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중성자가 우라늄-235(²³⁵U)·플루토늄-239(²³⁹Pu)와 같은 동위 원소의 원자핵을 때리면 원자핵은 두 조각으로 갈라져 원래의 원자핵이 갖고 있던 양성자와 중성자의 절반 가량을 가진 2개의 원자핵이 생성된다.

이 핵분열 과정에서는 감마선과 2개 이상의 중성자뿐만 아니라 엄청난 열 에너지도 방출된다. 일정한 조건이 갖추어지면 핵분열 과정에서 빠져나온 중성자가 더 많은 주변의 우라늄 원자핵에 부딪혀 원자핵을 분열시키고, 분열된 원자핵은 더 많은 중성자를 방출하며, 이 중성자는 다시 더 많은 원자핵을 분열시킨다. 기하급수적으로 급속히 늘어나는 이 일련의 분열은 결국 연쇄 반응을 일으켜, 분열할 수 있는 재료가 거의 없어질 때까지 계속되면서 원자폭탄이 폭발을 일으킨다.

우라늄의 동위원소 가운데는 분열을 일으킬 수 있는 동위원소가 많지만, 천연 상태에서 ²³⁸U의 1/139이 발견되는 ²³⁵U는 다른 동위원소보다 더 쉽게 분열하며, 한 번 분열할 때마다 더 많은 중성자를 방출한다.

²³⁹Pu도 이런 성질을 갖고 있다. 이들 동위원소가 원자폭탄에 이용되는 중요한 핵분열 물질이다. 약 0.45kg의 적은 양의 ²³⁵U는 연쇄반응을 일으킬 수 없으므로 임계(臨界) 미만량이라고 부른다. 우라늄의 양이 적으면, 핵분열 과정에서 방출되는 중성자가 다른 원자핵에 부딪혀 분열을 일으키지 않을 가능성이 더 많기 때문이다.

여기에 더많은 ²³⁵U를 추가하면, 방출된 중성자 중 하나가 또다른 핵분열을 일으킬 가능성이 커진다. 이 경우에는 방출된 중성자가 더 많은 우라늄 원자핵을 가로질러야 하고, 따라서 다른 원자핵에 부딪혀 그것을 분열시킬 가능성이 더 많아지기 때문이다. 핵분열로 생성된 중성자 가운데 하나가 다른 핵분열을 일으키기 시작하는 우라늄의 평균 질량을 임계량이라고 부르는데, 이때부터 연쇄 반응과 원자폭탄의 폭발이 일어난다.

실제로 핵분열 물질을 다룰 때는 임계 미만량에서 임계량으로 갑자기 늘려야 한다.

이렇게 할 수 있는 첫번째 방법은 임계 미만량을 가진 두 무더기의 핵분열 물질을 하나로 합해 임계량으로 만드는 것이다. 실제로는 고성능 폭약을 이용하여 임계 미만량을 가진 둥근 막대 모양의 핵연료 2개를 속이 빈 관 속에 쏘면 된다. 2번째 방법은 내파(內破)라고 부르는 방법이다. 이 경우에는 둥근 공 모양의 핵분열 물질을 갑자기 더 작은 크기로 압축하여 밀도를 높인다. 밀도가 높아지기 때문에 원자핵이 더 단단하게 뭉치게 되고, 따라서 방출된 중성자가 다른 원자핵에 부딪힐 가능성은 더욱 커진다.

내파형 원자폭탄은 대개 둥근 공 모양의 핵분열 물질을 고성능 폭약의 금속외피로 둘러싸서 만든다. 이 폭약이 동시에 폭발하면서 엄청난 압력으로 안에 들어 있는 핵분열 물질을 내파하면, 핵분열 물질은 밀도가 높아지면서 즉시 임계량에 다다른다. 임계량에 쉽게 도달하도록 도와주는 중요한 보조물을 탬퍼라고 부른다. 산화베릴륨 같은 물질로 만드는 이 탬퍼는 핵분열 물질을 둘러싸고 있는 일종의 덮개인데, 핵분열 과정에서 방출된 중성자가 이 덮개에 부딪히면 다시 핵분열 물질 속으로 들어가 더 많은 분열을 일으킬 수 있다(부스팅).

핵분열은 핵분열 물질의 양에 비례하여 엄청난 에너지를 방출한다.

1kg의 ²³⁵U가 완전히 분열하면, TNT 1만 7,000t이 내는 것과 맞먹는 에너지를 방출한다. 원자폭탄이 폭발하면 엄청난 열 에너지가 나오는데, 폭탄 자체의 폭발만으로도 온도가 수백만℃로 올라간다. 이 열 에너지는 커다란 불덩어리를 만드는데, 불덩어리의 뜨거운 열기가 땅에 불을 붙여 작은 도시 1개 정도를 통째로 태워버릴 수 있다. 폭발이 일으키는 대류는 먼지를 비롯한 땅 위의 물질을 불덩어리 속으로 빨아들여, 원자폭탄이 폭발할 때의 독특한 특징인 버섯 모양의 구름을 만든다.

또한 원자폭탄이 폭발하면 즉시 강한 충격파를 동반한다. 이 충격파는 폭발 지점에서 사방으로 몇 km 거리까지 퍼지지만, 멀리 갈수록 차츰 위력을 잃는다. 이런 폭풍은 폭발 지점에서 몇 km나 떨어진 건물도 파괴할 수 있다. 많은 양의 중성자와 감마선도 방출된다. 이 치명적인 방사성 물질은 폭발 지점에서 2~3km쯤 가면 급속히 줄어들지만, 그 대부분이 폭발로 인해 대기 속에 흡수된 먼지와 연기 위에 쌓일 수 있다.

방사능을 지닌 이런 먼지를 방사진 또는 낙진이라고 부르는데, 이것은 바람을 타고 떠다니다가 폭발이 일어난 후 몇 주일 동안 인간에게 치명적인 영향을 미칠 수 있다.

최초의 원자폭탄은 제2차 세계대전 때 미국에서 이른바 맨해튼 계획에 따라 만들어졌다(맨해튼 계획). 플루토늄을 이용한 원자폭탄 1개를 1945년 7월 16일 뉴멕시코 주의 앨버커키에서 남쪽으로 193㎞ 떨어진 지점에서 실험하여 성공을 거두었다.

전쟁에 실제로 사용된 최초의 원자폭탄은 우라늄으로 만든 것이었다. 미국은 이 폭탄을 1945년 8월 6일 일본 히로시마[廣島]에 떨어뜨렸다. TNT 2만t의 위력과 맞먹는다고 발표된 이 원자폭탄은 34만 3,000명의 주민이 살고 있는 이 도시의 심장부 10.36㎢를 순식간에 완전히 폐허로 만들었다. 히로시마 주민들 가운데 6만 6,000명이 즉사했고 6만 9,000명이 상처를 입었으며, 도시 구조물의 67％ 이상이 파괴되거나 손상을 입었다.

플루토늄을 이용한 2번째 원자폭탄은 1945년 8월 9일 일본 나가사키[長崎]에 떨어졌다. 나가사키는 히로시마보다 작은 도시였고 지형도 유리했기 때문에 인명과 재산 피해는 히로시마보다 적었으나, 3만 9,000명이 즉사하고, 2만5,000명이 다쳤으며, 도시 구조물의 약 40％가 완전히 파괴되거나 심한 손상을 입었다. 일본은 이튿날부터 항복 협상을 시작했다(일본사).

전쟁이 끝난 뒤, 미국은 태평양의 에니위탁(에니웨토크) 산호섬과 네바다 주에서 수십 번의 원자 폭탄 폭발실험을 실시했다.

그후 소련·영국·프랑스·중국도 독자적인 핵분열 무기를 실험했다. 원자폭탄에서 나오는 높은 온도와 압력은 핵융합을 일으켜 열핵폭탄(수소폭탄)을 폭발시키는 데 이용된다. 1950년대초 수소폭탄이 개발되자, 핵 보유국은 원자폭탄과 핵무기를 전략적인 작전이 아닌 주로 전술적인 작전에 사용하게 되었다.→ 핵무기