Atomes de différents éléments varient en taille et en masse allant de petit hydrogène avec une masse atomique de 1 à des éléments plus importants tels que l'uranium avec une masse atomique moyenne de 238. Il est possible à la fois naturellement et artificiellement à des atomes de fusibles ensemble pour former de plus grands atomes d'un élément différent dans une fusion de processus appelé. De même, il est possible de diviser les atomes à la fois naturellement et artificiellement pour produire des atomes plus petits par fission. La fission et la fusion impliquent des réactions nucléaires et ne peuvent pas être atteints par des changements physiques ou chimiques.
Structure atomique
Atomes se composent d'un noyau de protons et de neutrons entourés d'un nuage d'électrons en orbite. Dans les réactions nucléaires, il est le noyau qui est d'importance. Protons sont des particules chargées positivement, et le nombre de protons dans le noyau désigne l'élément. Par exemple, tous les atomes de carbone ont six protons alors que tous les atomes d'azote ont sept protons dans le noyau. Modification du nombre de protons change l'élément. Les neutrons sont des particules chargées et neutres peuvent varier entre les atomes du même élément. A titre d'exemple, les atomes d'hydrogène ont chacun un proton, mais ils peuvent avoir zéro, une ou deux neutrons en fonction de l'isotope. Chimiquement et physiquement tous les isotopes d'un atome se comportent de manière similaire. Collectivement, les protons et les neutrons sont appelés nucléons.
Atomic Energy Binding
La masse d'un atome est inférieure à la somme des nucléons individuels à l'intérieur du noyau de l'atome. Cette anomalie résulte de l'énergie de liaison qui maintient l'atome ensemble. Rappelez-vous que l'énergie et la masse sont liés comme indiqué par la célèbre équation d'Einstein. Ainsi, la différence de masse entre l'atome et la somme de nucléons est l'énergie de liaison atomique. L'énergie de liaison atomique d'une particule alpha, essentiellement un noyau d'hélium de deux protons et deux neutrons, plus d'un million de fois supérieure à l'énergie entre le noyau et l'électron.
Atomic Energy Binding Curve
L'énergie de liaison atomique peut être divisée par le nombre de nucléons dans le noyau pour chaque élément pour produire un graphique. Ce graphique révèle que deux isotopes de fer, Fe-56 et Fe-58, et l'isotope de nickel Ni-62 ont les noyaux les plus étroitement liés. Les éléments avec moins de masse que ces atomes peuvent donner de l'énergie à partir de la fusion nucléaire, et des éléments plus lourds peuvent donner de l'énergie à partir de la fission nucléaire. Cependant, la fission et la fusion impliquent généralement des éléments à l'extrémité dans chaque direction.
Fission nucléaire
Des éléments plus lourds peuvent diviser en plus petits atomes, libérant une quantité étonnante d'énergie dans le processus. Fission d'un gramme d'U-238 libère plus d'un million de fois l'énergie libérée par la combustion d'un gramme de gaz naturel. Malheureusement, U-238 subit une fission spontanée à un rythme très lent. Cependant, si suffisamment de matière est recueillie, connue sous le nom de la masse critique, la scission peut être induite par le ciblage du noyau avec un neutron. Comme l'atome U-238 se divise, les neutrons supplémentaires sont libérés qui peuvent diviser atomes supplémentaires. D'autres éléments peuvent être utilisés pour des réactions similaires, tels que Pu-239. Bien que ces réactions sont souvent identifiées par les réacteurs nucléaires et la dévastation dans la Seconde Guerre mondiale d'Hiroshima et de Nagasaki, gisements de minerai en Afrique suggèrent que, dans le passé lointain de la terre cette réaction en chaîne se produisait naturellement.
La fusion nucléaire
Fusion implique la combinaison d'éléments plus légers pour former des éléments plus lourds. L'endroit le plus évident pour la fusion nucléaire est dans notre propre soleil. Dans le soleil, les noyaux d'hydrogène sont fusionnés dans les noyaux d'hélium, libérant une énorme quantité d'énergie, seule une petite partie de ce qui arrive à la terre. Comme étoiles épuisent leur carburant d'hydrogène, d'autres procédés de fusion commencent, telles que la fusion de l'hélium en carbone. Les réactions de fusion ont été dupliqués sur la terre dans des bombes à hydrogène. Contrairement à la recherche de fission, qui a produit des réactions contrôlées avant arsenalisation, les réactions de fusion doivent encore être commandés de manière à permettre la production d'énergie. Parmi les défis liés à la recherche sur la fusion est de confinement, comme les températures élevées de réactions de fusion vaporisent toute substance dans un plasma.