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Atome sind die Grundbausteine aller Materie. Atome bestehen aus einem dichten, positiv geladenen Kern, der Protonen und Neutronen enthält. Negativ geladene Elektronen umkreisen den Kern. Alle Atome eines bestimmten Elements besitzen die gleiche Anzahl von Protonen, die als Ordnungszahl bezeichnet wird. Es gibt zwei allgemeine Prozesse, bei denen ein Atom Protonen verlieren kann. Da ein Element durch die Anzahl der Protonen in seinen Atomen definiert ist, wird es ein anderes Element, wenn ein Atom Protonen verliert.
Radioaktiver Zerfall
Fotolia.com "> ••• radioaktives Bild von red2000 von Fotolia.comEin Weg, wie ein Atom Protonen verliert, ist der radioaktive Zerfall, der auftritt, wenn ein Atom einen instabilen Kern hat. Die Stabilität eines Kerns hängt vom Verhältnis von Protonen zu Neutronen ab. Bei kleineren Elementen wie Kohlenstoff und Sauerstoff entspricht die Anzahl der Protonen in etwa der Anzahl der Neutronen, und die Kerne sind stabil. Für schwerere Elemente wie Uran und Plutonium gibt es viel mehr Neutronen als Protonen, und die Kerne dieser Elemente sind extrem instabil. Tatsächlich sind alle Elemente mit mehr als 83 Protonen instabil. Die drei Arten des radioaktiven Zerfalls sind als Alpha, Beta und Gamma bekannt.
Alpha-Zerfall
Alpha-Zerfall ist der einzige Weg, auf dem ein Atom spontan Protonen verliert. Ein Alpha-Teilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es ist im Wesentlichen der Kern eines Heliumatoms. Nachdem ein Atom eine Alpha-Emission eingegangen ist, hat es zwei Protonen weniger und wird zu einem Atom eines anderen Elements. Ein solcher Prozess ist, wenn ein Uran-238-Atom ein Alpha-Teilchen ausstößt und das resultierende Atom dann Thorium-234 ist. Der Alpha-Zerfall wird fortgesetzt, bis ein Atom mit einem stabilen Kern entsteht. Alpha-Partikel sind relativ groß und ziehen schnell ein. Daher bewegen sie sich nicht weit durch die Luft und sind nicht so gefährlich wie die anderen Arten des radioaktiven Zerfalls.
Kernspaltung
Der andere Prozess, durch den ein Atom Protonen verlieren kann, ist als Kernspaltung bekannt. Bei der Kernspaltung wird ein Gerät verwendet, um Neutronen in Richtung des Atomkerns zu beschleunigen. Die Kollision der Neutronen mit dem Atom führt dazu, dass der Atomkern in Fragmente zerfällt. Jedes Fragment entspricht ungefähr der Hälfte der Masse des ursprünglichen Atoms.
Zusammengenommen entspricht die Summe der Fragmentmassen jedoch nicht der Masse des ursprünglichen Atoms. Dies liegt daran, dass in der Regel mehrere Neutronen als Atomfragmente emittiert werden und ein Teil der Masse in Energie umgewandelt wird. In der Tat erzeugt eine kleine Menge Materie eine enorme Menge Energie.
Anwendungen der Spaltung
Eine übliche Anwendung für die Kernspaltung ist die Erzeugung von Kernkraft. In einem Kernkraftwerk wird Energie aus der Spaltung zum Erhitzen von Wasser verwendet, das Dampf erzeugt, um eine Turbine zu drehen und Elektrizität zu erzeugen. Ungefähr 20 Prozent des Stroms in den Vereinigten Staaten stammen aus Kernkraftwerken.
Eine andere Anwendung der Kernspaltung ist die Herstellung von Atomwaffen. In einer Atomwaffe wird eine Auslösevorrichtung verwendet, um die Spaltung auszulösen. Eine Fragmentierung führt zu einer anderen, was zu einer Kettenreaktion führt, die eine enorme Menge zerstörerischer Energie freisetzt.
Überlegungen
Die einzigen beiden Wege, auf denen Atome Protonen verlieren, sind radioaktiver Zerfall und Kernspaltung. Beide Prozesse treten nur in Atomen mit instabilen Kernen auf. Es ist bekannt, dass radioaktiv natürlich und spontan auftritt. Laut J. Marvin Herndon gibt es auch Hinweise darauf, dass die Kernspaltung auf natürliche Weise im Erdmantel und im Erdkern stattfindet, nicht nur in von Menschen hergestellten Geräten wie Atombomben oder Kraftwerksreaktoren.