Kriittisen massan kvanttifysiikan käsite

Kvanttimekaniikan sääntöjen mukaisessa subatomisessa valtakunnassa prosessi, jota kutsutaan fissioksi, tarjoaa perustavanlaatuisen energialähteen sekä atomipommille että ydinreaktoreille. Mikä erottaa nämä kaksi hyvin erilaista tulosta - toinen väkivaltainen, toinen hallittu - on kriittisen käsite massa, kuvitteellinen jakolinja, joka määrittää, onko ydinreaktio hidas ja pitkäaikainen vai nopea ja lyhytaikainen.

Epävakaiden alkuaineiden, kuten uraanin ja plutoniumin, atomit hajoavat kevyempien alkioiden pareiksi, kun ne läpikäyvät radioaktiivisen hajoamisen, jota kutsutaan fissioksi. Esimerkiksi uraani-235 voi hajota krypton-89: ksi ja barium-144: ksi, fissio, joka myös lähettää kaksi jäljellä olevaa neutronia. Kevyemmät elementit voivat myös olla epävakaita, jatkuen radioaktiivisena hajoamisketjuna, joka voi sisältää tusinaa tai enemmän elementtejä ja kestää kokonaisia ​​miljoonia vuosia.

Uraanin ydin jakautuu kahteen kevyempään elementtiin, kun se absorboi harhautuneen neutronin; neutroni destabiloi ytimen, mikä tekee siitä todennäköisemmän fissio. Koska fissio tuottaa vapaita neutroneja, ne voivat iskeä naapuriatomeihin, jolloin ne myös hajoavat, mikä luo fissiotapahtumien ketjureaktion. Koska ydinreaktiot ovat luonteeltaan kvanttimekaanisia, niitä hallitsevat todennäköisyydet ja sattuma. Kun ketjureaktiot ovat vähemmän todennäköisiä, ne kuolevat, koska yhä vähemmän neutroneja laukaisee peräkkäisiä fissioita. Kun olosuhteet suosivat ketjureaktioita, fissio jatkuu tasaisesti. Ja kun fissiot ovat erittäin todennäköisiä, ketjureaktiot kiihtyvät, jakamalla nopeasti kasvavan määrän atomeja ja vapauttamalla niiden energian.

Fissioiden ja ketjureaktioiden todennäköisyys riippuu osittain radioaktiivisen materiaalin massasta. Kriittiseksi massaksi kutsuttu piste ketjureaktiot ovat suurelta osin itsekestäviä, mutta eivät lisäänny. Jokaisella radioaktiivisella elementillä on tietty kriittinen massa aineen palloa varten; esimerkiksi uraani-235: n kriittinen massa on 56 kg, kun taas plutonium-239: ää tarvitaan vain 11 kg. Tutkijat, jotka ylläpitävät radioaktiivisten aineiden varastoja, varastoivat ne siten, että nämä määrät eivät koskaan tapahdu samassa yleisessä läheisyydessä; muuten ne voivat tuottaa väkivaltaisia ​​tappavan säteilyn puhkeamisia.

Radioaktiivisen aineen pallomaisen muodon osalta massan lisääminen lisää tietyllä hetkellä luovutettujen neutronien määrää ja todennäköisyyttä, että fissiot johtavat ketjureaktioihin. Radioaktiivisen elementin kriittistä massaa pienemmillä määrillä on ketjureaktioita, mutta ne kuolevat todennäköisemmin kuin jatkuvat. Kriittisen massan lisäksi fissioiden määrä kasvaa, mikä johtaa vaaralliseen, hallitsemattomaan tilanteeseen. Ydinvoimalaitokset käyttävät kriittisiä määriä radioaktiivisia elementtejä - riittävästi tuottamaan runsaasti voimaa, mutta jotka turvallisuussyistä eivät koskaan voi johtaa ydinräjähdykseen. Atomipommit sen sijaan käyttävät materiaalia paljon lähempänä kriittistä massaa. Atomipommi pysyy kriittisenä, kunnes se laukaistaan ​​neutronipurskeella ja puristetaan tavanomaisten voimakkaiden räjähteiden räjähdyksellä. Räjähteet aiheuttavat materiaalin hetkellisen ylikriittisyyden; ketjureaktiot ovat hallinnassa muutamassa miljoonasosassa sekunnissa, mikä vapauttaa kymmenien tuhansien tonnien TNT: n energiaekvivalentin.