E' risaputo che i nuclei di molti atomi sono stabili cioè, se lasciati in disparte, rimangono inalterati nel tempo. Questi sono i nuclei della maggior parte degli elementi naturali. Altri nuclei sono instabili, cioè si frammentano in un tempo brevissimo di circa 1 milionesimo di miliardesimo di secondo. Questi nuclei sono ovviamente assenti in natura: appena se ne forma uno per un qualunque motivo, subito esso "scompare" per fissione nucleare. Altri nuclei sono semi-stabili: cioè tendono a rompersi in un tempo relativamente lungo, da qualche secondo a qualche milione di anni. Questi nuclei esistono in natura, sebbene in piccole quantità, e vengono chiamati "debolmente radioattivi". Per stimolare i nuclei debolmente radioattivi bisogna, in qualche modo, modificarli. Uno dei metodi più semplici per sbilanciare qualcosa o qualcuno è quello di urtarlo. Così è anche per questi nuclei: se vengono urtati da un neutrone, ad esempio, essi tendono a decadere, cioè a rompersi, immediatamente. Quindi, concentrando in un piccolo volume notevoli quantità di un materiale debolmente radioattivo possiamo sperare che alcuni dei neutroni prodotti nelle(poche)fissioni naturali che avverrebbero comunque vadano a colpire altri nuclei, rendendoli instabili, provocando altre fissioni, e così via. Se riusciamo a far autoalimentare questo processo a catena, otterremo rapidamente una grande quantità di energia. Questo meccanismo è quello che sta alla base della costruzione delle cosiddette bombe nucleari a fissione, cioè quelle il cui meccanismo di produzione di energia si basa sulla fissione di nuclei pesanti in nuclei più leggeri.

Grafico dei nuclei. Ciascun puntino rappresenta un nucleo, avente Z protoni e A – Z neutroni. Per piccoli valori di Z, i nuclei si trovano all’incirca sulla bisettrice degli assi (quindi è, all’incirca, A = 2Z). Per grandi valori di Z, i nuclei hanno chiaramente un eccesso di neutroni rispetto ai protoni. I puntini neri si riferiscono agli isotopi più stabili.

Due elementi si sono rivelati particolarmente utili per la costruzione di questo tipo di bombe: l'uranio ed il plutonio. E' indispensabile adesso introdurre la convenzione normalmente utilizzata per identificare i vari isotopi dei diversi elementi: essi vengono normalmente indicati con un numero in alto a sinistra seguito da una o più lettere, dove il numero indica la somma dei protoni e dei neutroni presenti (è detto massa atomica e si indica con A) e, chiaramente, la lettera (o le lettere) identifica l'elemento chimico di appartenenza. Sapendo che ogni atomo è caratterizzato da un ben definito numero di protoni, e quindi di elettroni, chiamato numero atomico (che si indica con Z), risulta ben chiaro che il numero di neutroni presenti in un atomo sarà dato dalla differenza della massa atomica con il numero atomico (numero neutroni = A - Z). Un esempio: considerando l'atomo di deuterio ²H (che è un isotopo dell'idrogeno) e sapendo che l'atomo di idrogeno ha il numero atomico uguale a 1 si può risalire facilmente al numero di neutroni dato da 2 (massa atomica) - 1 (numero di massa) = 1 (numero dei neutroni presenti nell'atomo). In natura si trovano normalmente diverse percentuali dei vari isotopi dello stesso elemento. L'ossigeno naturale, per esempio, è composto prevalentemente dall'isotopo 16O, ma anche piccole percentuali di altri isotopi con 8 protoni ed un numero variabile di neutroni sono presenti.
La scoperta della fissione nucleare è dovuta in larga parte agli esperimenti di Fermi, il quale per primo bombardò con neutroni l'uranio naturale, durante gli anni '30. L'uranio è il più pesante degli elementi chimici naturali. Il suo nucleo è composto da ben 92 protoni ed un numero variabile di neutroni. In massima parte l'uranio naturale è costituito dall'isotopo ²³⁸U, cioè con 238 - 92 = 146 neutroni. Ma, mescolato ad esso nella percentuale dello 0,7% si trova anche l' ²³⁵U, con 143 neutroni. L' ²³⁵U è debolmente radioattivo: su 100 nuclei di ²³⁵U se ne spezzano 50 in media in un tempo di 4,5 miliardi di anni. Un processo di fissione naturale estremamente lento. L' ²³⁶U è invece un nucleo instabile e non esiste in natura. Se bombardiamo con neutroni dell'uranio naturale, la maggior parte di essi andranno contro i nuclei di ²³⁵U, formando il nucleo instabile ²³⁶U il quale immediatamente si scinde. Si osserva quindi in questo esperimento un aumento della radioattività naturale: i nuclei di ²³⁵U si scindono ad un ritmo accelerato rispetto a quello naturale a causa del bombardamento di neutroni.
Da un punto di vista militare, il fatto che la maggior parte dell'uranio naturale sia composta da ²³⁸U non è piacevole. Per costruire un'efficiente bomba a fissione all'uranio bisognerà innanzi tutto separare l' ²³⁵U dall' ²³⁸U. Si è detto che concentrando una data quantità di materiale debolmente radioattivo, man mano cresce la probabilità che alcuni dei neutroni emessi nelle(poche) reazioni naturali colpiscano altri nuclei nelle vicinanze, provocando reazioni indotte. Quindi la radioattività naturale crescerà progressivamente, man mano che si aggiunge altro materiale. Per ogni materiale fissile, cioè in grado di subire una fissione nucleare, esiste una quantità minima di materiale che bisogna concentrare per provocare un'esplosione nucleare. Questa quantità viene detta massa critica.

 Una sfera di 12 cm di diametro. Queste dimensioni aveva la sfera di ²³⁵U usata per la costruzione della prima bomba atomica.

Per l' ²³⁵U la massa critica è di circa 16 Kg equivalente ad una pallina del diametro di 12 cm. Ovviamente sarà opportuno rimanere ben lontani nel momento in cui si riescano ad ottenere i fatidici 16 Kg: non appena raggiunti la pallina di uranio esploderebbe spontaneamente. La prima bomba di questo tipo esplose il 16 luglio 1945, per prova, ad Alamogordo nel Nuovo Messico (vedi progetto Manhattan), una zona desertica degli stati uniti. Essa era costituita da due pezzi di ²³⁵U: una sfera di 12 cm di diametro, con un foro cilindrico nel mezzo e poi un cilindro che entrasse perfettamente nel buco. Fino a che il cilindro è fuori dalla sfera nulla accade tranne un piccolo aumento della radioattività. Una piccola bomba al tritolo spingeva quindi il cilindro dentro la sfera e, poiché erano stati raggiunti i 16 Kg di massa critica, si innescò istantaneamente un'esplosione nucleare. La seconda e la terza bomba, all'uranio ed al plutonio, esplosero rispettivamente il 6 ed il 9 agosto 1945 su Hiroshima e Nagasaki.
Le bombe al plutonio funzionano esattamente allo stesso modo: solo il combustibile nucleare è diverso trattandosi dell'isotopo ²³⁹Pu del plutonio. Il plutonio è un elemento artificiale, cioè non esiste in natura. Ciò indica che tutti i suoi isotopi sono fissili: la scelta dell'uno o dell'altro è solo una questione tecnica. Due sono le principali controindicazioni della fissione, che indussero a cercare di costruire bombe nucleari a fusione. La prima è connessa alla scarsità di uranio e di altri materiali fissili in natura. Questo rende estremamente costosa la ricerca e la preparazione del materiale. Per aumentare la potenza esplosiva dobbiamo comunque aumentare la quantità di combustibile nucleare utilizzata. La seconda ragione è connessa all'aumento di radioattività di cui abbiamo parlato: il materiale fissile, anche se non ha raggiunto la massa critica, è comunque abbastanza concentrato all'interno di una bomba; il numero di fissioni che avvengono aumenta, rispetto ai livelli naturali. Dopo qualche anno il combustibile nucleare, originariamente puro, è così contaminato da non essere più in grado di esplodere.

In sottofondo: F. Chopin, Notturno N. 4 in Fa magg., Op. 15 n.1