Na podatomskem področju, ki ga urejajo pravila kvantne mehanike, postopek, imenovan fisija, predstavlja temeljni vir energije tako za atomske bombe kot za jedrske reaktorje. Kar ločuje ta dva zelo različna rezultata - enega nasilnega, drugega nadzorovanega - je koncept kritičnega masa, namišljena ločnica, ki določa, ali je jedrska reakcija počasna in dolgotrajna ali hitra in kratkotrajna.
Atomska fisija
Atomi nestabilnih elementov, kot sta uran in plutonij, se ob radioaktivnem razpadu razdelijo na pare lažjih elementov, kar se imenuje fisija. Na primer, uran-235 se lahko razdeli na kripton-89 in barij-144, cepitev, ki prav tako oddaja dva preostala nevtrona. Lažji elementi so lahko tudi nestabilni in nadaljujejo kot veriga radioaktivnega razpada, ki lahko vključuje ducat ali več elementov in traja milijone let, da se dokonča.
Verižne reakcije in priložnost
Jedro urana se razdeli na dva lažja elementa, ko absorbira zapuščeni nevtron; nevtron destabilizira jedro, zaradi česar je verjetneje, da bo podvržen cepitvi. Ker cepitev proizvaja proste nevtrone, lahko udarijo sosednje atome, zaradi česar se tudi razdelijo in ustvarijo verižno reakcijo cepitvenih dogodkov. Ker so jedrske reakcije kvantno mehanske narave, jim vladajo verjetnosti in naključja. Kadar je verjetnost, da se bodo verižne reakcije zgodile, izginejo, saj vedno manj nevtronov sproži zaporedne cepitve. Ko okoliščine dajejo prednost verižnim reakcijam, se fisije nadaljujejo vztrajno. In kadar so zelo verjetne fisije, se verižne reakcije pospešijo, razdelijo hitro naraščajoče število atomov in sprostijo svojo energijo.
Kritična masa
Verjetnost razpok in verižnih reakcij je delno odvisna od mase vključenega radioaktivnega materiala. Na točki, imenovani kritična masa, so verižne reakcije v veliki meri samozadostne, vendar se ne povečujejo. Vsak radioaktivni element ima določeno kritično maso za kroglo snovi; na primer, kritična masa urana-235 je 56 kg, medtem ko je potrebnih le 11 kg plutonija-239. Znanstveniki, ki hranijo zaloge radioaktivnih snovi, jih shranjujejo tako, da se te količine nikoli ne pojavijo v isti splošni bližini; v nasprotnem primeru lahko povzročijo silovite eksplozije smrtonosnega sevanja.
Podkritična in nadkritična masa
Za kroglasto obliko radioaktivne snovi povečanje mase poveča število oddanih nevtronov v določenem trenutku in verjetnost, da bodo fisije povzročile verižne reakcije. Količine, manjše od kritične mase radioaktivnega elementa, imajo verižne reakcije, vendar je verjetneje, da bodo izumrle kot nadaljevale. Poleg kritične mase se stopnja cepitev poveča, kar vodi v nevarno situacijo brez nadzora. Nuklearne elektrarne uporabljajo podkritične količine radioaktivnih elementov - dovolj za proizvodnjo velikodušne količine energije, ki pa iz varnostnih razlogov nikoli ne morejo povzročiti jedrske eksplozije. Atomske bombe nasprotno uporabljajo količino materialov, ki so veliko bližje kritični masi. Atomska bomba ostaja podkritična, dokler je ne sproži eksplozija nevtronov in stiskanje eksplozije običajnih eksplozivov. Eksplozivi povzročijo, da material za trenutek postane nadkritičen; verižne reakcije postanejo brez nadzora v nekaj milijoninkah sekunde in sprostijo energijski ekvivalent deset tisoč ton TNT.