No domínio subatômico governado pelas regras da mecânica quântica, um processo chamado fissão fornece a fonte fundamental de energia para bombas atômicas e reatores nucleares. O que separa esses dois resultados amplamente diferentes - um violento e o outro controlado - é o conceito de massa crítica, uma linha divisória imaginária que determina se uma reação nuclear é lenta e prolongada ou rápida e de curta duração.
Atomic Fission

Átomos de elementos instáveis, como urânio e plutônio, se dividem em pares de elementos mais leves quando sofrem decomposição radioativa, um processo chamado fissão. Por exemplo, o urânio-235 pode se dividir em krypton-89 e bário-144, uma fissão que também emite dois nêutrons restantes. Os elementos mais leves também podem ser instáveis, continuando como uma cadeia de decaimento radioativo que pode incluir uma dúzia ou mais elementos e levar milhões de anos para ser concluído.
Reações em Cadeia e Chance

Um núcleo de urânio se divide em dois mais leves elementos quando absorve um nêutron perdido; o nêutron desestabiliza o núcleo, aumentando a probabilidade de sofrer uma fissão. Como uma fissão produz nêutrons livres, eles podem atingir átomos vizinhos, fazendo com que eles também se separem, criando uma reação em cadeia de eventos de fissão. Como as reações nucleares são de natureza mecânica quântica, elas são regidas por probabilidades e acaso. Quando as reações em cadeia são menos prováveis de ocorrer, elas desaparecem, pois cada vez menos nêutrons desencadeiam fissões sucessivas. Quando as circunstâncias favorecem as reações em cadeia, as fissões continuam de maneira constante. E quando as fissões são muito prováveis, as reações em cadeia aceleram, dividindo um número cada vez maior de átomos e liberando sua energia.
Massa Crítica

A probabilidade de fissões e reações em cadeia depende em parte da massa da substância radioativa material envolvido. Em um ponto chamado massa crítica, as reações em cadeia são amplamente auto-sustentadas, mas não estão aumentando. Cada elemento radioativo possui uma massa crítica específica para uma esfera da substância; por exemplo, a massa crítica de urânio-235 é de 56 kg, enquanto apenas 11 kg de plutônio-239 são necessários. Os cientistas que mantêm estoques de materiais radioativos os armazenam de tal maneira que essas quantidades nunca ocorrem na mesma vizinhança geral; caso contrário, eles podem produzir explosões violentas de radiação letal.
Massa subcrítica e supercrítica

Para uma forma esférica de substância radioativa, aumentar a massa aumenta o número de nêutrons emitidos em um determinado momento e a probabilidade de que as fissões levam a reações em cadeia. Quantidades menores que a massa crítica de um elemento radioativo têm reações em cadeia, mas são mais propensas a desaparecer do que a continuar. Além da massa crítica, a taxa de fissões aumenta, levando a uma situação perigosa e fora de controle. As usinas nucleares usam quantidades sub-críticas de elementos radioativos - o suficiente para produzir quantidades generosas de energia, mas que, por razões de segurança, nunca podem levar a uma explosão nuclear. As bombas atômicas, por outro lado, usam uma quantidade de materiais muito mais próxima de uma massa crítica. Uma bomba atômica permanece subcrítica até ser acionada com uma explosão de nêutrons e espremida por uma explosão de altos explosivos convencionais. Os explosivos fazem com que o material se torne momentaneamente supercrítico; as reações em cadeia ficam fora de controle em alguns milionésimos de segundo, liberando a energia equivalente a dezenas de milhares de toneladas de TNT.