Gli atomi degli elementi differenti variano in dimensioni e massa che vanno da piccolo idrogeno con la massa atomica di 1 a grandi elementi come uranio con la massa atomica media di 238. È possibile sia naturalmente che artificialmente per fondere gli atomi per formare atomi più grandi di un elemento diverso in un processo chiamato fusione. Allo stesso modo è possibile dividere gli atomi entrambi naturalmente ed artificialmente per produrre più piccoli atomi attraverso fissione. Fusione e fissione coinvolgono reazioni nucleari e non possono essere realizzati dai cambiamenti fisici o chimici.
Struttura atomica
Gli atomi consistono di un nucleo di protoni e neutroni, circondati da una nube di elettroni di orbitanti. In reazioni nucleari è il nucleo che è di importanza. Protoni positivamente sono particelle cariche, e il numero di protoni nel nucleo denota l'elemento. Ad esempio, tutti gli atomi di carbonio hanno sei protoni, mentre tutti gli atomi di azoto hanno sette protoni nel nucleo. Modifica del numero di protoni di modificare l'elemento. Neutroni sono neutro particelle cariche e possono variare tra atomi dello stesso elemento. Ad esempio, gli atomi di idrogeno ciascuno hanno un protone ma possono avere zero, uno o due neutroni, a seconda dell'isotopo. Chimicamente e fisicamente tutti gli isotopi di un atomo si comportano allo stesso modo. Collettivamente, protoni e neutroni sono denominati nucleoni.
Energia di legame atomico
La massa di un atomo è inferiore alla somma dei singoli nucleoni nel nucleo dell'atomo. Questa anomalia deriva dall'energia di legame che tiene insieme l'atomo. Ricordare che energia e massa sono collegati come indicato dalla famosa equazione di Einstein. Così, la differenza di massa tra l'atomo e la somma dei suoi nucleoni è l'energia di legame atomico. L'energia di legame atomico di una particella alfa, essenzialmente un nucleo di elio di due protoni e due neutroni, è più di un milione di volte maggiore rispetto all'energia tra il nucleo e l'elettrone.
Curva di energia di legame atomico
L'energia di legame atomico può essere diviso per il numero di nucleoni nel nucleo per ogni elemento per produrre un grafico. Questo grafico rivela che due isotopi di ferro, Fe-56 e Fe-58 e l'isotopo di nichel Ni-62 hanno i nuclei più strettamente associati. Elementi con meno massa di questi atomi possono produrre energia dalla fusione nucleare, e gli elementi più pesanti possono produrre energia da fissione nucleare. Tuttavia, fissione e fusione in genere coinvolgono elementi all'estremita ' in ogni direzione.
Fissione nucleare
Gli elementi più pesanti si possono dividere in atomi più piccoli, rilasciando una quantità incredibile di energia nel processo. Fissione di un grammo di U-238 rilascia più di un milione di volte l'energia rilasciata dalla combustione di un grammo di gas naturale. Purtroppo, U-238 subisce fissione spontanea ad un ritmo molto lento. Tuttavia, se viene raccolto abbastanza materiale, conosciuto come la massa critica, fissione può essere indotta prendendo di mira il nucleo con un neutrone. Come l'atomo di U-238 divide, neutroni supplementari sono liberati che può dividere gli atomi aggiuntivi. Altri elementi possono essere usati per simili reazioni, come Pu-239. Mentre queste reazioni vengono spesso identificate con reattori nucleari e la devastazione nella seconda guerra mondiale di Hiroshima e Nagasaki, depositi di minerale in Africa suggeriscono che, in un passato lontano della terra questa reazione a catena è stato naturalmente.
Fusione nucleare
Fusione comporta la combinazione di elementi più leggeri per formare elementi più pesanti. Il posto più ovvio per la fusione nucleare è nel nostro sole. All'interno del sole, nuclei di idrogeno si fondono insieme in nuclei di elio, rilasciando una quantità enorme di energia, solo una piccola parte dei quali raggiunge la terra. Come stelle di scarico loro combustibile di idrogeno, altri processi di fusione iniziano, come la fusione dell'elio in carbonio. Reazioni di fusione sono state duplicate sulla terra in bombe all'idrogeno. A differenza di ricerca di fissione, che ha prodotto le reazioni controllate prima di armamento, reazioni di fusione devono ancora essere controllata in modo tale da consentire la produzione di energia. Tra le sfide legate alla ricerca sulla fusione è contenimento, come le alte temperature delle reazioni di fusione vaporizzano qualsiasi sostanza in un plasma.