Jak atom ztrácí protony

Atomy jsou základními stavebními kameny veškeré hmoty. Atomy se skládají z hustého, kladně nabitého jádra, které obsahuje protony a neutrony. Negativně nabité elektrony obíhají kolem jádra. Všechny atomy konkrétního prvku mají stejný počet protonů, známý jako atomové číslo. Existují dva obecné procesy, kterými může atom ztratit protony. Jelikož je prvek definován počtem protonů v jeho atomech, když atom ztratí protony, stane se z něj jiný prvek.

Jedním ze způsobů, jak atom ztrácí protony, je radioaktivní rozpad, ke kterému dochází, když má atom nestabilní jádro. Stabilita jádra závisí na poměru protonů k neutronům. U menších prvků, jako je uhlík a kyslík, je počet protonů zhruba stejný jako počet neutronů a jádra jsou stabilní. U těžších prvků, jako je uran a plutonium, existuje mnohem více neutronů než protonů a jádra těchto prvků jsou extrémně nestabilní. Ve skutečnosti jsou všechny prvky, které mají více než 83 protonů, nestabilní. Tyto tři typy radioaktivního rozpadu jsou známé jako alfa, beta a gama.

Alfa rozpad je jediný způsob, jakým atom spontánně ztratí protony. Alfa částice se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů. Je to v podstatě jádro atomu helia. Poté, co atom podstoupí emisi alfa, má o dva protony méně a stane se atomem jiného prvku. Jedním takovým procesem je, když atom uranu 238 vysune alfa částici a výsledným atomem je pak Thorium 234. Alfa rozpad bude pokračovat, dokud nedojde ke vzniku atomu se stabilním jádrem. Alfa částice jsou relativně velké a rychle se vstřebávají. Proto necestují daleko vzduchem a nejsou tak nebezpečné jako jiné typy radioaktivního rozpadu.

Druhý proces, při kterém atom může ztratit protony, se nazývá jaderné štěpení. Při jaderném štěpení se zařízení používá k urychlení neutronů směrem k jádru atomu. Srážka neutronů s atomem způsobí rozpad atomového jádra na fragmenty. Každý fragment je zhruba polovina hmotnosti původního atomu.

Když se však sečtou, součet hmotností fragmentů se nerovná hmotnosti původního atomu. Je to proto, že několik neutronů je obvykle emitováno jako atomové fragmenty a část hmoty se převádí na energii. Ve skutečnosti malé množství hmoty generuje obrovské množství energie.

Běžnou aplikací jaderného štěpení je výroba jaderné energie. V jaderné elektrárně se energie ze štěpení používá k ohřevu vody, která vytváří páru k otáčení turbíny a výrobě elektřiny. Přibližně 20 procent elektřiny ve Spojených státech pochází z jaderných elektráren.

Další aplikací jaderného štěpení je výroba jaderných zbraní. V jaderné zbrani se k zahájení štěpení používá spouštěcí zařízení. Jedna fragmentace vede k další, což vede k řetězové reakci, při které se uvolňuje enormní množství destruktivní energie.

Jedinými dvěma způsoby, jak atomy ztrácejí protony, je radioaktivní rozpad a štěpení jader. Oba procesy se vyskytnou pouze u atomů, které mají nestabilní jádra. Je dobře známo, že radioaktivně dochází přirozeně a spontánně. Podle J. Marvin Herndon, existují také důkazy, které naznačují, že jaderné štěpení se přirozeně vyskytuje v zemském plášti a jádru, nejen v umělých zařízeních, jako jsou jaderné bomby nebo reaktory elektrárny.