Jak atom traci protony

Atomy są podstawowym budulcem całej materii. Atomy składają się z gęstego, dodatnio naładowanego jądra zawierającego protony i neutrony. Ujemnie naładowane elektrony krążą wokół jądra. Wszystkie atomy danego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów, zwaną liczbą atomową. Istnieją dwa ogólne procesy, dzięki którym atom może stracić protony. Ponieważ pierwiastek jest określony przez liczbę protonów w jego atomach, kiedy atom traci protony, staje się innym pierwiastkiem.

Jednym ze sposobów, w jaki atom traci protony, jest rozpad radioaktywny, który występuje, gdy atom ma niestabilne jądro. Stabilność jądra zależy od stosunku protonów do neutronów. W przypadku mniejszych pierwiastków, takich jak węgiel i tlen, liczba protonów jest w przybliżeniu równa liczbie neutronów, a jądra są stabilne. W przypadku cięższych pierwiastków, takich jak uran i pluton, neutronów jest znacznie więcej niż protonów, a jądra tych pierwiastków są wyjątkowo niestabilne. W rzeczywistości wszystkie pierwiastki, które mają więcej niż 83 protony, są niestabilne. Trzy typy rozpadu promieniotwórczego znane są jako alfa, beta i gamma.

Rozpad alfa to jedyny sposób, w jaki atom spontanicznie traci protony. Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Jest to zasadniczo jądro atomu helu. Po tym, jak atom ulegnie emisji alfa, ma dwa protony mniej i staje się atomem innego pierwiastka. Jednym z takich procesów jest wyrzucanie przez atom uranu-238 cząstki alfa, a powstałym atomem jest tor-234. Rozpad alfa będzie trwał, dopóki nie powstanie atom ze stabilnym jądrem. Cząsteczki alfa są stosunkowo duże i szybko się wchłaniają. Dlatego nie przemieszczają się daleko w powietrzu i nie są tak niebezpieczne jak inne rodzaje rozpadu radioaktywnego.

Inny proces, w którym atom może stracić protony, znany jest jako rozszczepienie jądrowe. W rozszczepieniu jądrowym urządzenie służy do przyspieszania neutronów w kierunku jądra atomu. Zderzenie neutronów z atomem powoduje, że jądro atomu rozpada się na fragmenty. Każdy fragment ma mniej więcej połowę masy pierwotnego atomu.

Jednak po zsumowaniu suma mas fragmentów nie jest równa masie pierwotnego atomu. Dzieje się tak, ponieważ kilka neutronów jest zwykle emitowanych jako fragmenty atomów, a część masy jest przekształcana w energię. W rzeczywistości niewielka ilość materii generuje ogromną ilość energii.

Powszechnym zastosowaniem rozszczepienia jądrowego jest wytwarzanie energii jądrowej. W elektrowni jądrowej energia z rozszczepienia jest wykorzystywana do podgrzewania wody, która wytwarza parę, która napędza turbinę i generuje energię elektryczną. Około 20 procent energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych pochodzi z elektrowni jądrowych.

Innym zastosowaniem rozszczepienia jądrowego jest wytwarzanie broni jądrowej. W broni jądrowej urządzenie wyzwalające służy do inicjowania rozszczepienia. Jedna fragmentacja prowadzi do drugiej, powodując reakcję łańcuchową, która uwalnia ogromną ilość niszczącej energii.

Jedynymi dwoma sposobami utraty protonów przez atomy są rozpad radioaktywny i rozszczepienie jądrowe. Oba procesy zachodzą tylko w atomach, które mają niestabilne jądra. Powszechnie wiadomo, że radioaktywność występuje naturalnie i spontanicznie. Według J. Marvin Herndon, istnieją również dowody sugerujące, że rozszczepienie jądrowe zachodzi naturalnie w płaszczu i jądrze Ziemi, a nie tylko w urządzeniach stworzonych przez człowieka, takich jak bomby atomowe czy reaktory elektrowni.