क्वांटम यांत्रिकी के नियमों द्वारा शासित उप-परमाणु क्षेत्र में, विखंडन नामक एक प्रक्रिया परमाणु बम और परमाणु रिएक्टर दोनों के लिए ऊर्जा का मौलिक स्रोत प्रदान करती है। इन दो अलग-अलग परिणामों को जो अलग करता है - एक हिंसक, दूसरा नियंत्रित - आलोचनात्मक की अवधारणा है द्रव्यमान, एक काल्पनिक विभाजन रेखा जो यह निर्धारित करती है कि परमाणु प्रतिक्रिया धीमी और लंबी है या तेज है और अल्पकालिक।
परमाणु विखंडन
यूरेनियम और प्लूटोनियम जैसे अस्थिर तत्वों के परमाणु हल्के तत्वों के जोड़े में विभाजित हो जाते हैं जब वे रेडियोधर्मी क्षय से गुजरते हैं, एक प्रक्रिया जिसे विखंडन कहा जाता है। उदाहरण के लिए, यूरेनियम -235 क्रिप्टन -89 और बेरियम -144 में विभाजित हो सकता है, एक विखंडन जो दो बचे हुए न्यूट्रॉन को भी उत्सर्जित करता है। हल्के तत्व भी अस्थिर हो सकते हैं, एक रेडियोधर्मी क्षय श्रृंखला के रूप में जारी रह सकते हैं जिसमें एक दर्जन या अधिक तत्व शामिल हो सकते हैं और इसे पूरा होने में लाखों वर्ष लग सकते हैं।
श्रृंखला प्रतिक्रिया और संभावना
एक यूरेनियम नाभिक दो हल्के तत्वों में विभाजित हो जाता है जब यह एक आवारा न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है; न्यूट्रॉन नाभिक को अस्थिर कर देता है, जिससे इसके विखंडन से गुजरने की अधिक संभावना होती है। क्योंकि एक विखंडन मुक्त न्यूट्रॉन पैदा करता है, वे पड़ोसी परमाणुओं पर हमला कर सकते हैं, जिससे वे भी विभाजित हो सकते हैं, विखंडन घटनाओं की एक श्रृंखला प्रतिक्रिया पैदा कर सकते हैं। चूंकि परमाणु प्रतिक्रियाएं प्रकृति में क्वांटम यांत्रिक होती हैं, इसलिए वे संभावनाओं और संयोग से शासित होती हैं। जब चेन रिएक्शन होने की संभावना कम होती है, तो वे मर जाते हैं, क्योंकि कम और कम न्यूट्रॉन क्रमिक विखंडन को ट्रिगर करते हैं। जब परिस्थितियाँ श्रृंखला अभिक्रियाओं के पक्ष में होती हैं, तो विखंडन स्थिर रूप से जारी रहता है। और जब विखंडन की संभावना बहुत अधिक होती है, तो श्रृंखला प्रतिक्रियाएं तेज हो जाती हैं, परमाणुओं की तेजी से बढ़ती संख्या को विभाजित करती हैं और उनकी ऊर्जा को मुक्त करती हैं।
क्रांतिक द्रव्यमान
विखंडन और श्रृंखला प्रतिक्रियाओं की संभावना आंशिक रूप से शामिल रेडियोधर्मी सामग्री के द्रव्यमान पर निर्भर करती है। महत्वपूर्ण द्रव्यमान नामक बिंदु पर, श्रृंखला प्रतिक्रियाएं काफी हद तक आत्मनिर्भर होती हैं लेकिन बढ़ती नहीं हैं। प्रत्येक रेडियोधर्मी तत्व का पदार्थ के एक गोले के लिए एक विशिष्ट क्रांतिक द्रव्यमान होता है; उदाहरण के लिए, यूरेनियम-235 का क्रांतिक द्रव्यमान 56 किग्रा है, जबकि केवल 11 किग्रा प्लूटोनियम-239 की आवश्यकता होती है। वैज्ञानिक जो रेडियोधर्मी पदार्थों के भंडार को बनाए रखते हैं, उन्हें इस तरह से संग्रहीत करते हैं कि ये मात्राएँ कभी भी समान सामान्य परिवेश में न हों; अन्यथा, वे घातक विकिरण के हिंसक विस्फोट उत्पन्न कर सकते हैं।
सबक्रिटिकल और सुपरक्रिटिकल मास
रेडियोधर्मी पदार्थ के गोलाकार आकार के लिए, द्रव्यमान में वृद्धि से एक निश्चित क्षण में न्यूट्रॉन की संख्या बढ़ जाती है और संभावना है कि विखंडन से श्रृंखला प्रतिक्रियाएं होती हैं। एक रेडियोधर्मी तत्व के एक महत्वपूर्ण द्रव्यमान से छोटी मात्रा में श्रृंखला प्रतिक्रियाएं होती हैं लेकिन जारी रहने की तुलना में उनके मरने की संभावना अधिक होती है। महत्वपूर्ण द्रव्यमान से परे, विखंडन की दर बढ़ जाती है, जिससे एक खतरनाक, नियंत्रण से बाहर की स्थिति पैदा हो जाती है। परमाणु ऊर्जा संयंत्र उप-महत्वपूर्ण मात्रा में रेडियोधर्मी तत्वों का उपयोग करते हैं - पर्याप्त मात्रा में बिजली का उत्पादन करने के लिए, लेकिन सुरक्षा कारणों से, कभी भी परमाणु विस्फोट नहीं हो सकता है। इसके विपरीत, परमाणु बम एक महत्वपूर्ण द्रव्यमान के बहुत करीब सामग्री की मात्रा का उपयोग करते हैं। एक परमाणु बम तब तक उप-महत्वपूर्ण रहता है जब तक कि यह न्यूट्रॉन के फटने से शुरू नहीं हो जाता और पारंपरिक उच्च विस्फोटकों के विस्फोट से निचोड़ा नहीं जाता। विस्फोटक सामग्री को क्षण भर के लिए सुपरक्रिटिकल बना देते हैं; एक सेकंड के कुछ मिलियनवें हिस्से में श्रृंखला प्रतिक्रियाएं नियंत्रण से बाहर हो जाती हैं, जिससे हजारों टन टीएनटी के बराबर ऊर्जा निकलती है।