Kvantefysikkbegrepet kritisk masse

I det subatomære riket styrt av kvantemekanikkens regler, gir en prosess kalt fisjon den grunnleggende energikilden for både atombomber og atomreaktorer. Det som skiller disse to vidt forskjellige resultatene - den ene voldelige, den andre kontrollerte - er begrepet kritisk masse, en imaginær skillelinje som bestemmer om en kjernefysisk reaksjon er langsom og langvarig eller rask og Kortlevd.

Atomer av ustabile elementer som uran og plutonium deles i par lettere elementer når de gjennomgår radioaktivt forfall, en prosess som kalles fisjon. For eksempel kan uran-235 splittes i krypton-89 og barium-144, en fisjon som også avgir to gjenværende nøytroner. De lettere elementene kan også være ustabile, og fortsette som en radioaktiv forfallskjede som kan omfatte et dusin eller flere elementer og det tar millioner av år å fullføre.

En urankjerne deler seg i to lettere grunnstoffer når den absorberer et omstreifende nøytron; nøytronen destabiliserer kjernen, noe som gjør det mer sannsynlig å gjennomgå en fisjon. Fordi en fisjon produserer frie nøytroner, kan de slå på nærliggende atomer, slik at de også splittes, og skaper en kjedereaksjon av fisjonshendelser. Ettersom kjernefysiske reaksjoner er kvantemekaniske, styres de av sannsynligheter og tilfeldigheter. Når det er mindre sannsynlig at kjedereaksjoner oppstår, dør de ut, ettersom færre og færre nøytroner utløser suksessive splittelser. Når omstendighetene favoriserer kjedereaksjoner, fortsetter fisjonene jevnt. Og når fisjon er veldig sannsynlig, akselererer kjedereaksjoner, splitter et raskt økende antall atomer og frigjør energi.

Sannsynligheten for fisjon og kjedereaksjoner avhenger delvis av massen av det involverte radioaktive materialet. På et punkt kalt kritisk masse er kjedereaksjonene i stor grad selvbærende, men øker ikke. Hvert radioaktivt element har en spesifikk kritisk masse for en sfære av stoffet; for eksempel er den kritiske massen av uran-235 56 kg, mens bare 11 kg plutonium-239 er nødvendig. Forskere som vedlikeholder lagre av radioaktive materialer lagrer dem på en slik måte at disse mengdene aldri forekommer i samme generelle nærhet; Ellers kan de produsere voldsomme utbrudd av dødelig stråling.

For en sfærisk form av radioaktivt stoff, øker massen antall nøytroner som avgis i et gitt øyeblikk og sannsynligheten for at fisjon fører til kjedereaksjoner. Mengder mindre enn en kritisk masse av et radioaktivt element har kjedereaksjoner, men de er mer sannsynlig å dø ut enn å fortsette. Utover den kritiske massen øker frekvensen av fisjon, noe som fører til en farlig situasjon uten kontroll. Kjernekraftverk bruker underkritiske mengder radioaktive elementer - nok til å produsere store mengder kraft, men som av sikkerhetsmessige årsaker aldri kan føre til en atomeksplosjon. Atombomber bruker derimot en mengde materialer som er mye nærmere en kritisk masse. En atombombe forblir underkritisk til den utløses med et utbrudd av nøytroner og presses av en eksplosjon av konvensjonelle høyeksplosiver. Sprengstoffene får materialet til å bli kortvarig overkritisk; kjedereaksjoner blir ute av kontroll på noen få milliontedeler av et sekund, og frigjør energiekvivalenten til titusenvis av tonn TNT.