A kvantummechanika szabályai által szabályozott szubatomi területen a hasadásnak nevezett folyamat biztosítja az alapvető energiaforrást mind az atombombák, mind az atomreaktorok számára. Ami elválasztja ezt a két, nagyon eltérő eredményt - az egyik erőszakos, a másik ellenőrzött -, az a kritika fogalma tömeg, egy képzeletbeli választóvonal, amely meghatározza, hogy a nukleáris reakció lassú és elhúzódó vagy gyors és rövid életű.
Atomhasadás
Az instabil elemek, például az urán és a plutónium atomjai könnyebb elemek párjaira oszlanak, amikor radioaktív bomláson mennek keresztül, ezt a folyamatot hasadásnak nevezik. Például az urán-235 kripton-89-re és bárium-144-re oszthatja fel a hasadást, amely szintén két megmaradt neutront bocsát ki. A könnyebb elemek instabilak is lehetnek, radioaktív bomlási láncként folytatódnak, amely egy tucat vagy annál több elemet tartalmazhat, és több millió évig is eltarthat.
Láncreakciók és esély
Az uránmag két könnyebb elemre oszlik, amikor elnyeli a kóbor neutront; a neutron destabilizálja a sejtmagot, így nagyobb valószínűséggel hasad. Mivel a hasadás szabad neutronokat termel, ütközhetnek a szomszédos atomokba, ami szintén hasadásukra készteti őket, ami a hasadási események láncreakcióját eredményezi. Mivel a nukleáris reakciók kvantummechanikai természetűek, a valószínűségek és a véletlenek vezérlik őket. Ha a láncreakciók ritkábban fordulnak elő, akkor kihalnak, mivel egyre kevesebb neutron váltja ki egymást követő hasadásokat. Amikor a körülmények kedveznek a láncreakcióknak, a hasadások folyamatosan folytatódnak. És amikor a hasadások nagyon valószínűek, a láncreakciók felgyorsulnak, gyorsan növekvő számú atomot osztanak szét és felszabadítják energiájukat.
Kritikus tömeg
A hasadások és a láncreakciók valószínűsége részben az érintett radioaktív anyag tömegétől függ. A kritikus tömegnek nevezett ponton a láncreakciók nagyrészt önfenntartóak, de nem növekednek. Minden radioaktív elemnek van egy meghatározott kritikus tömege az anyag gömbére; például az urán-235 kritikus tömege 56 kg, míg csak 11 kg plutónium-239 szükséges. A radioaktív anyagok készleteit fenntartó tudósok úgy tárolják őket, hogy ezek a mennyiségek soha ne forduljanak elő ugyanabban az általános környezetben; különben heves halálos sugárzást okozhatnak.
Szubkritikus és szuperkritikus mise
A radioaktív anyag gömb alakú alakja esetén a tömeg növelése növeli az adott pillanatban leadott neutronok számát és annak valószínűségét, hogy a hasadások láncreakciókhoz vezetnek. A radioaktív elem kritikus tömegénél kisebb mennyiségek láncreakcióval bírnak, de inkább elhullanak, mint folytatódnak. A kritikus tömegen túl nő a hasadások aránya, ami veszélyes, kontrollon kívüli helyzethez vezet. Az atomerőművek szubkritikus mennyiségű radioaktív elemet használnak - elegendő mennyiségű energia előállításához, de amelyek biztonsági okokból soha nem vezethetnek atomrobbanáshoz. Az atombombák ezzel szemben olyan anyagmennyiséget használnak, amely sokkal közelebb van a kritikus tömeghez. Az atombomba kritikán aluli marad, amíg azt egy neutronpattanás kiváltja és a hagyományos nagy robbanóanyagok robbanása el nem nyomja. A robbanóanyagok miatt az anyag pillanatnyilag szuperkritikussá válik; a láncreakciók néhány milliomod másodperc alatt kikerülnek az irányításból, felszabadítva ezzel a több tízezer tonna TNT energiaegyenértékét.