Πώς ένα άτομο χάνει πρωτόνια

Τα άτομα είναι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία κάθε ύλης. Τα άτομα αποτελούνται από έναν πυκνό, θετικά φορτισμένο πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια. Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Όλα τα άτομα ενός συγκεκριμένου στοιχείου έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, γνωστό ως ατομικό αριθμό. Υπάρχουν δύο γενικές διαδικασίες με τις οποίες ένα άτομο μπορεί να χάσει πρωτόνια. Δεδομένου ότι ένα στοιχείο ορίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων στα άτομα του, όταν ένα άτομο χάνει πρωτόνια, γίνεται ένα διαφορετικό στοιχείο.

Ένας τρόπος με τον οποίο ένα άτομο χάνει πρωτόνια είναι μέσω ραδιενεργής διάσπασης, η οποία συμβαίνει όταν ένα άτομο έχει ασταθή πυρήνα. Η σταθερότητα ενός πυρήνα εξαρτάται από την αναλογία των πρωτονίων προς τα νετρόνια. Για μικρότερα στοιχεία όπως άνθρακας και οξυγόνο, ο αριθμός των πρωτονίων είναι περίπου ίσος με τον αριθμό των νετρονίων και οι πυρήνες είναι σταθεροί. Για βαρύτερα στοιχεία όπως το ουράνιο και το πλουτώνιο, υπάρχουν πολλά περισσότερα νετρόνια από τα πρωτόνια και οι πυρήνες αυτών των στοιχείων είναι εξαιρετικά ασταθείς. Στην πραγματικότητα, όλα τα στοιχεία που έχουν περισσότερα από 83 πρωτόνια είναι ασταθή. Οι τρεις τύποι ραδιενεργών αποσύνθεσης είναι γνωστοί ως άλφα, βήτα και γάμμα.

Η διάσπαση άλφα είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο ένα άτομο θα χάσει αυτόματα πρωτόνια. Ένα σωματίδιο άλφα αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Είναι ουσιαστικά ο πυρήνας ενός ατόμου ηλίου. Αφού ένα άτομο υποβληθεί σε εκπομπή άλφα, έχει δύο λιγότερα πρωτόνια και γίνεται άτομο διαφορετικού στοιχείου. Μία τέτοια διαδικασία είναι όταν ένα άτομο ουρανίου-238 εξάγει ένα σωματίδιο άλφα και το άτομο που προκύπτει είναι τότε το Thorium-234. Η διάσπαση άλφα θα συνεχίσει να συμβαίνει έως ότου εμφανιστεί ένα άτομο με σταθερό πυρήνα. Τα σωματίδια άλφα είναι σχετικά μεγάλα και απορροφώνται γρήγορα. Επομένως, δεν ταξιδεύουν πολύ μακριά από τον αέρα και δεν είναι τόσο επικίνδυνοι όσο οι άλλοι τύποι ραδιενεργών αποσύνθεσης.

Η άλλη διαδικασία με την οποία ένα άτομο μπορεί να χάσει πρωτόνια είναι γνωστή ως πυρηνική σχάση. Στην πυρηνική σχάση, μια συσκευή χρησιμοποιείται για την επιτάχυνση των νετρονίων προς τον πυρήνα ενός ατόμου. Η σύγκρουση των νετρονίων με το άτομο προκαλεί τη διάσπαση του πυρήνα του ατόμου σε θραύσματα. Κάθε θραύσμα είναι περίπου το ήμισυ της μάζας του αρχικού ατόμου.

Ωστόσο, όταν προστίθενται μαζί, το άθροισμα των μαζών θραυσμάτων δεν είναι ίσο με τη μάζα του αρχικού ατόμου. Αυτό συμβαίνει επειδή πολλά νετρόνια εκπέμπονται συνήθως ως θραύσματα ατόμων και μέρος της μάζας μετατρέπεται σε ενέργεια. Στην πραγματικότητα, μια μικρή ποσότητα ύλης παράγει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας.

Μια κοινή εφαρμογή για την πυρηνική σχάση είναι η παραγωγή πυρηνικής ενέργειας. Σε μια πυρηνική μονάδα παραγωγής ενέργειας, η ενέργεια από τη σχάση χρησιμοποιείται για τη θέρμανση νερού, η οποία δημιουργεί ατμό για να στρέψει μια τουρμπίνα και να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Περίπου το 20% της ηλεκτρικής ενέργειας στις Ηνωμένες Πολιτείες προέρχεται από πυρηνικούς σταθμούς.

Μια άλλη εφαρμογή της πυρηνικής σχάσης είναι η κατασκευή πυρηνικών όπλων. Σε ένα πυρηνικό όπλο, μια συσκευή ενεργοποίησης χρησιμοποιείται για την έναρξη της σχάσης. Ο ένας κατακερματισμός οδηγεί σε έναν άλλο, με αποτέλεσμα μια αλυσιδωτή αντίδραση που απελευθερώνει μια τεράστια ποσότητα καταστροφικής ενέργειας.

Οι δύο μόνο τρόποι με τους οποίους τα άτομα χάνουν πρωτόνια είναι μέσω της ραδιενεργής διάσπασης και της πυρηνικής σχάσης. Και οι δύο διαδικασίες θα συμβούν μόνο σε άτομα που έχουν ασταθείς πυρήνες. Είναι πολύ γνωστό ότι η ραδιενέργεια εμφανίζεται φυσικά και αυθόρμητα. Σύμφωνα με τον J. Marvin Herndon, υπάρχουν επίσης στοιχεία που υποδηλώνουν ότι η πυρηνική σχάση συμβαίνει φυσικά στον μανδύα και τον πυρήνα της Γης, όχι μόνο σε τεχνητές συσκευές όπως πυρηνικές βόμβες ή αντιδραστήρες ηλεκτροπαραγωγής.