Subatominėje srityje, kurią reguliuoja kvantinės mechanikos taisyklės, procesas, vadinamas skilimu, yra pagrindinis energijos šaltinis tiek atominėms bomboms, tiek branduoliniams reaktoriams. Tai, kas skiria šiuos du labai skirtingus rezultatus - vieną smurtinį, kitą kontroliuojamą, yra kritinio samprata masė, įsivaizduojama skiriamoji linija, nustatanti, ar branduolinė reakcija yra lėta ir užsitęsusi, ar greita ir trumpalaikis.
Atominis dalijimasis
Nestabilių elementų, tokių kaip uranas ir plutonis, atomai suskaidomi į lengvesnių elementų poras, kai jiems įvyksta radioaktyvus skilimas - procesas vadinamas skilimu. Pavyzdžiui, uranas-235 gali suskaidyti į kriptoną-89 ir barį-144 - dalijimąsi, kuris taip pat išskiria du likusius neutronus. Lengvesni elementai taip pat gali būti nestabilūs ir tęstis kaip radioaktyvi skilimo grandinė, į kurią gali įeiti keliolika ar daugiau elementų ir kurios užbaigimas gali užtrukti milijonus metų.
Grandininės reakcijos ir galimybė
Urano branduolys, absorbuodamas klaidžiojantį neutroną, suskaidomas į du lengvesnius elementus; neutronas destabilizuoja branduolį, todėl labiau tikėtina, kad jis suskaidys. Kadangi dalijimasis gamina laisvus neutronus, jie gali smogti kaimyniniams atomams, dėl ko jie taip pat gali suskaidyti, sukurdami grandininę dalijimosi įvykių reakciją. Kadangi branduolinės reakcijos yra kvantinio mechaninio pobūdžio, jas valdo tikimybė ir atsitiktinumas. Kai mažesnė tikimybė atsirasti grandininėms reakcijoms, jos išnyksta, nes vis mažiau neutronų sukelia nuoseklius skilimus. Kai aplinkybės palankios grandininėms reakcijoms, skilimas tęsiasi stabiliai. O kai dalijimasis yra labai tikėtinas, grandininės reakcijos pagreitėja, suskaidant greitai didėjantį atomų skaičių ir išlaisvinant jų energiją.
Kritinė masė
Skilimo ir grandininių reakcijų tikimybė iš dalies priklauso nuo dalyvaujančios radioaktyviosios medžiagos masės. Toje vietoje, kuri vadinama kritine mase, grandininės reakcijos daugiausia išlaiko save, bet jos nepadidėja. Kiekvienas radioaktyvus elementas turi tam tikrą kritinę medžiagos sferos masę; pavyzdžiui, kritinė urano-235 masė yra 56 kg, o plutonio-239 reikia tik 11 kg. Mokslininkai, kurie prižiūri radioaktyviųjų medžiagų atsargas, jas saugo taip, kad šie kiekiai niekada nepasitaikytų toje pačioje aplinkoje; priešingu atveju jie gali sukelti smurtinius mirtinos spinduliuotės pliūpsnius.
Subkritinės ir superkritinės Mišios
Sferinės formos radioaktyviosios medžiagos atveju padidinus masę, padidėja tam tikru momentu išsiskiriančių neutronų skaičius ir tikimybė, kad skilimas sukels grandinines reakcijas. Mažesni nei kritinė radioaktyvaus elemento masė kiekio reakcijos yra grandininės, tačiau jos labiau žūsta, nei tęsiasi. Virš kritinės masės, skilimo greitis didėja, todėl susidaro pavojinga, nekontroliuojama padėtis. Atominėse elektrinėse naudojamas kritinis kiekis radioaktyviųjų elementų - tiek, kad būtų galima pagaminti didelius energijos kiekius, tačiau kurie dėl saugumo niekada negali sukelti branduolinio sprogimo. Atominėse bombose, priešingai, naudojamas daug medžiagų, esančių daug arčiau kritinės masės. Atominė bomba išlieka kritinė, kol ji nesuveikia sprogus neutronams ir nespaudžiama sprogus įprastiems sprogmenims. Dėl sprogmenų medžiaga tampa akimirksniu superkritinė; grandininės reakcijos tampa nekontroliuojamos per kelias milijonąsias sekundės dalis, išleidžiant dešimčių tūkstančių tonų TNT energijos ekvivalentą.
