はじめに原子という概念を導入したのは、紀元前のギリシア哲学者でした。たしか、エピクロスだったと思います。ただし、すべての物質が根源的な元素の組み合わせから成っている、という考え方自体はそんなに珍しいものではなく、古代中国においても木火土金水の５元素を定義し、それらの組み合わせによってこの世の物質が作られていると考えました。しかし、観念上の産物ではなく、実際の観察の対象としての原子という考え方が定着したのは、ようやく１８世紀のことでした。
　原子の定義を試みた人は少なくありませんが、いまだに確定されたものはありません。というのは、かつての化学的アプローチによる定義が原子物理学によって覆されてしまったからです。いまでは逆に、原子の構成要素の組み合わせによって原子そのものを規定するしかない状況となっています。
　普通、原子は「それ以上分割できないもの」とされていますが、原子物理学的にはこれは正しくありません。そこで、「化学的手法によってその性質を変更できない最小単位」という定義がいまのところもっとも現実的でしょう。ただし、これもごく限られた条件とはいえ正しくないらしいのですが。
　というわけで、いきなり原子構造の話に入ります。歴史的なアプローチの順序とは逆なのですが、おそらくその方が話はわかりやすいでしょう。原子は、原子核と電子から成り立っています。原子核は原子の質量の大部分を担っており、正の電気を帯びています。原子そのものも非常に小さいものですが、原子核はさらに小さく、水素原子の大きさを野球場にまで拡大すると、原子核はセカンドベース上に置かれたリンゴ程度の大きさでしかないそうです。しかし、既述のとおり原子核は原子の質量のほとんどを担当しています。そしてこのまわりを、さらに小さく、かつ負の電気を帯びている電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）がまわっており、その軌道の大きさがすなわち原子の大きさとなります。これがラザフォードによる原子の太陽系モデルです。
　通常、原子は電気的には中性です。言いかえると、原子核が持っている正の電気量と電子が持っている負の電子量は常にひとしくなります。原子の種類によって、ひとつの原子が保持している電子の数は決まっています。それぞれの電子が持っている電気量は一定ですから、ある原子のもつ電気量は（正であれ負であれ）この整数倍となります。そこで、この電気量を単位電荷量と定義します。すなわち、電子は負の単位電荷を持つ粒子であると定義することができます。いい忘れましたが、電子は非常に小さく、水素原子核の約１８６０分の１の質量しかありません。この軽い粒子が同じだけの電気量（単位電荷）を持つわけですから、質量あたりの電荷量の比率は非常に大きなものとなります。
　原子核は、常に正の電荷を持ち、その電気量は単位電荷の整数倍です。水素は電子をひとつしか持たない、もっとも軽い元素です（元素については後述）。したがって水素の原子核もまた単位電荷しか持たないことになります（符号は逆の正ですが）。そこで、この水素原子核が電子と同じくひとつの粒子であると考えたとき、これは重さが電子の１８６０倍で、等量（ただし、正の。すなわち、単位電荷）の電気量をもつと定義できます。これを陽子（Ｐｒｏｔｏｎ）と名付けます。
　この考え方を水素よりも重い元素、たとえばヘリウムに拡張します。ヘリウムは２つの電子を持つことがわかっています。ということはすなわち、ヘリウムの原子核には２つの陽子が含まれているということになります。原子核の質量はほぼ原子そのものの質量と同じと考えてかまわないので、期待としては水素原子の質量の２倍であるはずであると考えられましたが、実際にはヘリウム原子の質量は水素の（ほぼ）４倍でした。そこで導入されたのが、中性子（Ｎｅｕｔｒｏｎ）です。原子核は、正の単位電荷をもつ陽子および電荷を持たない中性子（２つはほとんど同質量）が適宜組み合わさって出来ていると考えられたのです。
　まとめると、原子は原子核と電子からなっており、さらに原子核は陽子と中性子からなっています。陽子と電子は同じだけの量の単位電荷を持っており、原子の中に含まれる陽子と電子の数は（通常）等しく、それぞれの数が原子全体の電気量を規定すると同時に、原子の性格をも決定します。陽子と中性子はほぼ同質量であり、電子はそれらよりもはるかに軽い（１８６０分の１）。陽子は正の電荷を、電子は負の電荷をもつため、それらは打ち消しあって通常の状態では、原子は電気的に中性です。
　それぞれの原子のなかの陽子の数によって（電子の数とも言えますが、電子は場合によっては足りなかったり余ったりします）、元素が決定します。陽子が１つの場合は、その原子は水素です。２つの場合はヘリウム、３つの場合はリチウムといった具合に、陽子数によって元素名が確定します。逆に、すべての水素原子がもっている陽子の数は１つです。このように、元素名と陽子数は１対１で対応します。この陽子数を元素番号と呼んでおり、いまのところ１１１まであります。
　さて、電子は原子の中をそれぞれ独立して好き勝手に（ある確率に基づいて）飛び回っています。しかし、原子核の中では陽子と中性子が非常に強く結び付いており、ほとんどひとつの塊となっています。互いに正の電荷をもつ（すなわち、その間に斥力＝反発力が働く）陽子を含んでいる原子核が、ばらばらにならずにいられるのは、中性子の力です。それが証拠に、ひとつの陽子をもつ水素原子の場合は、原子核には中性子は含まれません。言いかえれば、陽子そのものが水素原子核なのです（ごく微量ながら、中性子を含む水素原子核もあります）。しかし、元素番号２（すなわち原子核中に２つの陽子を含む）のヘリウムは、その原子核の中に２つの中性子を含みます。もっとずっと大きなウラン（元素番号９２）の場合、原子核の中には９２個の陽子と１４６個の中性子が含まれています。この陽子の数と中性子の数を足したものを、その原子の質量数と呼びます。陽子と中性子の質量はほぼ同じで、電子の質量はほとんど無視できますから、質量数がわかればその原子の質量がほぼ確定します。
　ただし、ある元素においては、質量数は必ずしも一義には決まりません。水素原子の質量数は通常１ですが、中にはごく微量ですが原子核に中性子１つを含む水素もあるのです。この場合、この水素の質量数は２となります。こういった関係、すなわち元素番号は同じであるのに、質量数が異なる元素を同位元素（アイソトープ）と呼んでいます。例えばウランの場合、天然ウランの９９．３％までは質量数２３８（中性子数１４６個）のウランですが、０．７％だけとはいえ質量数２３５（中性子数１４３個）のウランが含まれています。これらを区別する場合には前者をウラン２３８、後者をウラン２３５と呼びます。

　ここまでが前提知識その１です。

　さて、アイソトープと言うと、一般に放射能を発するものと考えられていますが、これは正しくありません。たとえ放射性を持たなくとも、質量数が異なる原子はアイソトープなのです。ただし、ある原子が非放射性であっても、その原子のアイソトープが放射性を持つことがあるので、「放射性アイソトープ」と呼ばれることがあります。これが略されて単に「アイソトープ」となり、この種の誤解を生んだのでしょう。
　では、放射能とは何でしょうか。例えば、ウラン２３５の例をとりましょう。（以後、ウラン２３５をU(92/235)と記述します。Uはウランの元素記号、92は元素番号、235は質量数です。従って中性子数は143となります。以下同様）。U(92/235)は、ある確率で原子核の崩壊を起こします。この確率にしたがえば、約７億年のうちにU(92/235)の半数が崩壊を起こします。７億年で崩壊し、別の元素に変わるので、この時間を半減期と呼びます。放射性アイソトープは、それぞれある一定の半減期で崩壊を起こします。U(92/235)の場合、He(2/4)（ヘリウム原子核）を放出して、Th(90/231)（トリウム）に変換します。これをα崩壊と呼び、U(92/235)から放出されるHe(2/4)をα線と呼びます。
　Th(90/231)は、さらにβ崩壊と呼ばれる崩壊を起こします。β崩壊は、原子核内の中性子が陽子に変換する崩壊で、その過程で余剰となった電子を放出します。Th(90/231)->Pa(91/231)（プロアクチウム）。そして、この電子がβ線と呼ばれます。
　さらに、γ崩壊と呼ばれる崩壊を起こすものもあります。これは、原子核内のエネルギーを電磁波（具体的にはＸ線）として放出するもので、元素変換は起こりません。
　崩壊を起こすメカニズムは複雑ですが、簡単に言えば次のような説明ができるかと思います。原子核は、陽子と中性子からできています。陽子は正の電荷を持ち、中性子は電荷を持ちません。これらの核子（陽子・中性子の総称）の間には、通常は電気的な斥力（反発力）が働き、本来ひとつのかたまりとは成り得ないはずなのです。にもかかわらず、ひとかたまりでいられるということは、核子間に電気的な反発力よりも強い引力が働いていると考えるしかありません。物理学者たちは、その力を「核力」もしくは「弱い相互作用」と名付けました。余談ですが、湯川秀樹は核力を説明する理論を提唱し、のちにこれが確認されたことによってノーベル賞を受賞しました。
　核力はごく近い距離（原子核内）でしか働きません。しかし、その距離内では電磁気力よりも強いのです（そうでなければ原子核をまとめられません）。核力は、陽子であるか中性子であるか（つまり、電荷を持つか持たないか）によらず、核子の数が多いほど強くなり、安定します。核力に抗する力であるところの電磁気力は、陽子間だけにしか働きませんから、一般的な傾向として陽子の数に比べて中性子の数が多いほど安定します。しかし、これにも限度がありまして、核子の数が増えると、全体として原子核の大きさは大きくなり、相互に作用する核力は小さくなります。そうすると、遠距離でも作用する電磁気力の方が相対的に強くなり、やはり不安定となります。
　結局、原子核が安定するためにはある決まった範囲での陽子／中性子比があることになり、これより外れた陽子過剰もしくは中性子過剰の場合には、なんらかの反応を通じて安定比内におさめようとします。これがすなわち崩壊ということになります。
　原子核が陽子過剰の場合、α崩壊を起こします。単純に陽子ひとつが原子核から出ていく形式がもっとも簡単なはずですが、He(2/4)程度の大きさでは核力は非常に強く、これをさらに分解して陽子単独の形にするためには、かなりのエネルギーを必要とします。そこで、He(2/4)が原子核から放出され（α崩壊）、陽子過剰は解消されます。陽子と中性子はそれぞれ２個ずつ、原子核からなくなりますが、通常中性子の方が陽子よりも多く原子核内に存在するので、同数がなくなったとしても、陽子の方が中性子よりも影響力が大きいので、結果として陽子過剰状態は緩和されることになります。
　原子核が中性子過剰の場合にはβ崩壊が起こります。β崩壊は中性子が陽子に変換する過程で電子を放出するもので、元素としては変わりますが、質量数は変わりません。この崩壊は、中性子が陽子と電子からなっていることを示唆します。実際、中性子の質量は陽子よりもわずかですが大きく、この推測を補強するものですが、本題とは関係ないのでこれ以上は説明しません。
　γ崩壊は、元素変換を起こしません。単純に原子核自身が持っているエネルギーが過剰状態になった場合に、そのエネルギーを放出する形でＸ線を放射します。イメージとしては、エネルギーを放出することによって原子核の直径がやや小さくなります。これは原子核を構成する核子それぞれが持つ位置エネルギーが失われることを意味します。原子核が小さくなればそれだけ核力の作用が強まり、原子核の安定性が増します。
　α崩壊、β崩壊、γ崩壊のいずれにせよ、原子核自身から（原子ではなく、原子核そのものという意味で、熱力学的なエネルギーとは異なる）エネルギーを放出します（α、βの場合は運動エネルギーを持つ粒子として、γの場合はエネルギーそのものとして）。これらのエネルギーが他の物質に作用するとき、何らかの影響は避けられません。これが、いわゆる放射能です。
　質量数２１０以上のアイソトープの中には、安定なものはありません。長いものは１００億年以上、短いものは数マイクロ秒という半減期で崩壊を起こし、最後にはみな鉛になってしまいます。
　元素変換は、これらの他からの働きかけのないまま自動的に発生する崩壊の他、他者からの働きかけによって起こるものがあります。例えば、U(92/238)の場合（上の例と質量数が異なることに注意）、単独で飛来する中性子を捕獲して質量数が増えることがあります。中性子捕獲により、U(92/238)はU(92/239)となります。しかし、U(92/238)の半減期は約４５億年と、放射性アイソトープの中では非常に安定しているのに対し、U(92/239)は半減期わずか23分でβ崩壊し、Np(93/239)（ネプツニウム）となります。Np(93/239)も２日ほどの半減期でβ崩壊し、Pu(94/239)（プルトニウム）となります。このU(92/238)からPu(94/239)への変換は、非常に重要です。
　U(92/238)は、中性子線を照射することによって、最終的にPu(94/239)へと変換されます。では、U(92/235)の場合はと言えば、同様に中性子を捕獲した場合、一旦はU(92/236)となります。しかし、この原子核は崩壊は起こしません。中性子を得たことによってエネルギーの高まった原子核は振動を起こし、ついには分裂します。ひとつの原子がふたつの原子になるのです。分裂した結果の原子は一定しません。しかし、かなりの確率でBa(56/141)（バリウム）とKr(36/92)（クリプトン）となります。
　さて、この分裂で生成されるものが２種類あります。まず、分裂前と分裂後を比較して見ると、質量数が合いません。陽子数は合っていますから、合わないのは中性子数です。結局、この分裂によって中性子が３つ放出されることになります。次に、この分裂によって２億電子ボルト(200MeV)というエネルギーが発生します。電子ボルトは、エネルギーの単位で、一個の電子（単位電荷を持つ）を、電位１Ｖの点においた時の位置エネルギー、もしくは１Ｖの電位差によって加速された電子が持つ運動エネルギーと定義されます（エネルギー保存則によって、どちらも同じ量となります）。通常、１個の分子／原子が化学反応（燃焼など）によって生ずるエネルギーは５電子ボルト程度ですから、少なくとも１０００万倍ものエネルギーとなります。
　原子が１つ分裂することによって、中性子とエネルギーが取り出せます。化学反応に比べればけた違いに大きいとは言え、１つの核分裂によって生じるエネルギーは微々たるものです。しかし、そこから生じる中性子が再び核分裂を起こすとすればどうでしょうか。最終的にはすべての原子核が分裂を起こし、同量の他の物質の化学反応（燃焼、爆発など）に比べて膨大なエネルギーが放出されることになります。

　ここまでが、前提知識その２です。

　ある元素が核分裂を起こし、原子核が２つに分裂した時に、それぞれの原子核は互いに離れる方向に運動します。あたりまえですね。もし、この運動が起こらなければ、すなわち分裂は起きないことになります。逆に言うと、別々の方向に動くことによって、分裂という現象が生じるとも言えます。この時、原子核はそれぞれ運動エネルギーを得ることになります。もとの原子が持つ運動エネルギーよりも、分裂後の２つの原子核の持つ運動エネルギーの合計の方が、大きいのです。分裂前のエネルギーと、分裂後のエネルギーの差は、もちろん無から生じたわけではありません（エネルギー保存則による）。では、このエネルギーはもともとどこに有ったかといえば、原子核内部にありました。つまり、核子同士を結び付ける力であるところの核力に起因する、核子が持つ位置エネルギーがそれです。「位置」という言葉は、この状態にはそぐわないので、「ポテンシャル・エネルギー」と呼ばれることもあります。
　さて、原子核（原子）が運動エネルギーを得るということは、どういうことを意味するのか。それぞれの原子核（あるいは原子）ひとつひとつに着目した場合には、それは運動エネルギーです。しかし、沢山の原子からなる物質全体を見た時には、違った意味を持ちます。ある物質の、原子の持つ平均運動エネルギーの増大とは、すなわちその物質の温度上昇、イコール熱エネルギーの増大と同義なのです。これらの過程の原因と結果だけを述べると、「原子核が核分裂を起こすと熱が生じる」となります。

　前の文章で、U(92/235)は核分裂を起こすが、U(92/238)はそうではないと述べました。これは実は厳密ではありません。正確には、U(92/235)は中性子を吸収すると必ず核分裂を起こすが、U(92/238)は吸収した中性子が持っていた運動エネルギーがある値を超えていた場合にのみ、核分裂を起こすのです。この「ある値」が１００万電子ボルトという大きなものであるために、U(92/238)は実質的に核分裂物質としては使えない、ということになりました。
　U(92/235)の場合、中性子を吸収することにより、核分裂を起こし、エネルギーと複数の中性子を放出します。この中性子が別のU(92/235)に吸収されれば、核分裂は持続します。１回の核分裂から生じた中性子のうち、平均して１個の中性子が再び核分裂を起こせば、分裂反応はU(92/235)が残っている限り持続します。これが１よりも小さければ分裂反応はやがて終息してしまいますし、１より大きければ級数的に分裂反応は激しくなります。もちろん、外部から中性子を供給し続ければ反応は持続しますが、実用的には１以上でなければ意味がありません。１前後を維持し続ければ、すなわち原子炉ですし、１を大幅に超えれば（できれば２以上）すなわち原子爆弾となります。この２者の根本的な相違はそこだけです。
　ただし実際には、天然ウランの中には核分裂物質であるU(92/235)は0.7%しか含まれません。残り99.3%は核分裂を（実質的に）起こさないU(92/238)です。U(92/238)が、単に核分裂を起こさないだけなら充分な天然ウランがあれば連鎖反応を起こせるでしょうが、U(92/238)はかなりの確率で中性子吸収を引き起こします。つまり、連鎖反応を引き起こす重要な中性子を無駄に吸収してしまい、結局反応は継続できません。どうしても、ある程度以上の濃度までU(92/235)を濃縮する必要が生じましたが、U(92/235)とU(92/238)は、化学的な性質はまったく変わりがありません（だから同じ元素と見なされているのです）から、化学的な手法では取り出すことができません。U(92/235)とU(92/238)の、重さ（密度）の違いを利用して濃縮するしかありません。しかし、U(92/235)とU(92/238)の質量比の違いはほんの1%くらいでしかありません。この違いを見分けるのは、容易なことではありませんでした。アメリカの場合でも、原子爆弾作成の最大のネックはこのウラン濃縮でした。

　さて、１００％濃縮されたU(92/235)が充分な量だけ確保されたと仮定します。この塊に外部から中性子１個を照射すると、U(92/235)に吸収されて分裂を起こし、２次中性子を放射します。U(92/235)は、核分裂によって生じる２次中性子数の平均（どう核分裂するかは一様ではないので平均を取る）は２．６という値です。この内、ウラン塊外部に漏れだす中性子が平均０．６だとして、平均２個の中性子がウラン塊内のU(92/235)に吸収され分裂すれば、一度の核分裂ごとに分裂する原子核数は倍に増えて行きます。例えば５キログラムのウラン塊があるとして、この中に含まれるU(92/235)原子はおよそ10の24乗個（１兆の１兆倍）という膨大な数ですが、その全てが分裂を起こすには、５３回の連鎖反応で充分です。それぞれの連鎖反応の間隔はおよそ１億分の１秒ですから、５キログラムのウラン塊がすべて反応するには１００万分の１秒以下の時間しかありません。そうしてその反応から生じるエネルギー量は、一つの反応で生じる２億電子ボルトの10の24乗倍です。これを熱量に換算すると、ＴＮＴ火薬に換算して１５万トンが一度に爆発したものと同等となります。
　この想定には重要な前提がありまして、漏れ出してしまう中性子数が平均０．６以下である必要があります。単純に考えても、ウラン塊の表面積が大きいほど漏れは大きくなるはずです。ここで問題なのは、漏れの絶対数ではなく、漏れの確率ですから、原子の数に対する表面積の割合を小さくすることが必要になります。そのためには、ウラン塊が大きいほど有利になります。何故なら、体積は長さの三乗に比例して大きくなるのに対し、表面積は長さの二乗に比例するに過ぎないからです。この計算から、連鎖反応に寄与する中性子数が２個以上となるウラン塊の大きさを計算すると、およそ５キロとなります。言い換えると、５キロ以上のウラン塊に中性子が１つでも入り込むと、連鎖反応によって最終的にすべての原子核が分裂をすることになります。この量を臨界量と呼びます。
　つまり、臨界量以上のウラン塊（あるいはそれに類する核分裂物質）を用意して、そこに中性子を（ひとつでも）照射すれば、それで原子爆弾ができあがることになります。ここまでが原子爆弾の原理です。

　ウラン塊を原子爆弾にするためには中性子という「引き金」が必要です。中性子発生装置としては、Po（ポロニウム）とBe（ベリリウム）の組み合わせが用いられます。放射性物質であるPoから発生するα線が、Beの原子核と反応してBe内部の中性子を追い出し、結果として中性子線が得られます。これで済めば話は簡単で、粉末Beをアルミ箔か何かでくるんでおいて（α線はアルミ箔程度でも透過できません）、その外に少量のPoを用意し、起爆の時にはアルミ箔に穴を空ければそれでα線とBeが反応して中性子が生じます。この中性子発生装置をイニシエーター Initiator と呼びます。しかし、自然はそんなに親切ではなく、この自然界には天然に発生する中性子線が降り注いでいます。さらにまずいことに中性子線は非常に透過力が強く、ちょっとやそっとの鉄筋建築物など、なんなく突き抜けてしまいます。この中性子のひとつが臨界量以上のウラン塊と反応するや、たちまち連鎖反応を起こして爆発してしまいます。飛行機で運ぶことを考えている原子爆弾を、これを防ぐためにコンクリで固めるというのは、非現実的を通り越して馬鹿げています。つまり、臨界量以上のウラン塊を放置しておくというのは、非常に危なっかしいことなのです。
　これに対する唯一の解決策は、臨界量以上のウラン塊を作らないことです。しかし、これでは連鎖反応は起こらず、原子爆弾にはなりません。そこで、保管時は臨界量以下のウラン塊をふたつ用意しておき、起爆時にこれを結合して臨界量以上の塊とし、連鎖反応を起こさせる仕組みを考えました。これは「ガン Gun 式爆弾」と呼ばれ、広島に投下された原子爆弾（リトル・ボーイ）がこの方式でした。まず、それぞれが臨界量以下でありながら合わせると臨界量以上となるウラン塊をふたつ用意し、それぞれを半球形として長い筒の両端に配置します。それぞれの半球の中心部にはくぼみがつけられており、片方のくぼみにはPoを、もう片方のくぼみにはBeを置きます。そしてウラン塊の一方の、筒の外側に起爆装置をつないだ火薬を配置します。保管時には、それぞれのウラン塊は臨界量以下なので、仮に外部から中性子が入り込んだとしても連鎖反応にはいたらず、爆発しません。起爆装置に点火すると、火薬がウラン塊の片方を吹き飛ばし、もうひとつのウラン塊と結合して臨界量以上のウラン塊となります。同時に、ウラン塊の中心部ではPoとBeが反応して中性子を発生させます。この結果、急激な連鎖反応が引き起こされ、核分裂を起こして膨大なエネルギーが放出されることになります。原子爆弾です。
　ただし、これだけでもまだ不十分です。確かに、これだけの仕組みでこれまでの火薬爆弾とは桁違いのエネルギーが生じるのですが、ウラン塊がもつエネルギーのすべてを解放するにはいたりません。なぜなら、反応がウラン塊のすべてにまだ行き渡らない状態においても、すでにかなり多くのエネルギーが生じ（つまり、熱が発生し）、ウラン塊自体が膨張してひび割れを起こしてしまいます。こうなると漏れ中性子が急激に増え、連鎖反応はストップし、ウラン塊のかなりの部分が未反応のまま飛び散ってしまいます。これを「未熟爆発」または「早期爆発」と呼びます。「未熟爆発」からは、予期したエネルギーの数分の１の威力しか得られません。「未熟爆発」を防ぐためには、反応の早期段階でのウラン塊の膨張を押さえ込む必要があります。具体的には、密度の大きい（つまり重い）物質でウラン塊を包み込むこととなります。都合のいいことに、天然に比較的豊富に入手できる物質の中で最も密度の大きい物質とは、U(92/238)でした。U(92/235)の塊を、U(92/238)（天然ウランをそのまま使えばよい）で包み込む形となります。U(92/238)は、単に物理的な膨張を押さえ込むばかりでなく、中性子の漏れを防ぐという役割も果たします。分裂によって生じた２次中性子がU(92/238)と衝突する時には、U(92/238)の原子核は中性子に比べてはるかに質量が大きい（約２３８倍）ため、中性子は弾き返されてしまうのです。結果として、U(92/238)で周囲をくるんだ場合には、周囲をくるまない場合に比べて臨界量が３分の１となりました。このように核分裂物質の周囲をくるむ物質をタンパー Tamper と呼びます。

　さて、U(92/235)を使った核分裂爆弾を実現するための最大のネックは、U(92/235)自身の濃縮の困難さでした。天然に存在する物質のうち、実用的な核分裂爆弾に使用できるのは、U(92/235)だけでした。しかし、U(92/235)の研究の過程で、もうひとつの核分裂物質が得られました。言わずと知れたPu(94/239)です。そもそもは、U(92/235)の分裂の動きを観察するために、爆発にまで至らない程度の連鎖反応を起こす実験を試みていた際に、分裂したU(92/235)から生じた中性子がU(92/238)に吸収され、それが一連の崩壊を起こしてPu(94/239)を生じました。この過程は既述しましたから省略しますが、このPu(94/239)が自然界にはほとんど存在しない人工元素であることと、生成元であるU(92/238)よりもはるかに分裂しやすく、それどころかU(92/235)よりも分裂しやすい物質であることは非常に重要です。つまり、U(92/235)を使用した分裂反応炉を作れば、ウラン燃料棒に含まれるU(92/238)がある比率でPu(94/239)が生成されるということになります。これをウランから分離するのは、比較的容易です。それは、プルトニウムはウランとは異なる元素であり、従って化学的な性質も異なるからです。つまり、化学的な手法で分離することが可能となります。もっとも、非常に強い放射能源である核分裂生成物質の中からプルトニウムだけを取り出すのは、別種の困難さがあります。
　Pu(94/239)が分裂を起こした際に発生する平均２次中性子数は、U(92/235)のそれよりも大きく、３を超えます。爆弾となるための最低値は２ですから、Pu(94/239)の臨界量は、U(92/235)よりも小さくできます。具体的にはU(92/235)の半分以下で、実用兵器という視点からするとかなり有利です。
　しかし、Pu(94/239)を使って核分裂爆弾を製作する場合、U(92/235)と同様のガン式構造は使えません。その理由は、Pu(94/239)の中に混じっているPu(94/240)が起こす自発核分裂です。通常、核分裂は外部から中性子を吸収することによって起こります。しかし、まれにトンネル効果（これについては省略）のために何らの外部的刺激なくして核分裂を起こすことがあります。この確率が、Pu(94/240)は非常に高いのです。もちろん、臨界量以下であればそれが最終的に爆発を引き起こすことはありません。しかし、Pu(94/239)をガン式爆弾として製作したとして、それが起爆され、２つのプルトニウム塊が接近していながら未だひとつの塊となる前の時点で、自発核分裂によって生じた中性子のためにある程度連鎖反応が進んでしまうのです。この結果はと言えば、連鎖反応がすぐに収束してしまうような安定状態でもなく、しかも多くの中性子漏れのためにすべての核分裂物質が反応しきるわけでもない、つまりタンパーを置かないのと同様の「未熟爆発」となってしまいます。これを防ぐためには、ふたつにわかれているプルトニウム塊の衝突速度をかなり上げなければならないのですが、それは技術的に不可能でした。
　こうして考えられたのが、爆縮 implosion 式核分裂爆弾です。まず、臨界量に少し足りない程度のPu(94/239)塊を用意し、これをタンパーでくるみます。Pu(94/239)塊の中心部にはイニシエーターとしてのPoとBeが納められており、それぞれの間はアルミ箔で仕切られています。このひとつの塊を、火薬でくるみます。この火薬に点火することによって、内部に向かう圧力はPu塊をタンパーごと急激に圧縮します。このためにPu塊の体積は小さくなりますが、含まれているPu原子の数はもちろん変わりませんから、結果として密度が高まります。密度が高くなれば、それだけ原子間の距離は小さくなり、結果として１気圧下では臨界量以下であったPu塊が、臨界量を超えたのと同じ動きをします。中心部イニシエーターでPoとBeを仕切っていたアルミ箔は、爆発の衝撃で引きちぎられ、互いに接触して中性子を発生させます。まわりのPuはすでに臨界量以上となっていますから、急激に連鎖反応が起こって爆発します。これが爆縮式（爆発して縮小させるのでこう呼びます）核分裂爆弾です。Puを使用した核分裂爆弾は、間違いなくこの爆縮式です。Uを使用したものは、ガン式でも爆縮式でも作ることができます。
　爆縮式を作るための最大の技術的隘路は、タンパーでくるんだPu塊を、いかに均等に圧縮するかです。起爆され圧縮されたPu塊の内部では連鎖反応が開始され、大量の熱が発生して、タンパーで押さえ込んでいるとはいえ急激に膨張をはじめます。この時、外部から加わる圧力にむらがあった場合、圧力に応じて膨張のしかたにもむらが生じ、結果として多くのひびが入ります。ひびが入れば、それは表面積の拡大を意味し、つまるところは「未熟爆発」となってしまいます。この困難さを技術者は「トマトをつぶさずに圧縮する」と表現しました。これをどう実現したかは省略しますが、Pu爆弾を製作するためにもっとも苦労した点は、これでした。

　第二次世界大戦末期、アメリカは２つのプルトニウム爆弾と、１つのウラニウム爆弾を完成させました。その仕組みからして、プルトニウム爆弾は球形、ウラニウム爆弾は円筒形となります。彼らはプルトニウム爆弾に「ファット・マン」、ウラニウム爆弾に「リトル・ボーイ」とあだ名を付けました。正確には、それぞれ「Ｍｋ２」、「Ｍｋ１」と呼ばれます。プルトニウム爆弾のうち１つは、１９４５年７月２６日、アラバマのアラモゴルド実験場で起爆され成功しました。この結果を受け、「リトル・ボーイ」は８月６日にＢ２９爆撃機「エノラ・ゲイ」によって広島に、そしてもうひとつの「ファット・マン」は同じく９日に「ボックス・カー」によって長崎に投下されました。その威力はＴＮＴ火薬換算でおよそ１５０キロトンです。

　核分裂物質がわずか１００万分の１秒ほどの間に連鎖反応を起こすと、まず大量の熱と、荷電粒子が急激に加速されることによって生じる電磁波と、そして大量の核分裂生成物質が生まれます。最初に効果を表すのは電磁波で、あらゆる波長の強電磁波が発生します。光も電磁波の一種ですから、核分裂爆弾が爆発すると、地上の人間がまず経験するのは強烈な光です。同時に、強力な電磁パルスによって大抵の電子回路は焼き切れてしまいます。熱を運ぶ赤外線を全身に浴びた人間を含むすべての生物および無生物は、至近距離では一瞬にして蒸発してしまいます。
　爆発直後、中心部の温度は１００万度程度になると言われます。この熱によって回りの大気は急激に膨張し、音速をはるかに超えて衝撃波とともに爆圧をもたらします。最初の熱光線をしのいだとしても、半径数キロ以内の物体は衝撃波によって吹き飛ばされます。
　急激に広がった衝撃波は、かえって中心部に真空地帯を生み、周囲から逆風がなだれ込み、中心部では集まって上昇気流となって、核分裂生成物質（つまり死の灰）を含むさまざまな物質の残がいを巻き込んでキノコ雲を生成します。この高さは数キロメートルにおよびます。
　キノコ雲を生んだ上昇気流によって放射性の核分裂生成物質は空高く舞い上げられ、また上昇気流によって雲を生じて雨を呼びます。この雨には大量の放射性物質が含まれており、地上に残留した核分裂生成物質と相まって生き残った人々の生体に作用し、いわゆる「原爆症」を引き起こします。


　現在ではより強力な水素爆弾が作られています。正確には、「核融合爆弾」であり、必ずしも水素を必要としないのでこの名称は正確ではないのですが。しかし、核融合を引き起こすためのトリガーが核分裂爆弾以外に有りえません。したがって、核融合爆弾生産のためには核分裂技術が不可欠です。核融合爆弾については未だ不勉強なので、いずれ機会がありましたら。


その気があるのなら、ブルーバックス「原子爆弾」がかなり詳しく記述されており、お薦めです。ただし、多少は化学や物理の素養が必要でしょう。