Kuidas aatom kaotab prootoneid

Aatomid on kõigi ainete põhilised ehituskivid. Aatomid koosnevad tihedast positiivselt laetud tuumast, mis sisaldab prootoneid ja neutroneid. Negatiivselt laetud elektronid tiirlevad tuuma ümber. Kõigil konkreetse elemendi aatomitel on sama arv prootoneid, mida nimetatakse aatomnumbriks. On kaks üldist protsessi, mille abil aatom võib prootoneid kaotada. Kuna elementi määratletakse tema aatomites olevate prootonite arvuga, muutub aatom prootonite kaotamisel teiseks elemendiks.

Üks viis, kuidas aatom prootoneid kaotab, on radioaktiivne lagunemine, mis toimub siis, kui aatomil on ebastabiilne tuum. Tuuma stabiilsus sõltub prootonite ja neutronite suhtest. Väiksemate elementide, nagu süsinik ja hapnik, puhul on prootonite arv ligikaudu võrdne neutronite arvuga ja tuumad on stabiilsed. Raskemate elementide, näiteks uraani ja plutooniumi puhul on neutroneid palju rohkem kui prootoneid ja nende elementide tuumad on äärmiselt ebastabiilsed. Tegelikult on kõik elemendid, millel on üle 83 prootoni, ebastabiilsed. Kolme tüüpi radioaktiivset lagunemist tuntakse alfa, beeta ja gammana.

Alfa lagunemine on ainus viis, kuidas aatom kaotab spontaanselt prootonid. Alfaosake koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist. Põhimõtteliselt on see heeliumi aatomi tuum. Pärast aatomi alfaemissiooni läbimist on sellel kaks prootonit vähem ja temast saab erineva elemendi aatom. Üks selline protsess on see, kui Uraan-238 aatom väljutab alfaosakese ja saadud aatom on siis toorium-234. Alfa lagunemine jätkub seni, kuni tekib stabiilse tuumaga aatom. Alfaosakesed on suhteliselt suured ja imenduvad kiiresti. Seetõttu ei liigu nad õhus kaugel ega ole nii ohtlikud kui muud liiki radioaktiivsed lagunemised.

Teine protsess, mille käigus aatom võib prootoneid kaotada, on tuntud kui tuuma lõhustumine. Tuumalõhustumisel kasutatakse seadet neutronite kiirendamiseks aatomi tuuma suunas. Neutronite kokkupõrge aatomiga põhjustab aatomi tuuma killustumise. Iga fragment on umbes pool algse aatomi massist.

Kombineerituna ei ole fragmendi masside summa siiski võrdne algse aatomi massiga. Seda seetõttu, et aatomi fragmentidena eraldub tavaliselt mitu neutronit ja osa massist muundatakse energiaks. Tegelikult tekitab väike ainehulk tohutult energiat.

Tuuma lõhustumise tavaline rakendus on tuumaenergia tootmine. Tuumaelektrijaamas kasutatakse lõhustumisel tekkivat energiat vee soojendamiseks, mis loob auru turbiini pööramiseks ja elektri tootmiseks. Ligikaudu 20 protsenti Ameerika Ühendriikide elektrist tuleb tuumajaamadest.

Teine tuumalõhustumise rakendus on tuumarelvade valmistamine. Tuumarelvas kasutatakse lõhustumise käivitamiseks vallandusseadet. Üks killustumine viib teiseni, mille tulemuseks on ahelreaktsioon, mis vabastab tohutul hulgal destruktiivset energiat.

Ainsad kaks aatomite prootonite kaotamise viisi on radioaktiivne lagunemine ja tuuma lõhustamine. Mõlemad protsessid toimuvad ainult ebastabiilsete tuumadega aatomites. On hästi teada, et radioaktiivselt toimub loomulikult ja spontaanselt. J. sõnul Marvin Herndon, on ka tõendeid selle kohta, et tuumalõhustumine toimub looduslikult Maa mantlis ja südamikus, mitte ainult inimese loodud seadmetes nagu tuumapommid või elektrijaamade reaktorid.