Come un atomo perde protoni

Gli atomi sono i mattoni fondamentali di tutta la materia. Gli atomi sono costituiti da un nucleo denso e caricato positivamente che contiene protoni e neutroni. Gli elettroni con carica negativa orbitano attorno al nucleo. Tutti gli atomi di un particolare elemento possiedono lo stesso numero di protoni, noto come numero atomico. Ci sono due processi generali attraverso i quali un atomo può perdere protoni. Poiché un elemento è definito dal numero di protoni nei suoi atomi, quando un atomo perde protoni, diventa un elemento diverso.

Un modo in cui un atomo perde protoni è attraverso il decadimento radioattivo, che si verifica quando un atomo ha un nucleo instabile. La stabilità di un nucleo dipende dal rapporto tra protoni e neutroni. Per elementi più piccoli come carbonio e ossigeno, il numero di protoni è approssimativamente uguale al numero di neutroni e i nuclei sono stabili. Per gli elementi più pesanti come l'uranio e il plutonio, ci sono molti più neutroni che protoni e i nuclei di quegli elementi sono estremamente instabili. Infatti, tutti gli elementi che hanno più di 83 protoni sono instabili. I tre tipi di decadimento radioattivo sono noti come alfa, beta e gamma.

Il decadimento alfa è l'unico modo in cui un atomo perderà spontaneamente protoni. Una particella alfa è composta da due protoni e due neutroni. È essenzialmente il nucleo di un atomo di elio. Dopo che un atomo ha subito un'emissione alfa, ha due protoni in meno e diventa un atomo di un elemento diverso. Uno di questi processi è quando un atomo di uranio-238 espelle una particella alfa e l'atomo risultante è quindi torio-234. Il decadimento alfa continuerà a verificarsi fino a quando non risulterà un atomo con un nucleo stabile. Le particelle alfa sono relativamente grandi e vengono rapidamente assorbite. Pertanto non viaggiano lontano nell'aria e non sono pericolosi come gli altri tipi di decadimento radioattivo.

L'altro processo attraverso il quale un atomo può perdere protoni è noto come fissione nucleare. Nella fissione nucleare, un dispositivo viene utilizzato per accelerare i neutroni verso il nucleo di un atomo. La collisione dei neutroni con l'atomo provoca la rottura del nucleo dell'atomo in frammenti. Ogni frammento è circa la metà della massa dell'atomo originale.

Quando sommate, però, la somma delle masse dei frammenti non è uguale alla massa dell'atomo originale. Questo perché di solito vengono emessi diversi neutroni mentre l'atomo si frammenta e parte della massa viene convertita in energia. In effetti, una piccola quantità di materia genera un'enorme quantità di energia.

Un'applicazione comune per la fissione nucleare è nella generazione di energia nucleare. In una centrale nucleare, l'energia della fissione viene utilizzata per riscaldare l'acqua, che crea vapore per far girare una turbina e generare elettricità. Circa il 20% dell'elettricità negli Stati Uniti proviene da centrali nucleari.

Un'altra applicazione della fissione nucleare è nella fabbricazione di armi nucleari. In un'arma nucleare, un dispositivo di innesco viene utilizzato per avviare la fissione. Una frammentazione tira l'altra, provocando una reazione a catena che rilascia un'enorme quantità di energia distruttiva.

Gli unici due modi in cui gli atomi perdono protoni sono il decadimento radioattivo e la fissione nucleare. Entrambi i processi si verificano solo in atomi che hanno nuclei instabili. È noto che la radioattività si verifica in modo naturale e spontaneo. Secondo J. Marvin Herndon, ci sono anche prove che suggeriscono che la fissione nucleare si verifica naturalmente nel mantello e nel nucleo della Terra, non solo in dispositivi artificiali come bombe nucleari o reattori di centrali elettriche.