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重磅登場!令人聞之色變的Little Boy原子彈——《跟著怪咖物理學家一起闖入核子實驗室》

聯經出版_96
・2019/01/14 ・1527字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

特殊槍管式構造:牽一「管」而動全身

要了解原子彈的構造,得從最單純的槍管式構造開始說起。

槍管式構造使用在史上第一顆實戰原子彈 Mk-1,代號:小男孩 Little Boy,也就是投在廣島的那顆原子彈。它準備了超過臨界質量的鈾 235 核心,並且將核心分成兩份。當兩份核心單獨分處於兩端時,兩端的質量分別都在臨界質量以下。直到起爆的時候,才一鼓作氣地將兩份核心合為一體,使質量超越臨界質量。

內部的砲管構造,兩端的核心分別配置。圖/聯經出版社提供

基於這種裝置辦法,它的內部採用類似砲管的構造,在砲管的兩端分別配置分割成兩份的核心。然後,在其中一份核心裝設使用一般炸藥(稱為推進劑)的起爆裝置,待推進劑爆炸,即可促使同一端的核心在砲管中朝反方向移動。

啟動物也是,分割成釙與鈹,分別裝設在兩份核心。在說明啟動物時曾提到,釙與鈹只要在空氣中相隔 4 公分以上,就能超越 α 射線的射程,啟動物也就不會啟動。

推進劑起爆,核心加啟動物那一端在砲管中往對向移動,核心的總量於是在合體的瞬間超越臨界質量,同時間,啟動物啟動,釋放中子,促成超臨界狀態──發生核爆。

欠缺失效安全模式,投彈前一刻才裝上起爆裝置

槍管式的優點是構造單純,不過也存在重大的問題。首先,

槍管式的核心只使用鈾製作。

至於不使用鈽的原因,請容我留待稍後說明。濃縮數十公斤的鈾異常艱辛,為了節省試驗消耗的鈾,這枚並未經過試驗,就被直接投入實戰。

槍管式的另一項重大問題是:

安全性。

如同前述說明,只要單方面的核心往管中央移動,就能引發核反應。不僅構造單純,就連啟動也簡單。一般而言,一失控就會造成慘重災情的機械或裝置,會被限定在所有條件都順利到位的情況才能啟動。換句話說,我們會希望,只要有任何一項非在意料之中的不適當情況出現,它就無法作動。這稱為失效安全(fail-safe)模式。然而,槍管式原子彈並不存在失效安全模式。

所以美國對廣島投彈的實況是:在缺乏起爆相關裝置的狀態下出擊,直到投彈前一刻才裝上起爆裝置。所以當時,能組裝起爆裝置的技術人員必須隨機待命。正因為它如此欠缺安全性,在處理上尤須謹慎。

小男孩的核心所使用的鈾 235 僅僅 50 kg,其中真正發生核分裂反應的量卻只有 1 kg。也就是說,費盡千辛萬苦濃縮精煉得來的鈾的絕大部分都沒有發生反應。而且其餘的鈾,也因為受到最初發生核分裂反應的部分爆炸之影響,而飛散至四處。

總而言之,小男孩的效率一點也稱不上好。

小男孩採用槍管式構造,體型細長。圖/聯經出版社提供

不容小覷的超級男孩:個頭小巧、威力無窮

儘管如此,小男孩的威力還是一般炸彈(化學反應型的炸彈)所無法比擬。小男孩的能量高達 60 TJ。一般而言,核武器的威力以「相當於幾公噸的 TNT 爆炸所產生的能量」的表現方法呈現。TNT(三硝基甲苯,俗稱黃色炸藥)為一般炸藥,它的爆炸能量定義為:每 t(公噸)4•184 GJ(十億焦耳)。小男孩的爆炸威力是 60 TJ,經過換算則相當於 15 kt 的 TNT。

核爆造成的蕈狀雲。圖/Wikipedia

換句話說,相當於引爆 15000 t 的 TNT。而 15000 t 又相當於重巡洋艦的重量。請各位想像一艘全部用火藥建造的重巡洋艦,這樣應該就不難想像它的威力—簡直誇張到荒謬的程度。而那麼龐大的威力,竟然只消一枚原子彈就能實現!只需要一架轟炸機,就能運載 15000 t 的爆炸當量。看在這樣的報酬率,當然是哪個國家都會拚了命地去開發原子彈吶。

 

 

 

本文摘自《跟著怪咖物理學家一起闖入核子實驗室》,2018 年 6 月,聯經出版。

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聯經出版公司創立於1974年5月4日,是一個綜合性的出版公司,為聯合報系關係企業之一。 三十多年來已經累積了近六千餘種圖書, 範圍包括人文、社會科學、科技以及小說、藝術、傳記、商業、工具書、保健、旅遊、兒童讀物等。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》