Wie ein Atom Protonen verliert

Atome sind die Grundbausteine ​​aller Materie. Atome bestehen aus einem dichten, positiv geladenen Kern, der Protonen und Neutronen enthält. Negativ geladene Elektronen umkreisen den Kern. Alle Atome eines bestimmten Elements besitzen die gleiche Anzahl von Protonen, die sogenannte Ordnungszahl. Es gibt zwei allgemeine Prozesse, durch die ein Atom Protonen verlieren kann. Da ein Element durch die Anzahl der Protonen in seinen Atomen definiert ist, wird ein Atom, wenn es Protonen verliert, zu einem anderen Element.

Eine Möglichkeit, wie ein Atom Protonen verliert, ist der radioaktive Zerfall, der auftritt, wenn ein Atom einen instabilen Kern hat. Die Stabilität eines Kerns hängt vom Verhältnis von Protonen zu Neutronen ab. Bei kleineren Elementen wie Kohlenstoff und Sauerstoff ist die Anzahl der Protonen ungefähr gleich der Anzahl der Neutronen und die Kerne sind stabil. Bei schwereren Elementen wie Uran und Plutonium gibt es viel mehr Neutronen als Protonen, und die Kerne dieser Elemente sind extrem instabil. Tatsächlich sind alle Elemente mit mehr als 83 Protonen instabil. Die drei Arten des radioaktiven Zerfalls sind als Alpha, Beta und Gamma bekannt.

Alpha-Zerfall ist der einzige Weg, auf dem ein Atom spontan Protonen verliert. Ein Alphateilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es ist im Wesentlichen der Kern eines Heliumatoms. Nachdem ein Atom eine Alpha-Emission durchgemacht hat, hat es zwei Protonen weniger und wird ein Atom eines anderen Elements. Ein solcher Prozess ist, wenn ein Uran-238-Atom ein Alpha-Teilchen ausstößt und das resultierende Atom dann Thorium-234 ist. Der Alphazerfall wird so lange stattfinden, bis ein Atom mit einem stabilen Kern entsteht. Alphateilchen sind relativ groß und werden schnell absorbiert. Daher reisen sie nicht weit durch die Luft und sind nicht so gefährlich wie die anderen Arten des radioaktiven Zerfalls.

Der andere Prozess, bei dem ein Atom Protonen verlieren kann, wird als Kernspaltung bezeichnet. Bei der Kernspaltung wird ein Gerät verwendet, um Neutronen in Richtung des Kerns eines Atoms zu beschleunigen. Die Kollision der Neutronen mit dem Atom führt dazu, dass der Atomkern in Fragmente zerfällt. Jedes Fragment hat ungefähr die Hälfte der Masse des ursprünglichen Atoms.

Zusammengenommen ist die Summe der Fragmentmassen jedoch nicht gleich der Masse des ursprünglichen Atoms. Dies liegt daran, dass in der Regel mehrere Neutronen als Atomfragmente emittiert werden und ein Teil der Masse in Energie umgewandelt wird. Tatsächlich erzeugt eine kleine Menge Materie eine enorme Menge an Energie.

Eine häufige Anwendung der Kernspaltung ist die Erzeugung von Kernenergie. In einem Kernkraftwerk wird Energie aus der Kernspaltung zum Erhitzen von Wasser verwendet, das Dampf erzeugt, um eine Turbine zu drehen und Strom zu erzeugen. Etwa 20 Prozent des Stroms in den USA stammen aus Atomkraftwerken.

Eine weitere Anwendung der Kernspaltung ist die Herstellung von Atomwaffen. Bei einer Atomwaffe wird ein Auslösegerät verwendet, um die Spaltung einzuleiten. Eine Fragmentierung führt zur anderen, was zu einer Kettenreaktion führt, die eine enorme Menge an Zerstörungsenergie freisetzt.

Die einzigen zwei Möglichkeiten, wie Atome Protonen verlieren, sind der radioaktive Zerfall und die Kernspaltung. Beide Prozesse treten nur in Atomen mit instabilen Kernen auf. Es ist bekannt, dass radioaktiv natürlich und spontan auftritt. Laut J. Marvin Herndon, es gibt auch Hinweise darauf, dass die Kernspaltung auf natürliche Weise im Erdmantel und im Erdkern stattfindet, nicht nur in künstlichen Geräten wie Atombomben oder Kraftwerksreaktoren.