二次世界大戰期間，科學界全力配合戰局的發展投入核武器的研發，揭開核武競賽的序幕。1945 年原子彈在廣島、長崎上空爆炸，終結了數十萬人命，堪稱歷史上最大的一次人為浩劫。距大戰結束已屆 61 年的今日，回顧這場核武發展的歷史過程，帶給人類無限的省思與啟示，也留下無盡的爭議。本文依原子核的基本認識、原子彈的原理及研發經過等3方面，介紹原子彈發展的始末。原子核的基本認識
原子是由原子核及核外電子所組成，而原子核又由質子與中子所組成。質子與中子統稱核子，質子帶正電，中子則不帶電，一個原子的原子核內質子的數目和核外電子的數目相等，這數目稱為這原子的原子序。因為核外電子的結構決定元素的化學性質，所以原子序決定它是哪一種元素，以及在化學周期表上的位置。
原子核中質子與中子的總數稱為質量數。原子核的符號是在元素符號的左下角註明原子序，在右上角註明質量數，如92Ｕ235代表質量數是 235 的鈾原子核。若兩原子的原子序相同，但質量數不同（原子核內所含的中子數目不等）時，我們稱這兩種原子為同位素。同位素的化學性質相同，位於周期表上的同一位置，若僅用化學方法是難以把同位素分離開的。
原子核內的質子都帶正電，為什麼這些質子集中在非常小的空間內，卻不會因電的排斥力而分散？其原因是，原子核內任何兩個核子之間，當距離小於原子核的半徑（約 10?15 公尺）時，尚有另一種稱為核力的相互吸引力。核力是一種非常強大的短程作用力，相吸的核力遠較相斥的電力為強，使質子和中子能聚集成穩定的原子核。由於核子間的核力遠大於核外電子之間的電磁力，因此核反應所釋放的核能，就比一般化學反應所釋出的化學能大上數百萬倍，核能的威力實在大得驚人。
自然界有些元素的原子核結構天生就不穩定，會自發性地放射出微小的 α 或 β 質點，而蛻變成另一種元素，或者放射出 γ 輻射線。α、β 或 γ 射線對生物都具殺傷力。
我們也可用人工方法，以微小而快速的粒子為射彈，去撞擊原子核，使它因為受到刺激而轉變成另一種原子核，這種方法稱為「人工蛻變」。例如西元 1919 年拉塞福（Ernest Rutherford, 1871-1937，1908 年諾貝爾化學獎得主，被稱為近代物理之父或核子物理之父）首次以 α 粒子撞擊氮原子，而產生質子及氧原子核。所有自然蛻變與人工蛻變統稱為原子核反應，任何一種核反應前後，原子序總合不變，質量數的總合也不變。利用核反應可把某一元素轉變為另一元素，雖然人類「點石成金」的夢想還未能實現，但在努力的方向上已露出曙光。
核分裂與連鎖反應
在核反應中有一類反應受到科學家極大的重視，稱為核分裂。1930 年代初期，義大利物理學家安瑞可．費米（Enrico Fermi, 1901-1954）首次發現一個鈾原子核受中子撞擊後，會分裂成兩個大小相差不多的原子核，他也因為這項發現而於 1938 年獲頒諾貝爾獎。西元 1939 年，德國科學家哈恩（Otto Hahn）以中子撞擊鈾 235（U235）原子核，發現它不僅會分裂，同時還會產生 2 ~ 3 個中子。
關於 U235 的核分裂反應有兩項重要發現，其中之一是原子核分裂時，會放出巨大的能量，這能量源自核分裂後的總質量小於分裂前的總質量，這些減少的質量便轉化為能量釋放出來。這一事實與愛因斯坦所提出的相對論中，質量與能量是可相互轉換的道理相呼應。質能互換的公式是：E = mc2式中 E 是能量，m 是質量，c 是光的速度。按這公式計算，一公克質量的減少可產生的能量是 9 × 1013 焦耳，相當於燃燒三百萬公斤煤所放出來的熱，也相當於二千五百萬度的電能，這電能足以供給三千五百用戶一年內的電力需求。經測量，一個鈾 235 原子的核分裂反應所放出的能量是 3.2 × 10?11 焦耳，依此估算，若一莫耳的鈾原子（6 × 1023 個鈾原子共 235 公克）都分裂時，可得到 1.93 × 1013 焦耳能量，這能量相當於四、五千噸黃色炸藥爆炸的威力。
若比較核分裂與燃燒反應，更能體會核分裂所產生的驚人威力。以甲烷為主要成分的天然氣燃燒為例，燃燒一莫耳的甲烷僅可產生 213 千卡的熱能，約 9 × 105 焦耳，而一莫耳的鈾原子分裂所產生的能量是它的千萬倍。
另一重要發現是一個鈾 235 的原子核受中子撞擊而分裂後，會產生 2 ~ 3 個中子。在一塊鈾材料中，如果能使第一梯次分裂出來的中子再撞擊其他鈾原子核，引發第二梯次核分裂，便可產生更多的中子，又可利用這些中子再引發另一梯次更多的核分裂。如此下去，則每梯次核分裂的規模就呈指數函數增加，可持續到所有鈾 235 耗盡為止，我們稱這一系列連續性的反應為連鎖反應。
連鎖反應蔓延的速度非常快，一塊幾公斤的鈾原料在百萬分之一秒內便可反應殆盡，瞬間產生數百萬度的高溫與高達數十萬個大氣壓的壓力，其威力形同一場毀滅性的爆炸。
核料製造武器的條件
要把鈾 235 的核分裂連鎖反應應用到武器的製造上，有兩項基本的條件必須滿足。第一個條件是須採用高純度鈾 235 為核燃料，純度越高，則每梯次核分裂所產生的中子越不會被雜質吸收，中子撞擊到鈾 235 的機會便越大，就可產生蔓延較快的連鎖反應。
另一個重要的條件是所用鈾料的量必須大於臨界質量，如果小於臨界質量，鈾料的體積不夠大，則中子在其行進路徑上，尚未撞到任何鈾 235 原子核之前就已逸出鈾料的邊界之外，而沒有足夠數量的中子可引發連鎖反應，每梯次核分裂所產生的中子數會逐漸減少，分裂反應的次數也跟著逐漸降低，終至「熄火」。若鈾料大於臨界質量，則每梯次核反應的次數會逐次增加，連鎖反應便可發生。
1942 年費米在芝加哥大學組成一研究團隊，這個團隊深信把足夠的鈾放在一起，並控制在適當的條件下，應該可以產生持續不斷的核分裂反應。於是他們利用芝加哥大學斯特格體育場西側看台下的手球場，設計與安裝了一座核反應爐，經過無數次的實驗，在 1942 年 12 月 2 日，核反應爐終於持續了 28 分鐘的連鎖核反應。這是一項劃時代的實驗，它的成功象徵核能時代的來臨。
原子彈核料的提煉
製造原子彈的最大難題在於核料的取得，已知可以產生連鎖核分裂反應的核料有鈾 235 與鈽 239 等元素。就鈾235的取得而言，令人洩氣的是，在自然界的鈾礦中，只有 0.7％ 是鈾 235，其餘是鈾 238。由於鈾 238 只會吸收中子而不會造成核分裂，因此鈾 238 的存在有礙鈾 235 連鎖反應的進行。若要使大規模核分裂發生，必須自鈾礦提煉出高純度的鈾 235。
以核能發電廠所需的鈾燃料為例，鈾 235 的濃度須提高到 3 ~ 5％，至於原子彈所需的核料，鈾 235 的濃度更須提高到 90％ 以上。兩者對濃度的要求之所以有如此大的差距，是因為原子彈是要把能量瞬間釋放出來，以造成巨大的破壞力。而核能發電廠的要求是讓能量在掌握下，以穩定的速率緩慢釋放，才能配合用戶的需求。因為兩者的要求不同，所需的純度也就不同。
要從天然的鈾礦把鈾 235 的純度提高到 90％ 以上，可是個極為困難的挑戰。因為鈾 235 與鈾 238 都屬同一種元素，兩者化學性質完全相同，因此無法以化學方法加以分開。欲大量提煉只得靠兩同位素在質量上的差異，利用物理的方法來分開鈾 235 與 238。
常用的分離過程是先使鈾礦與氟反應，生成氣態的六氟化鈾（UF6），再利用這兩種同位素的 UF6 氣體因質量不同所導致的擴散速率差異，把氣態六氟化鈾區隔成鈾 235 含量較多與較少的兩部分。分別取出純度不同的這兩部分後，再就每一部分進行另一回合的擴散區隔，如此經歷非常多次的擴散步驟，才能提煉出 90％ 以上高純度的鈾 235。
利用氣體擴散以區隔同位素的方法，使提煉鈾 235 的進度極緩慢且價格昂貴。曼哈頓計畫曾在田納西州橡樹嶺設立了分離 U235 的氣體擴散工廠，這工廠在二次大戰期間僅生產了約 50 公斤的 U235，只夠一枚原子彈所需。後來這顆原子彈就直接投入戰場，連事先應該做的核子試爆都因苦無核料而作罷。
就鈽 239 的取得而言，雖然鈽 239 不存在於自然界，卻可在核反應器中利用鈾 238 為原料，經過一系列核反應後生產出來。因此鈽 239 是一種人造的元素，它的半衰期是二萬四千年，非常穩定，但當鈽吸收一中子後，就會發生核分裂並釋出中子，與鈾 235 的核分裂反應非常類似。
核反應爐所用的原料中含有大量的鈾 238，因此核能電廠的反應爐是製造鈽 239 的最佳場所。又由於鈽與鈾是完全不同的兩種元素，化學性質迥然不同，因此從核反應爐的燃料中取得鈽就比較簡單，只要利用化學方法便可把鈽從鈾中分離出來，其困難度遠低於自鈾 238 中分離出鈾 235。二次大戰末期在華盛頓州亨佛所興建的核反應爐，就是專為生產鈽 239 而建造的。曼哈頓計畫所製造的三顆原子彈中，兩顆以鈽 239 為核料，另一顆以鈾 235 為核料。
原子彈的構造
原子彈含核料、中子源、炸藥、起炸裝置和彈殼等5部分。原子彈設計的最大關鍵是，在備用狀態時炸彈內的核料不能比臨界質量大，必須化整為零，分散成數塊安置在彈殼中。當要它爆炸時，再化零為整把這些分散的數塊合併成一塊大於臨界質量的整體。
鈾原子彈內有大、小各一塊的鈾核料，其中任何一塊都小於臨界質量。較小的一塊鈾做成圓柱體，內部裝有中子源，較大的一塊做成圓球體，但沿其中心線挖空一圓柱，這個空缺的尺寸剛剛好可讓較小的一塊鈾塞入以構成一實心圓球，若兩者合成一圓球，核料的質量就會大於臨界質量。欲引爆原子彈時，以化學炸藥的爆炸力把鈾圓柱射入鈾球，二者瞬間結合成實心球體，其質量達到臨界質量，在中子的澆淋下，便引發連鎖核分裂反應。反應可在不到幾分之一秒的瞬間內完成，產生巨大的爆炸，同時釋放出大量的光、熱與輻射。
鈽原子彈的中央有一球狀的鈽核料，內部含中子源，鈽的四周裝置化學炸藥。引爆時，化學炸藥爆炸所產生的巨大內向壓力，可向內壓擠鈽，使鈽達到臨界質量以上，連鎖核分裂反應於是產生，瞬間產生威力極為猛烈的爆炸。
原子彈問世的經過
原子彈研發時正逢第二次世界大戰，戰爭萌生了製造原子彈的念頭，原子彈的問世左右了戰局，兩者交互影響，交織在同一套歷史脈絡中。在這一歷史的足跡中，我們可以看到核能與核武研究快速成長的來龍去脈。原子彈問世經過的大事年表如下。
1932 年英國物理學家查兌克（James Chadwich, l891-1974，1935 年諾貝爾物理學獎得主）發現中子。由於中子不帶電，不受原子核所帶正電的排斥，可輕易擊破原子核。中子被發現後，立刻成為原子核研究的最佳利器。
1934 年費米以中子為射彈，撞擊許多元素，當他以中子撞擊鈾時，赫然發現其反應方式與當時熟知的核蛻變迥然不同。
1938 年居禮夫人重複中子撞擊鈾的實驗，她認為得到的裂片可能是原子序 57 的元素，提出鈾 235 所進行的反應是分裂式的看法。
1939 年德國政府下令禁止捷克斯拉夫出售鈾原料，並暗中開始進行核武器的研發，這一舉動引發居留美國的科學家對德軍的戒心。
1939 年 10 月，愛因斯坦上書羅斯福總統，提出納粹德國企圖研發原子彈的警告，呼籲政府應密切重視當時科學界核分裂研究的進展，並應編列經費支援核分裂的研究，勿讓德國搶先。但並未立刻獲得政府的重視，官方的回應只是開了一次會並提交一份委員會報告，便告結案。
1940 年科學家發現以中子撞擊鈾 238，鈾 238獲得一中子後會再經歷一系列的核反應，產生人造元素鈽。
1941 年科學家實驗發現鈽原子受中子撞擊後會分裂並再釋出中子，其行為類似鈾 235 的核分裂反應。
1941 年 10 月，科學界終於說服羅斯福總統採信以核分裂製造武器的可行性，撥發巨款投入製造原子彈的研究工作。
1941 ~ 1943 年，哥倫比亞大學一批物理學家從事鈾的氣體擴散實驗研究。
1942 年 10 月，美國官方正式啟動核武發展計畫，投入 50 億美金的經費，成立曼哈頓計畫，由格洛夫斯將軍領軍，並挑選具領導長才的理論物理學家歐本海默擔任科學部門的主任，負責設計與建造核子武器。計畫團隊網羅了許多頂尖的科學家，諸如波爾、查兌克、傅瑞許、費米及費曼等一時之選。實驗室場址選在新墨西哥州沙漠裡的一處偏僻高地上，稱為洛薩拉摩斯實驗室，實驗室規模非常大，工作人員達數千人，計畫的分工很細，當時工作人員能知道計畫全貌的人寥寥無幾。
1942 年 12 月，芝加哥大學費米領導的研究團隊建造全球第一座核反應器，首次做出可自行持續的連鎖反應，這實驗的成功對美國研發原子彈注入一劑強心劑。
1943 年美國陸軍於田納西州橡樹嶺建造分離鈾 235 與鈾 238 的氣體擴散工廠，工廠規模宏大，單為了容納成千上萬個擴散器，建築物本身就長達 800 公尺、寬 200 多公尺。二戰期間，這工廠總共提煉了 50 公斤高濃度的鈾 235。
1945 年夏天，提煉出來的鈾 235 數量已達製造一顆鈾原子彈的需求量。
1945 年 5 月，提煉的鈽核料已夠製造一顆鈽核彈來進行臨界質量的核爆試驗。
1945 年 5 月 8 日，德軍投降。雖然德國的核武威脅宣告解除，但美國卻沒有因此而中止原子彈的研發。由於仍處於與日本的激烈作戰中，原子彈計畫照常進行。
1945 年 7 月 16 日，史上首次核彈試爆在美國新墨西哥州的沙漠試驗成功。這顆綽號「瘦子」的原子彈以鈽為核料，引爆後發出一道眩目閃光與一陣駭人的 10 億度高溫，一團巨大火球升上八千公尺高空，把沙漠燒成焦土，甚至連美國西部幾州都聽到巨大的爆炸聲響，其驚人的威力遠超出人們的想像，與二萬噸黃色炸藥相當。
1945 年 7 月 26 日，美、英、中三國聯合發表「波茨坦宣言」，勸日軍投降，日軍卻置之不理，杜魯門便下令對日本使用原子彈。
1945 年 8 月 2 日，廣島被美軍選定為原子彈襲擊的目標，這項決定是基於兩項考量。第一、美軍想了解原子彈爆炸所造成的殺傷力，當時廣島是未曾受到美軍傳統炸彈轟炸的少數城市之一，因此若以原子彈襲擊廣島，原子彈的威力能明確地測量出來。第二、廣島是日本的重要港口與軍事司令部，是戰略目標。
1945 年 8 月 5 日，美軍伊諾拉‧蓋 B29 重型轟炸機完成原子彈的裝載作業。這顆原子彈綽號叫「小男孩」，由鈾 235 做成，整顆炸彈總重四萬四千公斤。這顆鈾彈威力與一萬二千噸的黃色炸藥相當，或相當於四萬四千顆傳統炸彈同時爆炸的威力。
1945 年 8 月 6 日上午 9 點，伊諾拉‧蓋轟炸機飛抵日本廣島，在上空六英里處投下「小男孩」原子彈，43 秒後原子彈在 450 公尺高度的上空爆炸，立刻造成一團巨大高溫火球與滾滾蕈狀塵霧。火球亮度比太陽高 10 倍以上，蕈狀雲向空中捲起約一萬三千公尺，位於火球正下方戶外的民眾瞬間被蒸發，連遺骸都看不見，方圓一公里內的居民完全被燒死。
爆炸同時引發衝擊波向四面八方傳開，衝擊波所經過的地方，建築物全被震毀，方圓5公里的範圍內幾被夷為廢墟，又一次造成人員更大的傷亡。接著爆炸所產生含高輻射的蕈狀雲，擴散開來形成黑雨，輻射塵隨雨降下污染人體，又使倖存者後遺症不斷，受害者層面更加擴大。原來人口有 40 萬的廣島，爆炸立即造成 14 萬人死亡，並有 14 萬人受傷，其後五年內死亡人數持續增加到 20 萬，占原有人口總數的一半。原子彈襲擊後的廣島，淪為人間煉獄。
1945 年 8 月 7 日，日本高層全面封鎖廣島遭原子彈襲擊的消息，以避免動搖人心。
1945 年 8 月 9 日，鈽原子彈綽號「胖子」襲擊日本長崎，炸彈威力相當於二萬二千噸黃色炸藥。當時長崎居民有 28 萬人，當場死亡居民達七萬人，另有七萬人在五年內相繼身亡。這次爆炸毀了長崎一半的人口，至此日本已無力再戰。
1945 年 8 月 14 日，日皇宣告無條件投降，二顆炸彈終於結束了第二次世界大戰。
核武時代的降臨
原子彈可瞬間摧毀整座城市並結束數十萬條人命，其存在對全體人類構成巨大的威脅。二次大戰結束後，原子彈所引發的悲情，理應喚醒全人類不要再擴充自我毀滅性的軍備，但沒想到戰後以美國與蘇聯為首的兩大勢力，彼此叫陣與對抗的局勢節節升高，使全球又陷入冷戰。非戰非和亦戰亦和的詭譎局勢，使各國爭先恐後發展核武並擁核自重，全球便如火如荼再度上演一場核武競賽秀。
首先蘇俄步美國後塵，在原子彈的製造研究上急起直追，1949 年成功造出原子彈。美國為了保有核武的領先優勢，更進一步研發核融合技術以製造威力更大的氫彈，1952 年美國第一顆氫彈試爆成功。1953 年英國傳出製造出原子彈的消息。這期間蘇聯在軍備的競賽上也不遺餘力，1953 年隨即製造出氫彈。法國在1960 年自製原子彈成功，奪得擁有核武國家的第四名。到了 1964 年，中國試爆第一顆原子彈成功，搶得核武競賽的第五名，之後又有幾個國家陸續加入擁有核武器的俱樂部。
在冷戰期間，敵對的兩大陣營所擁有的核武器數量，已足夠摧毀整個地球，核武擴散的嚴重性已對全人類構成莫大的威脅，使全球籠罩在可怕的核戰陰影中。根據 70 年代可靠資料，美、蘇等國核武器庫存量的 1/80，就足以毀滅全體人類。
另一方面在發電等和平用途上，核能是極具潛力的能源。戰後各國紛紛設立核能電廠，在原油日益枯竭但需求量日漸增加的今天，核能似乎已是人們無法拒絕的能源。
科技的發展應為人類帶來福祉與進步，但若誤入歧途做不當的使用，卻可帶向毀滅，人類應拿出智慧與理性做有利的抉擇。距二次大戰結束已達 61 年的今天，人類應牢記戰禍的教訓，認清互助和平共存才是永續生存之道。