Atomer är de grundläggande byggstenarna i all materia. Atomer består av en tät, positivt laddad kärna som innehåller protoner och neutroner. Negativt laddade elektroner kretsar kring kärnan. Alla atomer i ett visst element har samma antal protoner, känt som atomnummer. Det finns två allmänna processer genom vilka en atom kan förlora protoner. Eftersom ett element definieras av antalet protoner i dess atomer, när en atom förlorar protoner, blir det ett annat element.
Radioaktivt avfall
Ett sätt att en atom förlorar protoner är genom radioaktivt sönderfall, som inträffar när en atom har en instabil kärna. Kärnans stabilitet beror på förhållandet mellan protoner och neutroner. För mindre element som kol och syre är antalet protoner ungefär lika med antalet neutroner och kärnorna är stabila. För tyngre element som uran och plutonium finns det många fler neutroner än protoner, och kärnorna i dessa element är extremt instabila. Faktum är att alla element som har mer än 83 protoner är instabila. De tre typerna av radioaktivt sönderfall är kända som alfa, beta och gamma.
Alpha förfall
Alfa-förfall är det enda sättet på vilket en atom spontant kommer att förlora protoner. En alfapartikel består av två protoner och två neutroner. Det är i huvudsak kärnan i en heliumatom. Efter att en atom genomgår en alfaemission har den två färre protoner och blir en atom med ett annat element. En sådan process är när en uran-238-atom matar ut en alfapartikel och den resulterande atomen är Thorium-234. Alpha-sönderfall kommer att fortsätta tills en atom med en stabil kärna resulterar. Alfapartiklar är relativt stora och absorberas snabbt. Därför reser de inte långt genom luften och är inte lika farliga som andra typer av radioaktivt förfall.
Kärnfission
Den andra processen genom vilken en atom kan förlora protoner kallas kärnklyvning. Vid kärnklyvning används en anordning för att påskynda neutroner mot atomens kärna. Kollisionen av neutronerna med atomen får atomens kärna att bryta sönder i fragment. Varje fragment är ungefär hälften av massan av den ursprungliga atomen.
När de läggs ihop är dock summan av fragmentmassorna inte lika med massan för den ursprungliga atomen. Detta beror på att flera neutroner vanligtvis släpps ut som atomfragment och en del av massan omvandlas till energi. Faktum är att en liten mängd materia genererar en enorm mängd energi.
Tillämpningar av fission
En vanlig tillämpning för kärnklyvning är produktion av kärnkraft. I ett kärnkraftverk används energi från klyvning för att värma upp vatten, vilket skapar ånga för att vända en turbin och generera elektricitet. Cirka 20 procent av elen i USA kommer från kärnkraftverk.
En annan tillämpning av kärnklyvning är att tillverka kärnvapen. I ett kärnvapen används en utlösande anordning för att initiera klyvning. En fragmentering leder till en annan, vilket resulterar i en kedjereaktion som släpper ut en enorm mängd destruktiv energi.
Överväganden
De enda två sätten på vilka atomer förlorar protoner är genom radioaktivt sönderfall och kärnklyvning. Båda processerna kommer endast att inträffa i atomer som har instabila kärnor. Det är välkänt att radioaktivt förekommer naturligt och spontant. Enligt J. Marvin Herndon, det finns också bevis som tyder på att kärnklyvning sker naturligt i jordens mantel och kärna, inte bara i konstgjorda enheter som kärnbomber eller kraftverkreaktorer.