自从海森堡【二战时期负责德国的核武器研究】在研究微观粒子的运动规律的时候，发现了测不准定律，后来经过多位科学家的努力，发展出了量子力学。在研究核武器时，人们无法测量中子和原子核的碰撞次数，自然也无法计算出它的碰撞概率。只能通过实验获得核子反应的截面，运用量子力学对其进行计算，获得临界质量，增殖的速度【K】以及各种参数。
运用各种能量的中子，对各种元素的靶核进行照射，就会得到该元素的反应截面，散射截面，反射截面，以及吸收截面，将它们绘制成图谱，这些图谱就是研制核武器的基础。下图是铀235地裂变截面图谱
和裂变中子能谱
铀弹和钚弹的区别
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铀原料和钚原料都含有自裂变的同位素，铀233和钚240，因此都要快速压缩到临界质量以上。以免核爆炸时由少量中子引起，造成威力下降。钚240比铀233自裂变率高，钚弹比铀弹拥有更多的自由中子需要更快的压缩速度。
2 钚的熔点很低只有两百多度，很容易因为少量的反应让自身熔化。
3 钚比铀反应截面要高，因此铀弹比钚弹反应速度要慢一些。
内爆式原子弹和枪式原子弹的设计特点
世界上第一枚内爆式原子弹采用了27公斤的钚239，第一枚枪式原子弹采用了59公斤的铀235。为什么会有如此大的差别？在内爆式原子弹中我们假设一个圆球状的核装药刚好达到临界质量，将它的直径扩大一倍制成空心球体，它的表面积也就是中子逃逸面积增加四倍，如果在开放空间下【中子逃逸后就不会再反回】，它的临界质量，应该增加四倍，实际上加上反射层后，它的质量达到1.5倍就会超过临界质量。
通过理论计算出来的钚239的临界质量是：21公斤，在试验台上测得的数据是：19.5公斤【试验台也会反射中子】，加上反射层后只需要十五公斤。通过增加直径，世界上第一枚内爆式原子弹只装了27公斤钚239。这样就出现了一个问题，如果只是用少量炸药快速压缩，因为超过临界质量的倍数太低，原子弹的爆炸威力就会低很多。为了提高威力只有增加炸药的数量，在压缩到实心状态以后继续压缩，从而提高威力。这是第一代内爆式核武器无奈的选择。不过炸药还有一个作用，就是迟滞核装药爆炸初期的扩张速度，这对提高威力有好处。
第一枚枪式原子弹
将铀235分成三块，其中的两块周围都是吸收中子的材料，因此核装药的质量大大增加。为了迟滞核装药爆炸初期的扩张速度，采用了很厚的钢制外壳，使得原子弹的重量大大增加。后来的枪是原子弹，采用了自压缩效应设计重量大大减轻。
为了提高内爆式原子弹的核装药的装药质量，科研人员采用了以下措施。
在核爆炸中绝大部分的核反应，都是快中子引发，那些经过反射层多次反射的低能量中子反应截面非常高，这就大大减小了装药质量。因此在反射层中加入，对低能量中子，吸收截面高对高能量中子吸收截面相对较低的镉，就可以增加装药质量。后来人们研制了压缩式反射层，让更多的中子逃逸出去，让含有锂6的炸药将其吸收掉。【锂6被用来制造中子探测器，对中子的吸收截面非常高】在爆炸以后，反射层遭到压缩，反射效应又得到了恢复。这些设计，对后来的助爆型原子弹，有非常重要的意义。因为炸药的能量，既要压缩核装药又要压缩中间的核聚变材料。
在原子弹设计中，为了增大威力，增加装药量，会采用管状装药，后来的氢弹也采用了这样的设计
为了提高原子弹爆炸的威力，后来的设计人员采用了自压缩效应。因为钚239的反应截面大约是铀235的1.3倍加上纯度更高，所以反应速度是它的1.4倍。在核爆炸开始以后，外面的钚239反应速度更快，会对中心的铀235产生压缩效应，延长了反应时间。在反应剧烈到一定程度钚239的体积膨胀到一定程度，内外的反应速度才会相等。即使钚239体积膨胀到反应速度慢过中心的铀235，它仍然是这个链式反应系统的一部分，继续参与反应。这种设计可以大大减轻，枪式原子弹的重量。
为了减小核装药的临界质量，设计人员将铍做成网状结构，电镀上一层铝反止钚239衰变产生的a粒子轰击产生中子。原理如下：
我们看铀235的反应截面图谱，就会发现并不是每次中子碰撞原子核都会发生反应，而是要碰撞很多次，当中子能量高时，截面就比较小，能量低时截面就比较大。在中子1
MeV时它的反应截面，是1万电子伏特的大约1/10【反应的机会少了10倍】，中子的速度也快了10倍【同样的时间可以碰撞的次数也是10倍】。又因为对于
2MeV的中子，需要碰撞铀235 2115次才能把它的能量减小到，热中子，而铍只需要86次，碳需要112次，氘只需要25次。如果能尽快将中子的能量减小，就可以减少碰撞的次数，从而减小核装药的临界质量。设计人员将铍以碰撞概率1:3的比例【碰撞一次铍原子核，就会碰撞铀原子核3次】，加入到核装药中就可以大大减小临界质量。这样做会减慢，核反应的速度【每一代反应的时间】，这些减慢的速度，可以通过提高k值【下一代反应增加的和反应数目】来弥补。加入铍还有一个好处在裂变反应中，会有6-7MeV嘎玛射线光子产生，它们以一定的截面和铍原子核产生光核反应产生中子。这对提高K值有帮助。后来的设计人员，将氘化钚和用氘制成的聚乙烯，制成核装药效果更好。氘也有光核反应，在几MeV的高能中子轰击下还会解体，放出质子和中子。经过这样设计的原子弹，临界质量只有原来的几分之一，核原料的利用率大大提高，同样的爆炸威力，温度也要高出几倍。这就为助爆型原子弹打下了基础。
中子源
最早的原子弹采用放射性中子源，一般采用钋210因为它的半衰期，只有138天。一个含几十克钋的中子源，在10万分之一秒的时间，可以是产生2.5*10
5次方的中子，并且一直持续下去。后来采用了加速器中子源，利用氘粒子轰击氘化锂和氚化锂，被加速到几MeV氘粒子对这三种原子核都会一定截面，产生核反应放出中子。产生的中子有一小部分，还会和铀235产生裂变反应，放出更多的中子。它比老式中子源，短时间放出的中子要高出一个数量级。【参见中子管的原理】
美国的W33 战术核武器，采用枪式原理和新型中子源，它的爆炸威力达到1万吨。
