Koncept kvantové fyziky kritické hmotnosti

V subatomové říši ovládané pravidly kvantové mechaniky poskytuje proces nazývaný štěpení základní zdroj energie pro atomové bomby i jaderné reaktory. To, co odděluje tyto dva nesmírně odlišné výsledky - jeden násilný a druhý kontrolovaný - je koncept kritického hmota, imaginární dělicí čára, která určuje, zda je jaderná reakce pomalá a prodloužená nebo rychlá a krátkodobý.

Atomy nestabilních prvků, jako je uran a plutonium, se rozpadnou na páry lehčích prvků, když podstoupí radioaktivní rozpad, proces zvaný štěpení. Například uran-235 se může rozdělit na krypton-89 a barium-144, štěpení, které také emituje dva zbylé neutrony. Lehčí prvky mohou být také nestabilní, pokračující jako řetězec radioaktivního rozpadu, který může zahrnovat tucet nebo více prvků a dokončení trvá miliony let.

Když absorbuje zbloudilý neutron, jádro uranu se rozdělí na dva lehčí prvky; neutron destabilizuje jádro, což zvyšuje pravděpodobnost jeho štěpení. Protože štěpení produkuje volné neutrony, mohou zasáhnout sousední atomy, což způsobí, že se také rozdělí, což vytvoří řetězovou reakci štěpných událostí. Jelikož jaderné reakce mají kvantově mechanickou povahu, jsou ovládány pravděpodobnostmi a náhodou. Když je méně pravděpodobné, že dojde k řetězovým reakcím, vymřou, protože stále méně neutronů spouští postupné štěpení. Pokud okolnosti upřednostňují řetězové reakce, štěpení pokračují stabilním způsobem. A když jsou štěpení velmi pravděpodobná, řetězové reakce se zrychlí, rozdělí rychle rostoucí počet atomů a uvolní jejich energii.

Pravděpodobnost štěpení a řetězových reakcí částečně závisí na hmotnosti použitého radioaktivního materiálu. V bodě zvaném kritické množství jsou řetězové reakce do značné míry soběstačné, ale nezvyšují se. Každý radioaktivní prvek má specifické kritické množství pro sféru látky; například kritické množství uranu 235 je 56 kg, zatímco je zapotřebí pouze 11 kg plutonia 239. Vědci, kteří udržují zásoby radioaktivních materiálů, je ukládají takovým způsobem, aby se tato množství nikdy nevyskytovala ve stejné obecné blízkosti; jinak by mohly způsobit prudké výbuchy smrtelného záření.

U sférického tvaru radioaktivní látky zvětšování hmotnosti zvyšuje počet neutronů vydávaných v daném okamžiku a pravděpodobnost, že štěpení povede k řetězovým reakcím. Množství menší než kritické množství radioaktivního prvku mají řetězové reakce, ale je pravděpodobnější, že vymřou, než budou pokračovat. Kromě kritického množství se zvyšuje rychlost štěpení, což vede k nebezpečné situaci mimo kontrolu. Jaderné elektrárny používají podkritická množství radioaktivních prvků - dost na výrobu velkorysého množství energie, ale které z bezpečnostních důvodů nikdy nemohou vést k jadernému výbuchu. Atomové bomby naproti tomu používají množství materiálů mnohem blíže kritickému množství. Atomová bomba zůstává podkritická, dokud není spuštěna výbuchem neutronů a stlačena výbuchem konvenčních výbušnin. Výbušniny způsobují, že se materiál stává na okamžik nadkritickým; řetězové reakce se vymknou kontrole za několik miliónů vteřin a uvolní energetický ekvivalent desítek tisíc tun TNT.