Kuantum Fiziğinin Kritik Kütle Kavramı

Kuantum mekaniği kuralları tarafından yönetilen atom altı alemde, fisyon adı verilen bir süreç, hem atom bombaları hem de nükleer reaktörler için temel enerji kaynağını sağlar. Bu çok farklı sonuçları - biri şiddet içeren, diğeri kontrollü - birbirinden ayıran şey, kritik kavramıdır. kütle, bir nükleer reaksiyonun yavaş ve uzun süreli mi yoksa hızlı mı olduğunu belirleyen hayali bir bölme çizgisi ve kısa ömürlü.

Uranyum ve plütonyum gibi kararsız elementlerin atomları, radyoaktif bozunmaya maruz kaldıklarında, fisyon adı verilen bir süreçle daha hafif element çiftlerine ayrılır. Örneğin, uranyum-235, aynı zamanda iki artık nötron yayan bir fisyon olan kripton-89 ve baryum-144'e bölünebilir. Daha hafif elementler de kararsız olabilir ve bir düzine veya daha fazla element içerebilen ve tamamlanması milyonlarca yıl sürebilen bir radyoaktif bozunma zinciri olarak devam edebilir.

Bir uranyum çekirdeği, başıboş bir nötronu emdiğinde daha hafif iki elemente bölünür; nötron çekirdeğin dengesini bozar, bu da onu bir fisyona uğrama olasılığını artırır. Bir fisyon serbest nötronlar ürettiğinden, komşu atomlara çarparak onların da bölünmesine neden olarak fisyon olaylarının zincirleme reaksiyonunu yaratabilirler. Nükleer reaksiyonlar doğada kuantum mekanik olduğundan, olasılıklar ve şans tarafından yönetilirler. Zincir reaksiyonlarının meydana gelme olasılığı daha düşük olduğunda, daha az ve daha az nötron ardışık fisyonları tetiklediğinden ölürler. Koşullar zincirleme reaksiyonları desteklediğinde, bölünmeler istikrarlı bir şekilde devam eder. Ve bölünmeler çok olası olduğunda, zincirleme reaksiyonlar hızlanır, hızla artan sayıda atomu böler ve enerjilerini serbest bırakır.

Fisyon ve zincir reaksiyonlarının olasılığı kısmen ilgili radyoaktif maddenin kütlesine bağlıdır. Kritik kütle olarak adlandırılan bir noktada, zincir reaksiyonları büyük ölçüde kendi kendine devam eder, ancak artmaz. Her radyoaktif element, maddenin bir küresi için belirli bir kritik kütleye sahiptir; örneğin, uranyum-235'in kritik kütlesi 56 kg iken, sadece 11 kg plütonyum-239 gereklidir. Radyoaktif madde stokları bulunduran bilim adamları, bunları, bu miktarların asla aynı genel çevrede oluşmayacağı şekilde depolar; aksi takdirde şiddetli ölümcül radyasyon patlamaları üretebilirler.

Küresel bir radyoaktif madde şekli için, kütleyi artırmak, belirli bir anda verilen nötron sayısını ve fisyonların zincirleme reaksiyonlara yol açma olasılığını artırır. Bir radyoaktif elementin kritik kütlesinden daha küçük miktarlar zincirleme reaksiyonlara sahiptir, ancak devam etmekten çok ölmeleri daha olasıdır. Kritik kütlenin ötesinde, bölünme hızı artar ve tehlikeli, kontrol dışı bir duruma yol açar. Nükleer santraller, kritik olmayan miktarlarda radyoaktif elementler kullanır - cömert miktarda güç üretmeye yetecek kadar, ancak güvenlik nedenleriyle asla nükleer bir patlamaya yol açamaz. Atom bombaları, aksine, kritik bir kütleye çok daha yakın miktarda malzeme kullanır. Bir atom bombası, bir nötron patlamasıyla tetiklenene ve bir geleneksel yüksek patlayıcı patlamasıyla sıkıştırılana kadar kritik altı kalır. Patlayıcılar malzemenin anlık olarak süper kritik hale gelmesine neden olur; zincirleme reaksiyonlar saniyenin birkaç milyonda biri kadar bir sürede kontrolden çıkar ve on binlerce ton TNT'ye eşdeğer enerji açığa çıkar.