임계 질량의 양자 물리학 개념

양자 역학의 규칙이 지배하는 아 원자 영역에서 핵분열이라는 과정은 원자 폭탄과 원자로 모두에 기본적인 에너지 원을 제공합니다. 이 두 가지 크게 다른 결과 (하나는 폭력적이고 다른 하나는 통제 됨)를 구분하는 것은 비판적 개념입니다. 질량, 핵 반응이 느리고 연장되는지 또는 빠른지를 결정하는 가상의 구분선 수명이 짧습니다.

우라늄과 플루토늄과 같은 불안정한 원소의 원자는 핵분열이라는 과정 인 방사성 붕괴를 겪을 때 한 쌍의 가벼운 원소로 분리됩니다. 예를 들어, 우라늄 -235는 두 개의 남은 중성자를 방출하는 핵분열 인 크립톤 -89와 바륨 -144로 분리 될 수 있습니다. 더 가벼운 요소는 또한 불안정 할 수 있으며, 수십 개 이상의 요소를 포함하고 완료하는 데 수백만 년이 걸릴 수있는 방사성 붕괴 사슬로 계속됩니다.

우라늄 핵은 떠 다니는 중성자를 흡수 할 때 두 개의 가벼운 원소로 나뉩니다. 중성자는 핵을 불안정하게하여 핵분열을 일으킬 가능성을 높입니다. 핵분열은 자유 중성자를 생성하기 때문에 인접한 원자와 충돌하여 분열을 유발하여 핵분열 사건의 연쇄 반응을 생성합니다. 핵반응은 본질적으로 양자 역학적이기 때문에 확률과 우연에 의해 지배됩니다. 연쇄 반응이 발생할 가능성이 적을 때, 점점 더 적은 수의 중성자가 연속적인 핵분열을 유발하기 때문에 그들은 사라집니다. 상황이 연쇄 반응을 선호 할 때 분열은 꾸준한 방식으로 계속됩니다. 그리고 핵분열 가능성이 매우 높을 때 연쇄 반응이 가속화되어 빠르게 증가하는 원자 수를 분할하고 에너지를 방출합니다.

핵분열과 연쇄 반응의 가능성은 부분적으로 관련된 방사성 물질의 질량에 따라 다릅니다. 임계 질량이라는 지점에서 연쇄 반응은 대체로 자립적이지만 증가하지는 않습니다. 각 방사성 요소는 물질의 구체에 대한 특정 임계 질량을 가지고 있습니다. 예를 들어, 우라늄 -235의 임계 질량은 56kg 인 반면 플루토늄 -239는 11kg 만 필요합니다. 방사성 물질의 비축량을 유지하는 과학자들은 이러한 양이 동일한 일반 부근에서 발생하지 않도록 저장합니다. 그렇지 않으면 치명적인 방사선의 격렬한 폭발을 일으킬 수 있습니다.

구형 방사성 물질의 경우 질량을 늘리면 주어진 순간에 방출되는 중성자의 수와 핵분열이 연쇄 반응을 일으킬 가능성이 증가합니다. 방사성 원소의 임계 질량보다 작은 양은 연쇄 반응을 일으키지 만 계속하기보다는 죽을 가능성이 더 큽니다. 임계 질량을 초과하면 핵분열 속도가 증가하여 위험하고 통제 불능 상태가됩니다. 원자력 발전소는 충분한 양의 전력을 생산하기에 충분하지만 안전상의 이유로 핵폭발로 이어질 수없는 임계 이하의 방사성 원소를 사용합니다. 반대로 원자 폭탄은 임계 질량에 훨씬 더 가까운 재료를 사용합니다. 원자 폭탄은 중성자 폭발로 촉발되고 기존의 고 폭탄 폭발로 압착 될 때까지 임계 수준 이하로 유지됩니다. 폭발물로 인해 물질이 순간적으로 초 임계가됩니다. 연쇄 반응은 수백만 분의 1 초 안에 통제 불능 상태가되어 수만 톤의 TNT에 해당하는 에너지를 방출합니다.