Rozszczepienie jądra - synteza jądra
Przy użyciu U-235 można dokonać dwóch rodzajów eksplozji jądrowych, rozszczepienia i syntezy. Rozszczepienie jest to reakcja jądrowa, w której jadro atomowe dzieli się na dwa fragmenty, zazwyczaj o porównywalnej masie, z równoczesnym uwolnieniem od stu do kilkuset milionów elektronowoltów energii. W bombie jądrowej energia ta jest wydzielana w postaci gwałtownego wybuchu. Reakcja syntezy musi zostać zapoczątkowana przez reakcję rozszczepienia, ale w przeciwieństwie do bomby rozszczepieniowej, energia bomby syntezy (wodorowej) wydziela się z syntezy jader różnych izotopów wodoru w jadro helu. W niniejszym tekście omawiana jest wyłącznie bomba atomowa.
Ogromna energia bomby atomowej bierze się z sił spajających atom. Są to siły pokrewne siłom magnetycznym, ale ich charakter jest inny. Atomy składaj się z trzech cząstek elementarnych. Zwiane ze sobą protony i neutrony twórz jadro (centrum masy) atomu, a elektrony obiegajš orbity wokół jądra jak planety wokół słońca. Od tych cząstek zależy stabilność atomu. Atomy większości pierwiastków naturalnych dają się rozszczepić wyłącznie w akceleratorach przez bombardowanie cząstkami. Jedynym naturalnym pierwiastkiem, którego jądra atomowe dają się w praktycznych warunkach stosunkowo łatwo rozszczepić jest metal, uran. Jądra uranu są niezwykle duże, trudno im więc utrzymywać się mocno w całości.
Jest to przyczyną wyjątkowej podatności uranu na rozszczepienie. Istnieją dwa izotopy uranu. Uran naturalny składa się w większości z izotopu U-238, którego jądro zawiera 92 protony i 146 neutronów (92 + 146 = 238). Oprócz niego zawiera on jeszcze 0,6% U-235, którego jądro zawiera tylko 143 neutrony. W przeciwieństwie do U-238 jądra tego izotopu dają się rozszczepiać, nazywa się go zatem "rozszczepialnym" i nadaje się on do wytwarzania bomb atomowych. U-238 jest bogaty w neutrony i raczej odbija neutrony, zamiast je pochłaniać jak U-235. (U-238 nie bierze żadnego udziału w reakcji rozszczepienia, ale dzięki swoim własnościom odbijania neutronów jest doskonałym ekranem dla U-235 w bombie.) Pozwala to zapobiegać przypadkowej reakcji łańcuchowej w bombie pomiędzy większą masąU-235 a jej mniejszym "pociskiem". Oba naturalne izotopy uranu sš radioaktywne. Ich wielkie atomy rozpadają się z upływem czasu.
W ciągu bardzo długiego czasu znaczna część atomów uranu zmieni się w ołów (połowa przez 5 miliardów lat). Jednak przemiany te można przyspieszyć. Taki proces nazywa się reakcją łańcuchową. Zamiast powolnego rozpadu, neutrony przenikające do jąder wymuszają przyspieszone ich rozszczepienie. Jądro U-235 jest na tyle niestabilne, że jeden neutron powoduje jego rozszczepienie, wywołujące reakcję łańcuchową. Może ona się zdarzyć gdy masa jest bliska krytycznej. W trakcie reakcji łańcuchowej jądra uranu rozszczepiają się na dwa mniejsze jądra różnych pierwiastków, jak na przykład baru i kryptonu. Gdy jądro U-235 rozszczepia się, zostaje wydzielona energia w formie ciepła i promieniowania gamma, najbardziej przenikliwego i śmiercionośnego promieniowania radioaktywnego. W trakcie tej reakcji, rozszczepiane jądro emituje jeszcze dwa lub trzy ze swoich "nadmiarowych" neutronów, nie potrzebnych w powstających jądrach baru i kryptonu. Są one wyrzucane z energią na tyle dużą, aby spowodować rozszczepienie następnych napotkanych atomów, które z kolei wywołają następne rozszczepienia itd.
Odbywa się to nie arytmetycznie, ale geometrycznie. A wszystko dzieje się w milionowej części sekundy. Minimalna ilość pierwiastka rozszczepialnego, potrzebna do rozwinięcia się opisanej reakcji łańcuchowej, jest znana pod nazwą masy krytycznej. Masa ta zależy od czystoczystości materiału. Dla czystego U-235 wynosi ona 110 funtów (50 kg), ale uran nigdy nie jest całkowicie czysty, w praktyce więc jest ona większa.
