تصف الفيزياء الذرية والنووية فيزياء الأشياء الصغيرة جدًا. عند العمل مع مثل هذه الأشياء الصغيرة ، غالبًا ما يفشل حدسك المبني على فهمك للميكانيكا الكلاسيكية. هذا هو عالم ميكانيكا الكم والقوى النووية قصيرة المدى والإشعاع الكهرومغناطيسي والنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.
ما هي الفيزياء الذرية؟
الفيزياء الذرية هي فرع الفيزياء الذي يتعامل مع بنية الذرة وحالات الطاقة المرتبطة بها وتفاعل الذرة مع الجسيمات والحقول. في المقابل ، تركز الفيزياء النووية بشكل خاص على ما يجري داخل النواة الذرية ، والذي سيتم وصفه بمزيد من التفصيل في القسم التالي.
هناك العديد من بنود الدراسة في فيزياء الجسيمات. أولًا وقبل كل شيء بنية الذرة نفسها. تتكون الذرات من نواة مرتبطة بإحكام ، والتي تحتوي على البروتونات والنيوترونات ، وسحابة إلكترونية منتشرة.
بالنظر إلى أن النواة عادة ما تكون بترتيب 10-15 حتى 10-14 م ، والذرات نفسها في حدود 10-10 م (وحجم الإلكترونات لا يكاد يذكر) ، اتضح أن الذرات هي في الغالب مساحة فارغة. بالطبع لا تبدو كما هي وكل المواد المصنوعة من الذرات تبدو بالتأكيد وكأنها جوهر.
السبب في أن الذرات لا تبدو وكأنها في الغالب مساحة فارغة هو أنك مكونة أيضًا من الذرات ، وكل الذرات تتفاعل مع الطاقة الكهرومغناطيسية. على الرغم من أن يدك ، التي تتكون في الغالب من ذرات مساحة فارغة ، تضغط على طاولة ، تتكون أيضًا في الغالب من الفضاء الفارغ ، لا يمر عبر الطاولة بسبب القوى الكهرومغناطيسية بين الذرات عند دخولها اتصل.
ومع ذلك ، فإن النيوترينو ، وهو جسيم لا يتفاعل مع القوة الكهرومغناطيسية ، قادر على المرور عبر معظم المواد الذرية دون أن يتم اكتشافها فعليًا. في الواقع ، 100 تريليون نيوترينوات تمر عبر جسمك كل ثانية!
تصنيف الذرة
يتم تصنيف الذرات حسب العدد الذري في الجدول الدوري. العدد الذري هو عدد البروتونات التي تحتويها الذرة في نواتها. هذا الرقم يحدد العنصر.
في حين أن عنصرًا ما سيكون له دائمًا نفس عدد البروتونات ، إلا أنه يمكن أن يحتوي على أعداد مختلفة من النيوترونات. تحتوي النظائر المختلفة لعنصر ما على أعداد مختلفة من النيوترونات. بعض النظائر أكثر ثباتًا من غيرها (مما يعني أنها أقل عرضة للتحلل تلقائيًا إلى شيء آخر) وهذا الاستقرار يعتمد عادةً على عدد النيوترونات ، ولهذا السبب ، بالنسبة لمعظم العناصر ، تميل غالبية الذرات إلى أن تكون من عنصر واحد محدد النظير.
يحدد عدد الإلكترونات التي تحتوي عليها الذرة ما إذا كانت مؤينة أم مشحونة. تحتوي الذرة المحايدة على نفس عدد الإلكترونات مثل البروتونات ، ولكن في بعض الأحيان يمكن للذرات أن تكتسب أو تفقد إلكترونات وتصبح مشحونة. مدى سهولة اكتساب الذرة للإلكترونات أو فقدانها يعتمد على هيكلها المداري الإلكتروني.
ذرة الهيدروجين هي أبسط ذرة تحتوي على بروتون واحد فقط في نواتها. أكثر النظائر الثلاثة استقرارًا للهيدروجين هي البروتيوم (الذي لا يحتوي على نيوترونات) والديوتيريوم (الذي يحتوي على نيوترون واحد) والتريتيوم (الذي يحتوي على نيوترونين) مع البروتيوم الأكثر وفرة.
تم اقتراح نماذج مختلفة من الذرة على مر السنين ، مما أدى إلى النموذج الحالي. تم إنجاز العمل المبكر من قبل إرنست رذرفورد ونيلز بور وآخرين.
أطياف الامتصاص والانبعاث
كما ذكرنا ، تتفاعل الذرات مع القوة الكهرومغناطيسية. تحمل البروتونات في الذرة شحنة موجبة وتحمل الإلكترونات شحنة سالبة. يمكن للإلكترونات الموجودة في الذرة امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي وتحقيق حالة طاقة أعلى نتيجة لذلك ، أو إصدار إشعاع والانتقال إلى حالة طاقة أقل.
تتمثل إحدى الخصائص الرئيسية لامتصاص وانبعاث الإشعاع في أن الذرات تمتص الإشعاع وتصدره فقط بقيم كمية محددة للغاية. ولكل نوع مختلف من الذرات ، تختلف هذه القيم المحددة.
سيصدر غاز ساخن من مادة ذرية إشعاعات بأطوال موجية محددة للغاية. إذا تم تمرير الضوء القادم من هذا الغاز من خلال مطياف ، والذي ينشر الضوء في طيف بطول الموجة (مثل قوس قزح) ، فستظهر خطوط انبعاث متميزة. يمكن قراءة مجموعة خطوط الانبعاث القادمة من الغاز تقريبًا مثل رمز شريطي يخبرك بالضبط عن الذرات الموجودة في الغاز.
وبالمثل ، إذا وقع طيف مستمر من الضوء على غاز بارد ، والضوء الذي يمر عبر هذا الغاز يكون كذلك عبر مطياف ، سترى طيفًا مستمرًا به فجوات مظلمة عند الأطوال الموجية المحددة للغاز يمتص. سيبدو طيف الامتصاص هذا مثل معكوس طيف الانبعاث ، حيث تظهر الخطوط المظلمة حيث كانت الخطوط المضيئة لنفس الغاز. على هذا النحو ، يمكن أيضًا قراءته مثل الباركود الذي يخبرك بتكوين الغاز. يستخدم علماء الفلك هذا طوال الوقت لتحديد تكوين المواد في الفضاء.
ما هي الفيزياء النووية؟
تركز الفيزياء النووية على النواة الذرية والتفاعلات النووية وتفاعل النواة مع الجسيمات الأخرى. يستكشف الاضمحلال الإشعاعي ، والاندماج النووي والانشطار النووي ، والطاقة الملزمة ، من بين مواضيع أخرى.
تحتوي النواة على كتلة مترابطة بإحكام من البروتونات والنيوترونات. ومع ذلك ، فهذه ليست جسيمات أساسية. تتكون البروتونات والنيوترونات من جسيمات أصغر تسمى جسيمات دون الذرية.
الكواركات هي جسيمات ذات شحنة كسرية ، وأسماء سخيفة إلى حد ما. تأتي في ست نكهات مزعومة: أعلى ، أسفل ، أعلى ، أسفل ، غريب وسحر. يتكون النيوترون من كواركين سفليين وكوارك علوي ، ويتكون البروتون من كواركين علويين وكوارك سفلي. ترتبط الكواركات في كل نواة بإحكام بالقوة النووية الشديدة.
القوة النووية القوية تتوسطها جسيمات تسمى الغلوونات. هل تشعر بموضوع ما؟ استمتع العلماء كثيرًا بتسمية هذه الجسيمات! وبطبيعة الحال ، فإن الغلوونات "تلصق" الكواركات معًا. تعمل القوة النووية القوية في نطاق قصير جدًا فقط - على مسافة مماثلة لقطر النواة متوسطة الحجم.
طاقة الربط
كل نيوترون معزول كتلته 1.6749275 × 10-27 kg ، وكل بروتون معزول كتلته 1.6726219 × 10-27 كلغ؛ ومع ذلك ، عندما ترتبط الكتلة الذرية معًا في نواة ذرية ، فإن الكتلة الذرية ليست مجموع الأجزاء المكونة لها بسبب شيء يسمى طاقة الربط.
من خلال الارتباط بإحكام ، تحقق النيوكليونات حالة طاقة أقل نتيجة لبعض الكتلة الكلية التي كانت تمتلكها كجسيمات فردية يتم تحويلها إلى طاقة. يسمى هذا الاختلاف في الكتلة الذي يتم تحويله إلى طاقة بالطاقة الرابطة للنواة. العلاقة التي تصف مقدار الطاقة الذي يتوافق مع كمية معينة من الكتلة هي علاقة أينشتاين الشهيرة ه = مك2 حيث المعادلة م هي الكتلة ج هي سرعة الضوء و ه هي الطاقة.
المفهوم ذو الصلة هو طاقة الربط لكل نواة ، وهي طاقة الربط الكلية للنواة التي يتم حساب متوسطها على الأجزاء المكونة لها. تعد طاقة الربط لكل نواة مؤشرًا جيدًا على مدى استقرار النواة. تشير طاقة الارتباط المنخفضة لكل نيوكليون إلى أنه قد توجد حالة أكثر ملاءمة من إجمالي الطاقة الأقل لذلك نواة معينة ، مما يعني أنها سترغب على الأرجح إما في الانفصال أو الاندماج مع نواة أخرى تحت المناسبة الظروف.
بشكل عام ، تميل النوى الأخف من نوى الحديد إلى تحقيق حالات طاقة أقل ، وطاقة ربط أعلى لكل نواة ، عن طريق الاندماج مع النوى الأخرى ، في حين تميل النوى الأثقل من الحديد إلى تحقيق حالات طاقة أقل عن طريق التفكك إلى أخف نوى. يتم وصف العمليات التي تحدث بها هذه التغييرات في القسم التالي.
الانشطار والانصهار والاضمحلال الإشعاعي
ينصب التركيز الرئيسي للفيزياء النووية على دراسة انشطار واندماج وتحلل النوى الذرية. كل هذه العمليات مدفوعة بفكرة أساسية مفادها أن جميع الجسيمات تفضل حالات طاقة أقل.
يحدث الانشطار عندما تنقسم نواة ثقيلة إلى نوى أصغر. النوى الثقيلة جدًا أكثر عرضة للقيام بذلك لأن لديها طاقة ارتباط أصغر لكل نواة. كما قد تتذكر ، هناك بعض القوى التي تحكم ما يحدث في نواة الذرة. تربط القوة النووية القوية النكليونات ببعضها بإحكام ، لكنها قوة قصيرة المدى للغاية. لذلك بالنسبة للنواة الكبيرة جدًا ، فهي أقل فعالية.
تتنافر البروتونات الموجبة الشحنة في النواة أيضًا عن طريق القوة الكهرومغناطيسية. يجب التغلب على هذا التنافر من خلال القوة النووية القوية ويمكن أيضًا التوسط من خلال وجود عدد كافٍ من النيوترونات حوله. لكن كلما كانت النواة أكبر ، كلما كان توازن القوة أقل ملاءمة للاستقرار.
ومن ثم تميل النوى الأكبر إلى التفكك إما عن طريق عمليات التحلل الإشعاعي ، أو من خلال تفاعلات الانشطار مثل تلك التي تحدث في المفاعلات النووية أو القنابل الانشطارية.
يحدث الاندماج عندما تحقق نواتان أخف حالة طاقة أكثر ملاءمة من خلال الاندماج في نواة أثقل. ومع ذلك ، من أجل حدوث الانشطار ، يجب أن تقترب النوى المعنية بما يكفي من بعضها البعض حتى تتمكن القوة النووية القوية من تولي زمام الأمور. هذا يعني أنه يجب أن يتحركوا بسرعة كافية حتى يتمكنوا من التغلب على التنافر الكهربائي.
تتحرك النوى بسرعة في درجات الحرارة القصوى ، لذلك غالبًا ما تكون هذه الحالة مطلوبة. هذه هي الطريقة التي يمكن أن يحدث بها الاندماج النووي في قلب الشمس شديد الحرارة. حتى يومنا هذا ، لا يزال العلماء يحاولون إيجاد طريقة لجعل الاندماج البارد يحدث - أي الاندماج في درجات حرارة منخفضة. نظرًا لأن الطاقة يتم إطلاقها في عملية الاندماج ولا تترك نفايات مشعة كما تفعل مفاعلات الانشطار ، فسيكون مصدر طاقة لا يصدق إذا تم تحقيقه.
التحلل الإشعاعي هو وسيلة شائعة تخضع النوى من خلالها لتغييرات لتصبح أكثر استقرارًا. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الاضمحلال: تسوس ألفا ، واضمحلال بيتا ، واضمحلال جاما.
في اضمحلال ألفا ، تطلق النواة المشعة جسيم ألفا (نواة الهليوم -4) وتصبح أكثر استقرارًا نتيجة لذلك. يأتي اضمحلال بيتا في عدة أنواع ، ولكن في جوهره ينتج عن تحول النيوترون إلى بروتون أو تحول البروتون إلى نيوترون وإطلاق β- أو β+ جسيم (إلكترون أو بوزيترون). يحدث تحلل جاما عندما تطلق نواة في حالة مثارة طاقة على شكل أشعة جاما ، لكنها تحافظ على العدد الإجمالي للنيوترونات والبروتونات.
النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات
تمتد دراسة الفيزياء النووية إلى المجال الأكبر لفيزياء الجسيمات ، والذي يهدف إلى فهم طريقة عمل جميع الجسيمات الأساسية. يصنف النموذج القياسي الجسيمات إلى فرميونات وبوزونات ، ثم يصنف الفرميونات إلى كواركات ولبتونات ، والبوزونات إلى بوزونات قياس وعددية.
لا تخضع البوزونات لقوانين حفظ الأرقام ، لكن الفرميونات تلتزم بذلك. هناك أيضًا قانون للحفظ لكل من أعداد اللبتون والكوارك بالإضافة إلى الكميات المحفوظة الأخرى. تتوسط البوزونات الحاملة للطاقة تفاعلات الجسيمات الأساسية.
تطبيقات الفيزياء النووية والفيزياء الذرية
تطبيقات الفيزياء النووية والذرية وفيرة. تولد المفاعلات النووية في محطات الطاقة النووية طاقة نظيفة من خلال تسخير الطاقة المنبعثة أثناء عمليات الانشطار. يستخدم الطب النووي النظائر المشعة للتصوير. يستخدم علماء الفيزياء الفلكية التحليل الطيفي لتحديد تكوين السدم البعيدة. يسمح التصوير بالرنين المغناطيسي للأطباء بإنشاء صور مفصلة لأجزاء مرضاهم. حتى تقنية الأشعة السينية تستخدم الفيزياء النووية.