Концепция критической массы в квантовой физике

В субатомной сфере, управляемой правилами квантовой механики, процесс, называемый делением, обеспечивает фундаментальный источник энергии как для атомных бомб, так и для ядерных реакторов. Что разделяет эти два совершенно разных результата - один насильственный, другой контролируемый, - это концепция критического масса, воображаемая разделительная линия, которая определяет, будет ли ядерная реакция медленной и продолжительной или быстрой, и недолговечный.

Атомы нестабильных элементов, таких как уран и плутоний, расщепляются на пары более легких элементов, когда они подвергаются радиоактивному распаду - процессу, называемому делением. Например, уран-235 может расщепляться на криптон-89 и барий-144, при делении которого также испускаются два оставшихся нейтрона. Более легкие элементы также могут быть нестабильными, продолжаясь в виде цепочки радиоактивного распада, которая может включать в себя дюжину или более элементов и для завершения которой требуются миллионы лет.

Ядро урана расщепляется на два более легких элемента, когда оно поглощает случайный нейтрон; нейтрон дестабилизирует ядро, повышая вероятность его деления. Поскольку при делении образуются свободные нейтроны, они могут ударить соседние атомы, заставляя их также расщепляться, создавая цепную реакцию событий деления. Поскольку ядерные реакции имеют квантово-механическую природу, они управляются вероятностями и случайностями. Когда вероятность возникновения цепных реакций снижается, они умирают, поскольку все меньше и меньше нейтронов вызывают последовательные деления. Когда обстоятельства благоприятствуют цепным реакциям, деления продолжаются стабильно. А когда деление очень вероятно, цепные реакции ускоряются, расщепляя быстро увеличивающееся количество атомов и высвобождая их энергию.

Вероятность деления и цепных реакций частично зависит от массы радиоактивного материала. В точке, называемой критической массой, цепные реакции в основном самоподдерживаются, но не нарастают. Каждый радиоактивный элемент имеет определенную критическую массу для сферы вещества; например, критическая масса урана-235 составляет 56 кг, тогда как требуется всего 11 кг плутония-239. Ученые, которые хранят запасы радиоактивных материалов, хранят их таким образом, чтобы эти количества никогда не встречались в одной и той же общей близости; в противном случае они могут вызвать сильные вспышки смертельной радиации.

Для радиоактивного вещества сферической формы увеличение массы увеличивает количество нейтронов, испускаемых в данный момент, и вероятность того, что деление приведет к цепным реакциям. Величины, меньшие критической массы радиоактивного элемента, имеют цепные реакции, но они с большей вероятностью вымрут, чем продолжатся. За пределами критической массы скорость деления увеличивается, что приводит к опасной неконтролируемой ситуации. Атомные электростанции используют докритические количества радиоактивных элементов - достаточные для производства значительного количества энергии, но которые по соображениям безопасности никогда не могут привести к ядерному взрыву. Атомные бомбы, напротив, используют количество материалов, намного близкое к критической массе. Атомная бомба остается подкритической до тех пор, пока она не сработает взрывом нейтронов и не сдавится взрывом обычных взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества делают материал на мгновение сверхкритическим; цепные реакции выходят из-под контроля за несколько миллионных долей секунды, высвобождая энергию, эквивалентную десяткам тысяч тонн тротила.