Mikä on atomin halkeaminen. Suurvalta. Yhtenäisen luontoteorian etsintä. Pisara, kuori, kristalli

Ydinfissio on raskaan atomin hajoamista kahdeksi suunnilleen samanmassaiseksi fragmentiksi, johon liittyy suuren energiamäärän vapautuminen.

Ydinfission löytäminen aloitti uuden aikakauden - "atomiaikakauden". Sen mahdollisen käytön mahdollisuudet ja riskin ja hyödyn suhde sen käytöstä ovat tuottaneet paitsi monia sosiologisia, poliittisia, taloudellisia ja tieteellisiä saavutuksia, myös vakavia ongelmia. Jopa puhtaasti tieteellisestä näkökulmasta katsottuna ydinfissioprosessi on luonut suuren määrän arvoituksia ja komplikaatioita, ja sen täydellinen teoreettinen selitys on tulevaisuuden kysymys.

Jakaminen on kannattavaa

Sitoutumisenergiat (nukleonia kohti) vaihtelevat eri ytimillä. Raskaimmilla on alhaisempi sitoutumisenergia kuin jaksollisen taulukon keskellä.

Tämä tarkoittaa, että raskaille ytimille, joiden atomiluku on suurempi kuin 100, on edullista jakaa kahdeksi pienemmäksi fragmentiksi, jolloin vapautuu energiaa, joka muuttuu fragmenttien kineettiseksi energiaksi. Tätä prosessia kutsutaan jakamiseksi

Stabiilisuuskäyrän mukaan, joka osoittaa protonien lukumäärän riippuvuuden neutronien lukumäärästä stabiileissa nuklideissa, raskaammat ytimet pitävät enemmän neutroneista (verrattuna protonien määrään) kuin kevyemmät. Tämä viittaa siihen, että halkeamisprosessin mukana vapautuu joitain "varaneutroneja". Lisäksi he ottavat myös osan vapautuneesta energiasta. Uraaniatomin ydinfissiotutkimus osoitti, että vapautuu 3-4 neutronia: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Fragmentin atomiluku (ja atomimassa) ei ole yhtä suuri kuin puolet alkuperäisen atomimassasta. Halkeamisen seurauksena muodostuneiden atomien massojen ero on yleensä noin 50. Totta, syy tähän ei ole vielä täysin selvillä.

238 U:n, 145 La:n ja 90 Br:n sitoutumisenergiat ovat vastaavasti 1803, 1198 ja 763 MeV. Tämä tarkoittaa, että tämän reaktion seurauksena vapautuu uraaniytimen fissioenergiaa, joka on 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontaani jakautuminen

Spontaanien halkeamisprosessit tunnetaan luonnossa, mutta ne ovat hyvin harvinaisia. Tämän prosessin keskimääräinen elinikä on noin 10 17 vuotta ja esimerkiksi saman radionuklidin alfahajoamisen keskimääräinen elinikä on noin 10 11 vuotta.

Syynä tähän on se, että ytimen on hajoaakseen kahteen osaan ensin muotoiltava (venytettävä) ellipsoidimuotoiseksi ja muodostaa keskelle ”kaulan” ennen kuin se lopulta jakautuu kahteen osaan.

Mahdollinen este

Epämuodostuneessa tilassa ytimeen vaikuttaa kaksi voimaa. Toinen on lisääntynyt pintaenergia (nestepisaran pintajännitys selittää sen pallomaisen muodon) ja toinen on Coulombin hylkiminen fissiofragmenttien välillä. Yhdessä ne muodostavat mahdollisen esteen.

Kuten alfahajoamisen tapauksessa, jotta uraaniatomiytimen spontaani fissio tapahtuisi, fragmenttien on voitettava tämä este käyttämällä kvanttitunnelointia. Este on noin 6 MeV, kuten alfahajoamisen tapauksessa, mutta alfahiukkasen tunneloitumisen todennäköisyys on paljon suurempi kuin paljon raskaamman atomin fissiotuotteen.

pakko jakaminen

Paljon todennäköisempi on uraanin ytimen indusoitu fissio. Tässä tapauksessa emoydin säteilytetään neutroneilla. Jos vanhempi imee sen, ne sitoutuvat vapauttaen sitoutumisenergiaa värähtelyenergian muodossa, joka voi ylittää potentiaaliesteen ylittämiseen vaaditun 6 MeV:n.

Jos lisäneutronin energia ei riitä potentiaaliesteen ylittämiseen, tulevalla neutronilla on oltava pienin liike-energia, jotta se voi aiheuttaa atomin halkeamisen. 238 U:n tapauksessa lisäneutronien sitoutumisenergia on noin 1 MeV lyhyt. Tämä tarkoittaa, että uraaniytimen fissio indusoituu vain neutronilla, jonka kineettinen energia on suurempi kuin 1 MeV. Toisaalta isotoopilla 235 U on yksi pariton neutroni. Kun ydin imee ylimääräisen, se muodostaa sen kanssa parin, ja tämän pariutumisen seurauksena syntyy lisää sitoutumisenergiaa. Tämä riittää vapauttamaan ytimen tarvitseman energiamäärän potentiaaliesteen ylittämiseen ja isotooppifissio tapahtuu törmäyksessä minkä tahansa neutronin kanssa.

beetan hajoaminen

Vaikka fissioreaktio lähettää kolme tai neljä neutronia, fragmentit sisältävät silti enemmän neutroneja kuin niiden stabiilit isobaarit. Tämä tarkoittaa, että pilkkoutumisfragmentit ovat yleensä epästabiileja beetahajoamista vastaan.

Esimerkiksi kun uraanin 238U fissio tapahtuu, stabiili isobaari, jonka A = 145 on neodyymi 145Nd, mikä tarkoittaa, että lantaani 145La -fragmentti hajoaa kolmessa vaiheessa, joka kerta emittoimalla elektronin ja antineutrinon, kunnes muodostuu stabiili nuklidi. Stabiili isobaari, jonka A = 90, on zirkonium 90 Zr, joten bromi 90 Br halkaiseva fragmentti hajoaa β-hajoamisketjun viidessä vaiheessa.

Nämä β-hajoamisketjut vapauttavat lisäenergiaa, jonka elektronit ja antineutriinot kuljettavat lähes kokonaan pois.

Ydinreaktiot: uraaniytimien fissio

Neutronin suora emissio nuklidista, jossa niitä on liikaa ytimen stabiilisuuden varmistamiseksi, on epätodennäköistä. Asia on siinä, että Coulombin hylkimistä ei ole, joten pintaenergia pyrkii pitämään neutronin sidoksessa vanhemman kanssa. Näin kuitenkin joskus tapahtuu. Esimerkiksi 90 Br:n fissiofragmentti ensimmäisessä beetahajoamisvaiheessa tuottaa krypton-90:tä, joka voi olla virittyneessä tilassa, jossa on tarpeeksi energiaa pintaenergian voittamiseksi. Tässä tapauksessa neutronien emissio voi tapahtua suoraan krypton-89:n muodostumisen yhteydessä. edelleen epävakaa suhteessa β-hajoamiseen, kunnes se muunnetaan stabiiliksi yttrium-89:ksi, joten krypton-89 hajoaa kolmessa vaiheessa.

Uraaniytimien fissio: ketjureaktio

Fissioreaktiossa vapautuvat neutronit voivat absorboitua toiseen emoytimeen, joka sitten itse käy läpi indusoidun fission. Uraani-238:n tapauksessa kolme syntyvää neutronia tulee ulos energialla, joka on alle 1 MeV (uraaniytimen fission aikana vapautuva energia - 158 MeV - muunnetaan pääasiassa fissiokappaleiden liike-energiaksi ), joten ne eivät voi aiheuttaa tämän nuklidin lisäfissiota. Harvinaisen isotoopin 235 U merkittävässä pitoisuudessa nämä vapaat neutronit voivat kuitenkin vangita 235 U:n ytimiin, mikä voi todellakin aiheuttaa fissiota, koska tässä tapauksessa ei ole energiakynnystä, jonka alapuolella fissio ei aiheuta.

Tämä on ketjureaktion periaate.

Ydinreaktioiden tyypit

Olkoon k niiden neutronien lukumäärä, jotka syntyvät fissioituvan materiaalin näytteessä tämän ketjun vaiheessa n, jaettuna vaiheessa n - 1 tuotettujen neutronien lukumäärällä. Tämä määrä riippuu siitä, kuinka monta vaiheessa n - 1 valmistettua neutronia absorboituu ytimen toimesta, joka saattaa joutua jakautumaan.

Jos k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Jos k > 1, niin ketjureaktio kasvaa, kunnes kaikki halkeamiskelpoinen materiaali on käytetty, mikä saavutetaan rikastamalla luonnonmalmia siten, että saadaan riittävän suuri uraani-235-pitoisuus. Pallomaisessa näytteessä k:n arvo kasvaa neutronien absorption todennäköisyyden kasvaessa, mikä riippuu pallon säteestä. Siksi U-massan on ylitettävä tietty määrä, jotta uraaniytimien fissio (ketjureaktio) tapahtuisi.

Jos k = 1, tapahtuu kontrolloitu reaktio. Tätä käytetään prosessissa, jota ohjataan jakamalla kadmium- tai boorisauvat uraanin kesken, jotka absorboivat suurimman osan neutroneista (näillä alkuaineilla on kyky siepata neutroneja). Uraaniytimen fissiota ohjataan automaattisesti liikuttamalla sauvoja siten, että k:n arvo pysyy yhtä suurena.

Usein sanotaan, että tieteitä on kahdenlaisia - suuria ja pieniä. Atomin halkeaminen on iso tiede. Sillä on jättimäiset kokeelliset tilat, valtavat budjetit ja se saa leijonanosan Nobel-palkinnoista.

Miksi fyysikkojen piti jakaa atomi? Yksinkertainen vastaus - ymmärtää kuinka atomi toimii - sisältää vain murto-osan totuudesta, mutta siihen on myös yleisempi syy. Sanoa kirjaimellisesti atomin halkeamisesta ei ole täysin oikein. Todellisuudessa puhumme korkeaenergisten hiukkasten törmäyksestä. Suurilla nopeuksilla liikkuvien subatomisten hiukkasten törmäyksessä syntyy uusi vuorovaikutusten ja kenttien maailma. Valtavaa energiaa kantavat aineen palaset, jotka ovat hajallaan törmäysten jälkeen, kätkevät luonnon salaisuuksia, jotka "maailman luomisesta" jäivät hautautumaan atomin suolistoon.

Tilat, joissa suurienergisiä hiukkastörmäyksiä suoritetaan - hiukkaskiihdyttimiä - hämmästyttävät koostaan ja kustannuksillaan. Niiden halkaisija on useita kilometrejä, ja niihin verrattuna jopa laboratoriot, joissa hiukkasten törmäyksiä tutkitaan, näyttävät pieniltä. Muilla tieteellisen tutkimuksen osa-alueilla laitteet sijaitsevat laboratoriossa, korkeaenergisessä fysiikassa laboratoriot on kiinnitetty kiihdyttimeen. Äskettäin Geneven lähellä sijaitseva Euroopan ydintutkimuskeskus (CERN) myönsi useita satoja miljoonia dollareita rengaskiihdytin rakentamiseen. Tätä tarkoitusta varten rakennettavan tunnelin ympärysmitta on 27 km. Kiihdytin, jota kutsutaan nimellä LEP (LEP, Large Electron-Positron ring), on suunniteltu kiihdyttämään elektroneja ja niiden antihiukkasia (positroneja) nopeuksille, jotka eroavat vain "karvan verran" valon nopeudesta. Saadaksesi käsityksen energian mittakaavasta, kuvittele, että elektronien sijasta pennykolikko kiihtyy sellaisiin nopeuksiin. Kiihdytyssyklin lopussa siinä olisi tarpeeksi energiaa tuottamaan 1 000 miljoonan dollarin arvosta sähköä! Ei ole yllättävää, että tällaiset kokeet luokitellaan yleensä korkean energian fysiikaksi. Liikkuessaan toisiaan kohti renkaan sisällä elektronien ja positronien säteet kokevat otsatörmäyksiä, joissa elektronit ja positronit tuhoutuvat vapauttaen energiaa, joka riittää muodostamaan kymmeniä muita hiukkasia.

Mitä nämä hiukkaset ovat? Jotkut niistä ovat juuri niitä "tiiliä", joista meidät on rakennettu: protoneja ja neutroneja, jotka muodostavat atomiytimiä, ja ytimien ympärillä kiertäviä elektroneja. Muita hiukkasia ei yleensä löydy ympäröivästä aineesta: niiden elinikä on erittäin lyhyt ja sen umpeuduttua ne hajoavat tavallisiksi hiukkasiksi. Tällaisten epävakaiden lyhytikäisten hiukkasten lajikkeiden määrä on hämmästyttävä: useita satoja niistä tunnetaan jo. Kuten tähdet, epävakaat hiukkaset ovat liian lukuisia erotettavaksi "nimellä". Monet niistä on merkitty vain kreikkalaisilla kirjaimilla, ja jotkut ovat yksinkertaisesti numeroita.

On tärkeää pitää mielessä, että kaikki nämä lukuisat ja erilaiset epästabiilit hiukkaset eivät missään nimessä ole kirjaimellisessa merkityksessä osat protoneja, neutroneja tai elektroneja. Törmäävät, korkeaenergiset elektronit ja positronit eivät hajoa ollenkaan moniin subatomisiksi fragmenteiksi. Jopa korkeaenergisten protonien törmäyksissä, jotka ilmeisesti koostuvat muista esineistä (kvarkeista), ne eivät pääsääntöisesti hajoa osiin tavallisessa merkityksessä. Se, mitä tällaisissa törmäyksissä tapahtuu, nähdään paremmin uusien hiukkasten suorana tuotona törmäyksen energiasta.

Noin kaksikymmentä vuotta sitten fyysikot olivat täysin ymmällään uusien subatomisten hiukkasten runsaudesta ja moninaisuudesta, joilla ei näyttänyt olevan loppua. Sitä oli mahdotonta ymmärtää minkä vuoksi niin paljon hiukkasia. Ehkä alkuainehiukkaset ovat kuin eläintarhan asukkaita implisiittisellä perheeseen kuulumisellaan, mutta ilman selkeää taksonomiaa. Tai kenties, kuten jotkut optimistit uskoivat, alkuainehiukkasilla on avain maailmankaikkeuteen? Mitä ovat fyysikkojen havaitsemat hiukkaset: merkityksettömiä ja satunnaisia aineen sirpaleita tai epämääräisesti havaitun järjestyksen ääriviivoja, jotka näkyvät silmiemme edessä ja osoittavat rikkaan ja monimutkaisen rakenteen olemassaolon ydinvoimassa? Nykyään tällaisen rakenteen olemassaolosta ei ole epäilystäkään. Mikrokosmuksella on syvä ja rationaalinen järjestys, ja alamme ymmärtää kaikkien näiden hiukkasten merkityksen.

Ensimmäinen askel kohti mikrokosmoksen ymmärtämistä otettiin kaikkien tunnettujen hiukkasten systematisoinnin seurauksena, aivan kuten 1700-luvulla. biologit laativat yksityiskohtaisia luetteloita kasvi- ja eläinlajeista. Subatomisten hiukkasten tärkeimmät ominaisuudet ovat massa, sähkövaraus ja spin.

Koska massa ja paino liittyvät toisiinsa, hiukkasia, joilla on suuri massa, kutsutaan usein "raskaiksi". Einsteinin suhde E \u003d mc ^ 2 osoittaa, että hiukkasen massa riippuu sen energiasta ja siten sen nopeudesta. Liikkuva hiukkanen on raskaampaa kuin levossa oleva hiukkanen. Kun ihmiset puhuvat hiukkasen massasta, he tarkoittavat sitä. lepomassa, koska tämä massa on riippumaton liiketilasta. Hiukkanen, jonka lepomassa on nolla, liikkuu valonnopeudella. Ilmeisin esimerkki hiukkasesta, jonka lepomassa on nolla, on fotoni. Uskotaan, että elektroni on kevyin hiukkasista, joiden lepomassa on nolla. Protoni ja neutroni ovat lähes 2 000 kertaa painavampia, kun taas laboratoriossa luodun raskaimman hiukkasen (Z-hiukkasten) massa on noin 200 000 kertaa elektronin massa.

Hiukkasten sähkövaraus vaihtelee melko kapealla alueella, mutta kuten totesimme, se on aina varauksen perusyksikön monikerta. Joillakin hiukkasilla, kuten fotoneilla ja neutriinoilla, ei ole sähkövarausta. Jos positiivisesti varautuneen protonin varaukseksi otetaan +1, niin elektronin varaus on -1.

Ks. 2, otimme käyttöön vielä yhden hiukkasten ominaisuuden - spinin. Se ottaa aina myös arvoja, jotka ovat jonkin perusyksikön kerrannaisia, mikä historiallisista syistä valitaan 1:ksi /2. Siten protonilla, neutronilla ja elektronilla on spin 1/2, ja fotonin spin on 1. Tunnetaan myös hiukkaset, joiden spinit ovat 0, 3/2 ja 2. Perushiukkasia, joiden spinit ovat suurempia kuin 2, ei ole löydetty, ja teoreetikot uskovat, että hiukkasia, joilla on tällaisia spinejä, ei ole olemassa.

Hiukkasen spin on tärkeä ominaisuus, ja sen arvosta riippuen kaikki hiukkaset jaetaan kahteen luokkaan. Hiukkasia, joiden spinit ovat 0, 1 ja 2, kutsutaan "bosoneiksi" - intialaisen fyysikon Chatyendranath Bosen kunniaksi, ja hiukkasia, joiden spin on puolikokonaisluku (eli spinillä 1/2 tai 3/2). - "fermions" Enrico Fermin kunniaksi. Kuuluminen johonkin näistä kahdesta luokasta on luultavasti tärkein hiukkasten ominaisuuksien luettelossa.

Toinen tärkeä hiukkasen ominaisuus on sen elinikä. Viime aikoihin asti uskottiin, että elektronit, protonit, fotonit ja neutriinot ovat ehdottoman stabiileja, ts. on loputon elinikä. Neutroni pysyy stabiilina niin kauan kuin se on "lukittu" ytimeen, mutta vapaa neutroni hajoaa noin 15 minuutissa. Kaikki muut tunnetut hiukkaset ovat erittäin epävakaita, niiden elinikä vaihtelee muutamasta mikrosekunnista 10-23 s. Sellaiset aikavälit tuntuvat käsittämättömän pieniltä, mutta ei pidä unohtaa, että lähellä valonnopeutta lentävä hiukkanen (ja suurin osa kiihdytinissä syntyvistä hiukkasista liikkuu juuri sellaisilla nopeuksilla) onnistuu lentämään 300 metrin matkan mikrosekunnissa.

Epästabiilit hiukkaset hajoavat, mikä on kvanttiprosessi, ja siksi hajoamisessa on aina osa arvaamattomuudesta. Tietyn hiukkasen elinikää ei voida ennustaa etukäteen. Tilastollisten näkökohtien perusteella voidaan ennustaa vain keskimääräinen elinikä. Yleensä puhutaan hiukkasen puoliintumisajasta, ajasta, joka kuluu identtisten hiukkasten populaation vähenemiseen puoleen. Koe osoittaa, että populaation väheneminen tapahtuu eksponentiaalisesti (katso kuva 6) ja puoliintumisaika on 0,693 keskimääräisestä elinajasta.

Ei riitä, että fyysikot tietävät tämän tai toisen hiukkasen olemassaolosta - he yrittävät ymmärtää sen roolin. Vastaus tähän kysymykseen riippuu yllä lueteltujen hiukkasten ominaisuuksista sekä hiukkaseen ulkoa ja sisältä vaikuttavien voimien luonteesta. Ensinnäkin hiukkasen ominaisuudet määrää sen kyky (tai kyvyttömyys) osallistua vahvaan vuorovaikutukseen. Vahvaan vuorovaikutukseen osallistuvat hiukkaset muodostavat erikoisluokan ja niitä kutsutaan ns andronit. Hiukkasia, jotka osallistuvat heikkoon vuorovaikutukseen ja eivät osallistu vahvaan vuorovaikutukseen kutsutaan leptonit, mikä tarkoittaa "keuhkoja". Katsotaanpa lyhyesti jokaista näistä perheistä.

On tärkeää pitää mielessä, että kaikki nämä lukuisat ja vaihtelevat epävakaat hiukkaset eivät suinkaan ole kirjaimellisesti protonien, neutronien tai elektronien ainesosia. Törmäävät, korkeaenergiset elektronit ja positronit eivät hajoa ollenkaan moniin subatomisiksi fragmenteiksi. Jopa korkeaenergisten protonien törmäyksissä, jotka ilmeisesti koostuvat muista esineistä (kvarkeista), ne eivät pääsääntöisesti hajoa osiin tavallisessa merkityksessä. Se, mitä tällaisissa törmäyksissä tapahtuu, nähdään paremmin uusien hiukkasten suorana tuotona törmäyksen energiasta.

Noin kaksikymmentä vuotta sitten fyysikot olivat täysin ymmällään uusien subatomisten hiukkasten runsaudesta ja moninaisuudesta, joilla ei näyttänyt olevan loppua. Oli mahdotonta ymmärtää, miksi niin paljon hiukkasia. Ehkä alkuainehiukkaset ovat kuin eläintarhan asukkaita implisiittisellä perheeseen kuulumisellaan, mutta ilman selkeää taksonomiaa. Tai kenties, kuten jotkut optimistit uskoivat, alkuainehiukkasilla on avain maailmankaikkeuteen? Mitä ovat fyysikkojen havaitsemat hiukkaset: merkityksettömiä ja satunnaisia aineen sirpaleita tai epämääräisesti havaitun järjestyksen ääriviivoja, jotka näkyvät silmiemme edessä ja osoittavat rikkaan ja monimutkaisen rakenteen olemassaolon ydinvoimassa? Nykyään tällaisen rakenteen olemassaolosta ei ole epäilystäkään. Mikrokosmuksella on syvä ja rationaalinen järjestys, ja alamme ymmärtää kaikkien näiden hiukkasten merkityksen.

Valitse sopiva isotooppi. Jotkut alkuaineet tai isotoopit hajoavat radioaktiivisesti, ja eri isotoopit voivat käyttäytyä eri tavalla. Yleisin uraanin isotooppi on atomipainoltaan 238 ja se koostuu 92 protonista ja 146 neutronista, mutta sen ytimet yleensä imevät neutroneja halkeamatta kevyempien alkuaineiden ytimiin. Uraanin isotooppi, jonka ytimessä on kolme vähemmän neutronia, 235 U, fissioi paljon helpommin kuin 238 U, ja sitä kutsutaan fissioituvaksi isotoopiksi.

Uraanin fissio vapauttaa kolme neutronia, jotka törmäävät muihin uraaniatomeihin, mikä johtaa ketjureaktioon.
Jotkut isotoopit halkeavat niin helposti ja nopeasti, että jatkuvaa ydinreaktiota on mahdotonta ylläpitää. Tätä ilmiötä kutsutaan spontaaniksi tai spontaaniksi rappeutumiseksi. Esimerkiksi plutonium-isotooppi 240 Pu on alttiina tällaiselle hajoamiselle, toisin kuin 239 Pu, jonka fissionopeus on pienempi.

Jotta reaktio jatkuisi ensimmäisen atomin hajoamisen jälkeen, isotooppia on kerättävä riittävästi. Tätä varten tarvitaan tietty vähimmäismäärä halkeavaa isotooppia, joka tukee reaktiota. Tätä määrää kutsutaan kriittiseksi massaksi. Riittävästi lähtöainetta tarvitaan kriittisen massan saavuttamiseksi ja hajoamisen todennäköisyyden lisäämiseksi.

Ammu isotoopin yksi atomiydin saman isotoopin toiseen ytimeen. Koska vapaat subatomiset hiukkaset ovat melko harvinaisia, on usein tarpeen erottaa ne atomeista, jotka sisältävät näitä hiukkasia. Yksi tapa tehdä tämä on ampua yksi isotoopin atomi toiseen samanlaiseen.

Tätä menetelmää käytettiin Hiroshimaan pudotetun 235 U:n atomipommin luomiseen. Tykin kaltainen ase, jossa oli uraaniydin, ampui 235 U-atomia kohti identtistä 235 U-atomia. Atomit kulkivat riittävän nopeasti, jotta niistä vapautuneet neutronit tunkeutuivat muiden 235 U-atomien ytimiin ja halkaisivat ne. Fissio puolestaan vapautti neutroneja, jotka halkaisivat seuraavat 235 U-atomia.

Tulipalo halkeavan isotoopin ytimissä subatomisilla hiukkasilla. Yksi subatominen hiukkanen voi osua 235 U:n atomiin ja jakaa sen kahdeksi erilliseksi muiden alkuaineiden atomiksi, jolloin syntyy kolme neutronia. Subatomisia hiukkasia voidaan saada kontrolloidusta lähteestä (kuten neutronitykistä) tai luoda ydintörmäyksistä. Yleisesti käytetään kolmen tyyppisiä subatomisia hiukkasia.

Protonit. Näillä subatomisilla hiukkasilla on massa ja positiivinen sähkövaraus. Atomissa olevien protonien määrä määrittää, minkä alkuaineen atomi se on.
Neutronit. Näiden subatomisten hiukkasten massa on yhtä suuri kuin protonin massa, mutta ne ovat neutraaleja (ei sähkövarausta).
Alfa-hiukkasia. Nämä hiukkaset ovat heliumatomien elektronittomia ytimiä. Ne koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista.