У субатомній сфері, що регулюється правилами квантової механіки, процес, який називається діленням, забезпечує основне джерело енергії як для атомних бомб, так і для ядерних реакторів. Що розділяє ці два дуже різні результати - один насильницький, інший контрольований - це концепція критичного маса, уявна лінія поділу, що визначає, повільна чи тривала ядерна реакція чи швидка і недовговічний.
Розщеплення атома
Атоми нестабільних елементів, таких як уран і плутоній, розпадаються на пари легших елементів, коли вони зазнають радіоактивного розпаду - процес, який називається діленням. Наприклад, уран-235 може розпастися на криптон-89 і барій-144, поділ, який також випромінює два залишки нейтронів. Більш легкі елементи також можуть бути нестійкими, продовжуючи як ланцюг радіоактивного розпаду, який може включати дюжину і більше елементів і закінчується мільйонами років.
Ланцюгові реакції та шанс
Ядро урану розпадається на два легші елементи, коли поглинає блукаючий нейтрон; нейтрон дестабілізує ядро, роблячи його більш імовірним для поділу. Оскільки при поділі утворюються вільні нейтрони, вони можуть вражати сусідні атоми, змушуючи їх також розщеплюватися, створюючи ланцюгову реакцію поділів поділу. Оскільки ядерні реакції мають квантово-механічну природу, ними керують ймовірності та випадковість. Коли ланцюгові реакції мають менше шансів, вони вимирають, оскільки все менше і менше нейтронів викликають послідовні розщеплення. Коли обставини сприяють ланцюговій реакції, розщеплення продовжується стабільно. І коли розщеплення дуже ймовірні, ланцюгові реакції прискорюються, розщеплюючи швидко зростаючу кількість атомів і вивільняючи їх енергію.
Критична маса
Ймовірність розщеплення та ланцюгових реакцій частково залежить від маси задіяного радіоактивного матеріалу. У точці, яка називається критичною масою, ланцюгові реакції в основному є самопідтримуваними, але не збільшуються. Кожен радіоактивний елемент має певну критичну масу для сфери речовини; наприклад, критична маса урану-235 становить 56 кг, тоді як потрібно лише 11 кг плутонію-239. Вчені, які зберігають запаси радіоактивних матеріалів, зберігають їх таким чином, що ці кількості ніколи не трапляються в одному загальному районі; інакше вони можуть спричинити сильні спалахи летального випромінювання.
Докритична і надкритична маса
Для сферичної форми радіоактивної речовини збільшення маси збільшує кількість нейтронів, що виділяються в даний момент, і ймовірність того, що розщеплення призведуть до ланцюгових реакцій. Кількості, менші за критичну масу радіоактивного елемента, мають ланцюгові реакції, але вони, швидше за все, вимирають, ніж продовжуються. Крім критичної маси, швидкість розщеплення збільшується, що призводить до небезпечної ситуації, яка не піддається контролю. Атомні електростанції використовують підкритичну кількість радіоактивних елементів - достатньо для виробництва великої кількості енергії, але яка з міркувань безпеки ніколи не може призвести до ядерного вибуху. Натомість атомні бомби використовують кількість матеріалів набагато ближче до критичної маси. Атомна бомба залишається критичною доти, доки її не спрацьовує сплеск нейтронів і не видавить вибухом звичайних вибухових речовин. Вибухові речовини призводять до того, що матеріал стає на мить надкритичним; ланцюгові реакції виходять з-під контролю через кілька мільйонних часток секунди, виділяючи енергетичний еквівалент у десятки тисяч тонн тротилу.