อะตอมสูญเสียโปรตอนอย่างไร

อะตอมเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานของสสารทั้งหมด อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกหนาแน่นซึ่งมีโปรตอนและนิวตรอน อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะโคจรรอบนิวเคลียส อะตอมทั้งหมดของธาตุใดธาตุหนึ่งมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน เรียกว่าเลขอะตอม มีสองกระบวนการทั่วไปที่อะตอมสามารถสูญเสียโปรตอนได้ เนื่องจากองค์ประกอบถูกกำหนดโดยจำนวนของโปรตอนในอะตอมของมัน เมื่ออะตอมสูญเสียโปรตอน มันจะกลายเป็นองค์ประกอบที่แตกต่างกัน

วิธีหนึ่งที่อะตอมสูญเสียโปรตอนคือการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออะตอมมีนิวเคลียสที่ไม่เสถียร ความคงตัวของนิวเคลียสขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของโปรตอนต่อนิวตรอน สำหรับธาตุที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น คาร์บอนและออกซิเจน จำนวนโปรตอนจะเท่ากับจำนวนนิวตรอนโดยประมาณ และนิวเคลียสจะคงที่ สำหรับธาตุที่หนักกว่า เช่น ยูเรเนียมและพลูโทเนียม มีนิวตรอนมากกว่าโปรตอนจำนวนมาก และนิวเคลียสของธาตุเหล่านั้นไม่เสถียรอย่างยิ่ง อันที่จริงองค์ประกอบทั้งหมดที่มีมากกว่า 83 โปรตอนนั้นไม่เสถียร การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีสามประเภทเรียกว่าอัลฟาเบต้าและแกมมา

การสลายตัวของอัลฟ่าเป็นวิธีเดียวที่อะตอมจะสูญเสียโปรตอนไปเองตามธรรมชาติ อนุภาคแอลฟาประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว โดยพื้นฐานแล้วมันคือนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม หลังจากที่อะตอมผ่านการปล่อยแอลฟา อะตอมจะมีโปรตอนน้อยกว่า 2 ตัวและกลายเป็นอะตอมของธาตุที่ต่างกัน กระบวนการหนึ่งดังกล่าวคือเมื่ออะตอมยูเรเนียม-238 ปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาและอะตอมที่ได้คือทอเรียม-234 การสลายตัวของอัลฟ่าจะเกิดขึ้นต่อไปจนกว่าอะตอมจะมีนิวเคลียสที่เสถียร อนุภาคอัลฟ่ามีขนาดค่อนข้างใหญ่และถูกดูดซึมได้อย่างรวดเร็ว จึงไม่เดินทางไกลในอากาศและไม่เป็นอันตรายเหมือนการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีชนิดอื่นๆ

กระบวนการอื่นที่อะตอมสามารถสูญเสียโปรตอนได้เรียกว่าการแยกตัวของนิวเคลียร์ ในการแตกตัวของนิวเคลียส อุปกรณ์ที่ใช้ในการเร่งนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของอะตอม การชนกันของนิวตรอนกับอะตอมทำให้นิวเคลียสของอะตอมแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย แต่ละส่วนมีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของอะตอมดั้งเดิม

แต่เมื่อรวมเข้าด้วยกันแล้ว ผลรวมของมวลของเศษส่วนนั้นไม่เท่ากับมวลของอะตอมดั้งเดิม นี่เป็นเพราะปกติแล้วนิวตรอนหลายตัวจะถูกปล่อยออกมาเป็นเศษอะตอมและมวลบางส่วนจะถูกแปลงเป็นพลังงาน อันที่จริง สสารจำนวนเล็กน้อยสร้างพลังงานจำนวนมหาศาล

การใช้งานทั่วไปสำหรับการแตกตัวของนิวเคลียร์คือการสร้างพลังงานนิวเคลียร์ ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ พลังงานจากฟิชชันถูกใช้เพื่อทำให้น้ำร้อน ซึ่งจะสร้างไอน้ำเพื่อหมุนกังหันและผลิตกระแสไฟฟ้า ประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ของไฟฟ้าในสหรัฐอเมริกามาจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

การประยุกต์ใช้นิวเคลียร์ฟิชชันอีกประการหนึ่งคือการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ ในอาวุธนิวเคลียร์ อุปกรณ์กระตุ้นจะใช้เพื่อเริ่มต้นการแยกตัว การแตกแฟรกเมนต์หนึ่งนำไปสู่อีกอัน ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ปล่อยพลังงานทำลายล้างจำนวนมหาศาล

มีเพียงสองวิธีที่อะตอมสูญเสียโปรตอนคือการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีและการแยกตัวของนิวเคลียร์ กระบวนการทั้งสองจะเกิดขึ้นในอะตอมที่มีนิวเคลียสที่ไม่เสถียรเท่านั้น เป็นที่ทราบกันดีว่ากัมมันตภาพรังสีเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ตามที่ เจ. มาร์วิน เฮิร์นดอน ยังมีหลักฐานที่บ่งชี้ว่านิวเคลียร์ฟิชชันเกิดขึ้นตามธรรมชาติในชั้นเปลือกโลกและแกนกลางของโลก ไม่ใช่แค่ในอุปกรณ์ที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น ระเบิดนิวเคลียร์หรือเครื่องปฏิกรณ์โรงไฟฟ้า