კვანტური ფიზიკის ცნება კრიტიკული მასა

ქვე-ატომურ სფეროში, რომელსაც კვანტური მექანიკის წესები მართავს, პროცესი, რომელსაც გახლეჩა ეწოდება, ენერგიის ფუნდამენტურ წყაროს წარმოადგენს როგორც ატომური ბომბების, ასევე ბირთვული რეაქტორებისთვის. რაც ამ ორ მნიშვნელოვნად განსხვავებულ შედეგს ჰყოფს - ერთი ძალადობრივი, მეორე კონტროლირებადი - კრიტიკული ცნებაა მასა, წარმოსახვითი გამყოფი ხაზი, რომელიც განსაზღვრავს ბირთვული რეაქცია არის ნელი და გახანგრძლივებული თუ სწრაფი და ხანმოკლე

არასტაბილური ელემენტების ატომები, როგორიცაა ურანი და პლუტონიუმი, იყოფა უფრო მსუბუქ ელემენტებად, როდესაც ისინი განიცდიან რადიოაქტიურ დაშლას, რასაც ეწოდება გახლეჩა. მაგალითად, ურანი -235 შეიძლება დაიყოს კრიპტონ -89 და ბარიუმ -144, გახლეჩად, რომელიც ასევე გამოყოფს ორ ნეიტრონს. მსუბუქი ელემენტები შეიძლება არასტაბილური იყოს და გაგრძელდეს როგორც რადიოაქტიური დაშლის ჯაჭვი, რომელიც შეიძლება შეიცავდეს ათეულ ან მეტ ელემენტს და დასრულებას მილიონობით წელი დასჭირდეს.

ურანის ბირთვი იშლება ორ მსუბუქ ელემენტად, როდესაც ის მაწანწალა ნეიტრონს შთანთქავს; ნეიტრონი ახდენს ბირთვის დესტაბილიზაციას, რის შედეგადაც ხდება გახლეჩის ალბათობა. იმის გამო, რომ განხეთქილება წარმოქმნის თავისუფალ ნეიტრონებს, მათ შეიძლება დაარტყონ მეზობელ ატომებს, რის შედეგადაც ისინი ასევე გაიყოფა და ქმნის დაშლის მოვლენების ჯაჭვურ რეაქციას. რადგან ბირთვული რეაქციები კვანტური მექანიკური ხასიათისაა, მათ მართავს ალბათობა და შანსი. როდესაც ჯაჭვური რეაქციები ნაკლებად ხდება, ისინი იღუპებიან, რადგან ნაკლები და ნაკლები ნეიტრონები იწვევს თანმიმდევრულ გახლეჩებს. როდესაც გარემოებები ხელს უწყობს ჯაჭვურ რეაქციებს, გახლეჩა გრძელდება სტაბილურად. და როდესაც განხეთქილება დიდი ალბათობით ხდება, ჯაჭვური რეაქციები ჩქარდება, ატომების სწრაფად მზარდ რაოდენობას ყოფს და მათ ენერგიას ათავისუფლებს.

გახლეჩის და ჯაჭვური რეაქციების ალბათობა ნაწილობრივ დამოკიდებულია ჩართული რადიოაქტიური მასალის მასაზე. იმ წერტილში, რომელსაც კრიტიკულ მასას უწოდებენ, ჯაჭვური რეაქციები მეტწილად თვითგანვითარებულია, მაგრამ არ იზრდება. თითოეულ რადიოაქტიურ ელემენტს აქვს კონკრეტული კრიტიკული მასა ნივთიერების სფეროსთვის; მაგალითად, ურანის -235 კრიტიკული მასა 56 კგ-ია, მაშინ როდესაც საჭიროა მხოლოდ 11 კგ პლუტონიუმ -239. მეცნიერები, რომლებიც იცავენ რადიოაქტიური მასალების მარაგებს, ინახავენ მათ ისე, რომ ეს რაოდენობა არასოდეს მოხდეს იმავე ზოგად სიახლოვეს; წინააღმდეგ შემთხვევაში, მათ შეიძლება წარმოქმნან მომაკვდინებელი გამოსხივების ძალადობრივი აფეთქებები.

რადიოაქტიური ნივთიერების სფერული ფორმისთვის მასის გაზრდა ზრდის მოცემულ მომენტში გამოყოფილი ნეიტრონების რაოდენობას და იმის ალბათობას, რომ გახლეჩებმა გამოიწვიოს ჯაჭვური რეაქციები. რადიოაქტიური ელემენტის კრიტიკულ მასაზე მცირე რაოდენობას აქვს ჯაჭვური რეაქცია, მაგრამ ისინი უფრო მეტად იღუპებიან, ვიდრე გრძელდება. კრიტიკული მასის მიღმა, გახლეჩის სიჩქარე იზრდება, რაც საშიშ, კონტროლიდან გამოსულ სიტუაციას იწვევს. ბირთვული ელექტროსადგურები იყენებენ რადიაქტიური ელემენტების ქვეკრიტიკულ რაოდენობას - საკმარისია ენერგიის უზარმაზარი რაოდენობის გამომუშავებისთვის, მაგრამ რომელსაც უსაფრთხოების მიზეზების გამო ვერასოდეს მოჰყვება ბირთვული აფეთქება. პირიქით, ატომური ბომბები იყენებენ მასალების რაოდენობას, რომლებიც კრიტიკულ მასასთან ბევრად უფრო ახლოსაა. ატომური ბომბი რჩება ქვეკრიტიკულ მდგომარეობაში, სანამ ის ნეიტრონების აფეთქებით არ გამოიწვევს და არ იკუმშება ჩვეულებრივი მაღალი ასაფეთქებელი ნივთიერებების აფეთქებით. ასაფეთქებელი ნივთიერებები იწვევს მასალის წამიერად სუპერკრიტიკულობას; ჯაჭვური რეაქციები უკონტროლო ხდება წამში რამდენიმე მემილიონეში, ათავისუფლებს ათობით ათასი ტონა TNT ენერგიის ექვივალენტს.