Концепцията за квантовата физика на критичната маса

В субатомната област, управлявана от правилата на квантовата механика, процес, наречен делене, осигурява основния източник на енергия както за атомни бомби, така и за ядрени реактори. Това, което разделя тези два изключително различни резултата - единият насилствен, а другият контролиран - е концепцията за критичен маса, въображаема разделителна линия, която определя дали ядрената реакция е бавна и продължителна или бърза и краткотраен.

Атомите на нестабилни елементи като уран и плутоний се разделят на двойки по-леки елементи, когато претърпят радиоактивен разпад, процес, наречен делене. Например, уран-235 може да се раздели на криптон-89 и барий-144, делене, което също излъчва два остатъка от неутрони. По-леките елементи също могат да бъдат нестабилни, продължавайки като радиоактивна верига на разпадане, която може да включва дузина или повече елементи и да отнеме милиони години.

Ядрото на урана се разделя на два по-леки елемента, когато поглъща разсеяния неутрон; неутронът дестабилизира ядрото, което го прави по-вероятно да се подложи на делене. Тъй като деленето произвежда свободни неутрони, те могат да ударят съседни атоми, което ги кара да се разделят, създавайки верижна реакция на ядрени процеси. Тъй като ядрените реакции имат квантовомеханичен характер, те се управляват от вероятностите и случайността. Когато е по-малко вероятно да се появят верижни реакции, те отмират, тъй като все по-малко неутрони предизвикват последователни разцепвания. Когато обстоятелствата благоприятстват верижните реакции, цепенията продължават по стабилен начин. И когато деленията са много вероятни, верижните реакции се ускоряват, разделяйки бързо нарастващия брой атоми и освобождавайки енергията им.

Вероятността от цепене и верижни реакции зависи отчасти от масата на участващия радиоактивен материал. В точка, наречена критична маса, верижните реакции са до голяма степен самоподдържащи се, но не се увеличават. Всеки радиоактивен елемент има специфична критична маса за сфера от веществото; например, критичната маса на уран-235 е 56 кг, докато са необходими само 11 кг плутоний-239. Учените, които поддържат запаси от радиоактивни материали, ги съхраняват по такъв начин, че тези количества никога да не се срещат в една и съща обща близост; в противен случай те могат да предизвикат силни изблици на смъртоносна радиация.

За сферична форма на радиоактивно вещество увеличаването на масата увеличава броя на отделените в даден момент неутрони и вероятността цепенето да доведе до верижни реакции. Количества, по-малки от критичната маса на радиоактивен елемент, имат верижни реакции, но е по-вероятно да изчезнат, отколкото да продължат. Извън критичната маса, степента на цепене се увеличава, което води до опасна ситуация извън контрол. Ядрените централи използват подкритични количества радиоактивни елементи - достатъчно, за да произведат щедро количество енергия, но което от съображения за безопасност никога не може да доведе до ядрена експлозия. Атомните бомби, за разлика от тях, използват количество материали, много по-близо до критичната маса. Атомната бомба остава подкритична, докато не се задейства с взрив от неутрони и изстиска от взрив на конвенционални експлозиви. Експлозивите карат материала да стане за момент свръхкритичен; верижните реакции излизат извън контрол за няколко милионни от секундата, освобождавайки енергийния еквивалент на десетки хиляди тона TNT.