲击波都足以夷平一座城市。

但是在现代战争中，人类并不想造成这种巨大的摧毁效应，而是希望能够将敌人消灭的同时保留城市的原貌。这时就不能利用冲击波，而要找到一种合适的方法来对敌人的有生力量进行“选择性消灭”。

人们发现，氢弹爆炸的时候除了会产生高温和冲击波以外，还会产生一种高能射线——中子流。中子流对于生物有着极强的杀伤力，但是对于建筑等设施却几乎没有毁伤。基于这种原理，人们希望将氢弹中核聚变释放的能量尽可能多地转变为中子流辐射出来，而不是转变为高温和冲击波。于是，中子弹就诞生了。

中子弹是一种超小型氢弹，从本质来讲依然是一种核武器。但是中子弹的TNT当量仅是千吨级别，这个当量只有“小男孩”的十五分之一，所以中子弹爆炸形成的冲击波的毁伤范围半径仅仅三四百米而已。但是，中子流射线的杀伤半径则可以达到几公里，并且中子流的穿透能力极强，即使人躲在房内或者掩体内也依然会受到足以致命的辐射。如果将中子弹丢在一个城市的中心上空，它可以让城市的大部分建筑不受损毁，但离爆炸中心几公里内的人会在未来一段时间陆续死亡。所以，中子弹是可怕的生命终结者。

伤害巨大的纵火恶魔

燃烧也是毁伤敌人的残酷手段。

作为磷单质（P），白磷是一种白色或浅黄色的半透明固体，呈蜡状，散发出恶臭的气味。白磷有剧毒，人只要误食0.1g就可以致死。当环境温度达到40℃时白磷就会发生自燃。为什么白磷在这么低的温度下就会燃烧起来呢？这与白磷的分子结构密切相关。

白磷分子是由4个磷原子组成的，晶体结构也呈现正四面体。大家听到这里有没有很熟悉的感觉？我们前面讲的金刚石、单晶硅，晶体结构也都是正四面体，但是白磷的却完全不同。金刚石正四面体含有5个碳原子，1个位于体心，另外4个位于顶点；白磷正四面体中只含有4个磷原子，均位于四个顶点，体心则没有磷原子。别小看了这小小的区别，它对物质的物理、化学性质产生了巨大的影响。

金刚石由于体心具有碳原子，所以顶点碳原子均与体心的碳原子形成化学键，相邻两个化学键的键角成109°28′，这个角度使得碳—碳化学键十分舒展，从而使得分子内应力小，非常稳定。而白磷分子没有体心磷原子，四个位于顶点的磷原子就要相互成键，这时磷—磷化学键的键角只有60°。60°的键角让白磷的化学键非常不舒展，分子内部存在很大的内应力，造成白磷分子稳定性下降。当环境温度达到40℃时，白磷分子的化学键就可以被氧气分子打断，从而发生燃烧，生成磷元素的氧化物。

既然白磷十分容易自燃，就制造出了一种在战争中相当令人讨厌的武器——白磷弹。当白磷弹爆炸时，大量白磷被抛撒出来并发生燃烧，白磷的燃烧产物是五氧化二磷粉尘，因而白磷弹可以作为烟幕弹使用。但如果在白磷弹体内加入一些黏稠剂，那么在弹体爆炸后，大量白磷颗粒就很容易沾到人体皮肤上进行燃烧并且难以及时去除。由于白磷燃烧温度很高，可以一直烧到骨头，对人的杀伤效果巨大。所以，白磷弹在1980年通过的《联合国常规武器公约》中被列为违禁武器，不允许在战争中对平民使用。

炸弹也可以不以毁伤人为目的

在军事上，利用炸弹来消灭敌人的有生力量只是炸弹的一个运用方面，还有一些炸弹可以提供战争功能性的帮助。

随着高科技武器投入现代战争，电力供应和电子设备的使用也越来越广泛而重要，也就是说，如果让对方的电力系统和电子设备瘫痪，就几乎可以不战而胜。我们在第一册《走进元素世界》讲过，石墨由于特殊的层状结构具有很好的导电性能，所以利用石墨颗粒就可以制作一种用途特殊的炸弹——石墨炸弹。当装有大量石墨的炮弹在发电厂或者电器设备附近爆炸时，由于石墨导电性能好，颗粒又细小，会立刻让电器设备或者发电厂设备发生短路，从而使其遭到破坏甚至发生爆炸。如果这些石墨颗粒足够小，可以在空中持续飘散不落地的话，就会在局部形成具有导电作用的石墨雾霾。这种雾霾对各种微波信号具有屏蔽作用，可以使局部地区瞬间进入电磁封锁状态，这就是武器电磁雾霾。

不战而屈人之兵

《孙子兵法》中说：“不战而屈人之兵，善之善者也。”也就是说，兵不血刃地取得战争的胜利，是最高级也是最人道的战争谋略。如果可以让敌人暂时失去战斗力，从而为我方争取攻击时间，在制伏敌方的同时不造成敌方的永久性伤害，这样便可以做到“不战而屈人之兵”。

如何才能够让敌人短暂地失去战斗力呢？比如暂时性失明和暂时性失聪。

小朋友们在初中的时候会接触到一个有趣的实验——镁条的燃烧。金属镁（Mg）燃烧时会放出刺眼夺目的白光。同样的道理，在炸弹中装满金属镁，使炸弹在爆炸瞬间就会放出炫目，甚至致人眩晕的强光。同时，高达180分贝的巨大爆炸声会使人短暂失去听力，这种特别的炸弹被称作闪光震撼弹。

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典礼上也不能缺少的“炮弹”

中国是世界上主要的礼花制造国，大型的庆祝仪式都少不了天空中绽放的多彩礼花。

礼花是由礼花弹在空中爆炸而产生的。礼花之所以可以展现不同的颜色，是由于不同礼花弹中所装载的火药所含有的金属元素不同。例如铷元素（Rb）和钾元素（K）燃烧时呈现紫色，钠元素（Na）呈现黄色，钛元素（Ti）呈现白色，钡元素（Ba）呈现黄绿色，锶元素（Sr）呈现洋红色等。

不同金属元素燃烧时呈现不同颜色的本质原因是电子结构的不同。当元素燃烧时，电子就会吸收能量从而实现电子跃迁。但是不同元素的电子，其跃迁的能级不同，不同的能级跨度所对应的能量也就不同，所以电子回归到基础能级时，就会释放出不同能量的光，也就会对应不同颜色的光了。

所以，礼花弹就是对含有不同种类金属元素的火药进行艺术化结构设计的最终产物。