In het sub-atomaire rijk dat wordt beheerst door de regels van de kwantummechanica, levert een proces genaamd splijting de fundamentele energiebron voor zowel atoombommen als kernreactoren. Wat deze twee enorm verschillende resultaten scheidt - de ene gewelddadig, de andere gecontroleerd - is het concept van kritische massa, een denkbeeldige scheidslijn die bepaalt of een nucleaire reactie langzaam en langdurig of snel en van korte duur is.
Atomic Fission

Atomen van onstabiele elementen zoals uranium en plutonium splitsen zich in paren van lichtere elementen wanneer ze radioactief verval ondergaan, een proces dat splijting wordt genoemd. Uranium-235 kan bijvoorbeeld splitsen in krypton-89 en barium-144, een splijting die ook twee overgebleven neutronen uitzendt. De lichtere elementen kunnen ook onstabiel zijn en doorgaan als een radioactieve vervalketen die een dozijn of meer elementen kan bevatten en miljoenen jaren kan duren om te voltooien.
Kettingreacties en kans

Een uraniumkern splitst zich in twee aanstekers elementen wanneer het een verdwaalde neutron absorbeert; het neutron destabiliseert de kern, waardoor het waarschijnlijker wordt een splijting te ondergaan. Omdat een splijting vrije neutronen produceert, kunnen ze naburige atomen treffen, waardoor ze ook splitsen, waardoor een kettingreactie van splijtinggebeurtenissen ontstaat. Omdat nucleaire reacties kwantummechanisch van aard zijn, worden ze beheerst door waarschijnlijkheden en toeval. Wanneer kettingreacties minder snel optreden, sterven ze uit, omdat steeds minder neutronen opeenvolgende splijting veroorzaken. Wanneer omstandigheden kettingreacties begunstigen, gaan de splijten gestaag door. En wanneer splijting zeer waarschijnlijk is, versnellen kettingreacties, waardoor een snel toenemend aantal atomen wordt gesplitst en hun energie vrijkomt.
Kritieke massa

De waarschijnlijkheid van splijting en kettingreacties hangt gedeeltelijk af van de massa van de radioactieve betrokken materiaal. Op een punt dat kritische massa wordt genoemd, zijn de kettingreacties grotendeels zelfvoorzienend maar nemen niet toe. Elk radioactief element heeft een specifieke kritische massa voor een bol van de stof; de kritische massa van uranium-235 is bijvoorbeeld 56 kg, terwijl slechts 11 kg plutonium-239 nodig is. Wetenschappers die voorraden radioactief materiaal aanhouden, slaan deze zodanig op dat deze hoeveelheden nooit in dezelfde algemene omgeving voorkomen; anders kunnen ze gewelddadige uitbarstingen van dodelijke straling produceren.
Subkritische en superkritische massa

Voor een bolvorm van radioactieve stof verhoogt het vergroten van de massa het aantal neutronen dat op een bepaald moment wordt afgegeven en de kans dat splijten leiden tot kettingreacties. Hoeveelheden kleiner dan een kritische massa van een radioactief element hebben kettingreacties, maar ze zullen eerder uitsterven dan doorgaan. Voorbij de kritische massa neemt de snelheid van splijting toe, wat leidt tot een gevaarlijke, uit de hand gelopen situatie. Kerncentrales gebruiken subkritische hoeveelheden radioactieve elementen - genoeg om royale hoeveelheden energie te produceren, maar die om veiligheidsredenen nooit tot een nucleaire explosie kunnen leiden. Atoombommen gebruiken daarentegen een hoeveelheid materialen die veel dichter bij een kritische massa liggen. Een atoombom blijft subkritisch totdat deze wordt geactiveerd met een uitbarsting van neutronen en wordt samengedrukt door een explosie van conventionele hoge explosieven. De explosieven zorgen ervoor dat het materiaal tijdelijk superkritisch wordt; kettingreacties lopen binnen een paar miljoensten van een seconde uit de hand, waardoor het energie-equivalent van tienduizenden tonnen TNT vrijkomt.