Apakšatomu sfērā, ko regulē kvantu mehānikas likumi, process, ko sauc par skaldīšanu, ir fundamentāls enerģijas avots gan atombumbām, gan kodolreaktoriem. Tas, kas šķir šos divus ļoti atšķirīgos rezultātus - viens vardarbīgs, otrs kontrolēts - ir kritiskā jēdziens masa, iedomāta dalīšanas līnija, kas nosaka, vai kodolreakcija ir lēna un ilgstoša vai ātra un īslaicīgs.
Atomu dalīšanās
Nestabilu elementu, piemēram, urāna un plutonija, atomi sadalās vieglāku elementu pāros, kad tiem notiek radioaktīva sabrukšana - procesu sauc par skaldīšanu. Piemēram, urāns-235 var sadalīties kriptonā-89 un bārijā-144 - šķelšanās, kas izstaro arī divus atlikušos neitronus. Vieglākie elementi var būt arī nestabili, turpinoties kā radioaktīva sabrukšanas ķēde, kas var ietvert duci vai vairāk elementu un kuru pabeigšana var ilgt miljoniem gadu.
Ķēdes reakcijas un iespēja
Urāna kodols sadalās divos vieglākos elementos, kad tas absorbē klaiņojošu neitronu; neitrons destabilizē kodolu, padarot to visticamāk skaldītu. Tā kā skaldīšana rada brīvus neitronus, tie var sist pret kaimiņu atomiem, liekot tiem arī sadalīties, radot šķelšanās notikumu ķēdes reakciju. Tā kā kodolreakcijas pēc būtības ir kvantu mehāniskas, tās nosaka varbūtības un nejaušība. Kad ķēdes reakcijas ir mazāk iespējamas, tās izmirst, jo arvien mazāk neitronu izraisa secīgu dalīšanos. Kad apstākļi veicina ķēdes reakciju, dalīšanās turpinās vienmērīgi. Un, kad šķelšanās ir ļoti iespējama, ķēdes reakcijas paātrinās, sadalot strauji pieaugošo atomu skaitu un atbrīvojot to enerģiju.
Kritiskā masa
Fisiju un ķēdes reakciju iespējamība daļēji ir atkarīga no iesaistītā radioaktīvā materiāla masas. Punktā, ko dēvē par kritisko masu, ķēdes reakcijas lielā mērā ir pašpietiekamas, bet nepalielinās. Katram radioaktīvajam elementam ir noteikta kritiskā masa vielas sfērai; piemēram, urāna-235 kritiskā masa ir 56 kg, turpretim plutonijs-239 ir vajadzīgs tikai 11 kg. Zinātnieki, kuri uztur radioaktīvo materiālu krājumus, tos uzglabā tā, lai šie daudzumi nekad nenotiktu tajā pašā vispārējā tuvumā; pretējā gadījumā tie var izraisīt vardarbīgus letāla starojuma pārrāvumus.
Subkritiskā un pārkritiskā mise
Radioaktīvās vielas sfēriskai formai palielinot masu, palielinās attiecīgajā brīdī izdalīto neitronu skaits un varbūtība, ka šķelšanās izraisa ķēdes reakcijas. Daudzumiem, kas ir mazāki par radioaktīvā elementa kritisko masu, ir ķēdes reakcijas, taču tie, visticamāk, izmirst, nekā turpinās. Papildus kritiskajai masai dalīšanās ātrums palielinās, izraisot bīstamu, ārpus kontroles situāciju. Atomelektrostacijās tiek izmantots zemkritiskais radioaktīvo elementu daudzums - pietiekami, lai radītu lielu daudzumu enerģijas, bet kas drošības apsvērumu dēļ nekad nevar izraisīt kodolsprādzienu. Atomu bumbās savukārt tiek izmantots materiālu daudzums, kas ir daudz tuvāk kritiskajai masai. Atomu bumba paliek zemkritiska, līdz tā tiek iedarbināta ar neitronu plīsumu un tiek izspiesta ar parastu sprāgstvielu sprādzienu. Sprāgstvielas liek materiālam īslaicīgi kļūt par pārkritisku; ķēdes reakcijas dažu miljonu sekundes laikā kļūst nekontrolējamas, atbrīvojot enerģijas ekvivalentu desmitiem tūkstošu tonnu TNT.