Konsep Fisika Kuantum Massa Kritis

Di alam sub-atom yang diatur oleh aturan mekanika kuantum, proses yang disebut fisi menyediakan sumber energi fundamental untuk bom atom dan reaktor nuklir. Apa yang membedakan dua hasil yang sangat berbeda ini -- satu kekerasan, yang lain dikendalikan -- adalah konsep kritis concept massa, garis pemisah imajiner yang menentukan apakah reaksi nuklir lambat dan berkepanjangan atau cepat dan berumur pendek.

Atom-atom dari unsur-unsur yang tidak stabil seperti uranium dan plutonium terpecah menjadi pasangan-pasangan unsur yang lebih ringan ketika mereka mengalami peluruhan radioaktif, suatu proses yang disebut fisi. Misalnya, uranium-235 dapat dipecah menjadi kripton-89 dan barium-144, sebuah fisi yang juga memancarkan dua sisa neutron. Unsur-unsur yang lebih ringan mungkin juga tidak stabil, berlanjut sebagai rantai peluruhan radioaktif yang mungkin mencakup selusin atau lebih unsur dan membutuhkan waktu jutaan tahun untuk menyelesaikannya.

Sebuah inti uranium terbelah menjadi dua elemen yang lebih ringan ketika menyerap sebuah neutron liar; neutron membuat inti tidak stabil, membuatnya lebih mungkin untuk mengalami fisi. Karena fisi menghasilkan neutron bebas, mereka dapat menyerang atom tetangga, menyebabkan mereka juga terbelah, menciptakan reaksi berantai peristiwa fisi. Karena reaksi nuklir bersifat mekanika kuantum, mereka diatur oleh probabilitas dan peluang. Ketika reaksi berantai lebih kecil kemungkinannya terjadi, mereka mati, karena semakin sedikit neutron yang memicu fisi berturut-turut. Ketika keadaan mendukung reaksi berantai, fisi berlanjut dengan cara yang stabil. Dan ketika fisi sangat mungkin terjadi, reaksi berantai dipercepat, membelah jumlah atom yang meningkat dengan cepat dan melepaskan energinya.

Kemungkinan fisi dan reaksi berantai sebagian bergantung pada massa bahan radioaktif yang terlibat. Pada titik yang disebut massa kritis, reaksi berantai sebagian besar berdiri sendiri tetapi tidak meningkat. Setiap elemen radioaktif memiliki massa kritis spesifik untuk bola zat; misalnya, massa kritis uranium-235 adalah 56 kg, sedangkan plutonium-239 hanya diperlukan 11 kg. Ilmuwan yang memelihara persediaan bahan radioaktif menyimpannya sedemikian rupa sehingga jumlah ini tidak pernah terjadi di lingkungan umum yang sama; jika tidak, mereka dapat menghasilkan ledakan radiasi mematikan yang hebat.

Untuk zat radioaktif berbentuk bola, peningkatan massa meningkatkan jumlah neutron yang dilepaskan pada saat tertentu dan kemungkinan fisi menyebabkan reaksi berantai. Kuantitas yang lebih kecil dari massa kritis unsur radioaktif memiliki reaksi berantai tetapi lebih cenderung mati daripada melanjutkan. Di luar massa kritis, laju fisi meningkat, yang mengarah ke situasi berbahaya di luar kendali. Pembangkit listrik tenaga nuklir menggunakan elemen radioaktif dalam jumlah sub-kritis -- cukup untuk menghasilkan tenaga dalam jumlah besar tetapi, untuk alasan keamanan, tidak pernah dapat menyebabkan ledakan nuklir. Bom atom, sebaliknya, menggunakan sejumlah bahan yang lebih dekat dengan massa kritis. Sebuah bom atom tetap sub-kritis sampai dipicu dengan ledakan neutron dan diperas oleh ledakan bahan peledak tinggi konvensional. Bahan peledak menyebabkan material menjadi superkritis sesaat; reaksi berantai menjadi tidak terkendali dalam sepersejuta detik, melepaskan energi yang setara dengan puluhan ribu ton TNT.