И атомната, и ядрената физика описват физиката на много малките. Когато работите с такива малки предмети, вашата интуиция, изградена от разбирането ви за класическа механика, често се проваля. Това е сферата на квантовата механика, ядрените сили с малък обсег, електромагнитното излъчване и стандартния модел на физиката на частиците.
Какво е атомна физика?
Атомната физика е клонът на физиката, който се занимава със структурата на атома, свързаните енергийни състояния и взаимодействието на атома с частици и полета. За разлика от това, ядрената физика се фокусира специално върху случващото се в атомното ядро, което е описано по-подробно в следващия раздел.
Има няколко предмета за изучаване на физиката на елементарните частици. Първо и най-важно е структурата на самия атом. Атомите се състоят от тясно свързано ядро, което съдържа протони и неутрони, и дифузен електронен облак.
Като се има предвид, че ядрото обикновено е от порядъка на 10-15 до 10-14 m в диаметър, а самите атоми са от порядъка на 10
-10 m в диаметър (а размерът на електроните е незначителен), оказва се, че атомите са предимно празно пространство. Разбира се, те не изглеждат такива, каквито са и цялата материя, изградена от атоми, със сигурност се чувства като субстанция.Причината атомите да не изглеждат като че ли са предимно празно пространство е, че вие също сте изградени от атоми и всички атоми си взаимодействат с електромагнитна енергия. Въпреки че ръката ви, съставена от предимно атоми с празно пространство, се притиска към маса, също съставена от предимно празно пространство, то не преминава през масата поради електромагнитните сили между атомите при влизането им контакт.
Неутрино, частица, която не взаимодейства с електромагнитната сила, обаче е в състояние да премине през повечето атомни материали, практически неоткрити. Всъщност 100 трилиона неутрино преминават през тялото ви всяка секунда!
Класификация на атомите
Атомите се класифицират по атомни номера в периодичната таблица. Атомният номер е броят на протоните, които атомът съдържа в ядрото си. Това число определя елемента.
Въпреки че даден елемент винаги ще има еднакъв брой протони, той може да съдържа различен брой неутрони. Различните изотопи на даден елемент съдържат различен брой неутрони. Някои изотопи са по-стабилни от други (което означава по-малко вероятно спонтанно да се разпаднат в нещо друго) и тази стабилност обикновено зависи от броя на неутроните, поради което за повечето елементи по-голямата част от атомите обикновено са от един специфичен изотоп.
Броят на електроните, които един атом съдържа, определя дали е йонизиран или зареден. Неутралният атом съдържа същия брой електрони като протоните, но понякога атомите могат да получат или загубят електрони и да се заредят. Колко лесно атомът печели или губи електрони, зависи от неговата електронна орбитална структура.
Водородният атом е най-простият атом, съдържащ само един протон в ядрото си. Трите най-стабилни изотопа на водорода са протий (не съдържащ неутрони), деутерий (съдържащ един неутрон) и тритий (съдържащ два неутрона), като най-разпространен е протиумът.
През годините са предложени различни модели на атома, което води до настоящия модел. Ранната работа е извършена от Ърнест Ръдърфорд, Нилс Бор и други.
Спектри за абсорбция и емисии
Както споменахме, атомите взаимодействат с електромагнитната сила. Протоните в атома носят положителен заряд, а електроните носят отрицателен заряд. Електроните в атома могат да абсорбират електромагнитно излъчване и в резултат да постигнат по-високо енергийно състояние или да излъчват лъчение и да преминат в по-ниско енергийно състояние.
Едно ключово свойство на това поглъщане и излъчване на радиация е, че атомите поглъщат и излъчват лъчение само при много специфични квантувани стойности. И за всеки различен тип атом тези специфични стойности са различни.
Горещ газ от атомен материал ще излъчва радиация при много специфични дължини на вълните. Ако светлината, идваща от този газ, преминава през спектроскоп, който разпространява светлината в спектър по дължина на вълната (като дъга), ще се появят отделни емисионни линии. Наборът от емисионни линии, идващи от газа, може да се чете почти като баркод, който ви казва точно какви атоми са в газа.
По същия начин, ако непрекъснат спектър от светлина пада върху хладен газ и светлината, която преминава през този газ, е тогава преминали през спектроскоп, ще видите непрекъснат спектър с тъмни пролуки при специфичните дължини на вълната, които газът погълнат. Този спектър на абсорбция ще изглежда като обратната на емисионния спектър, като тъмните линии се появяват там, където ярките линии са за същия газ. Като такъв той може да се чете и като баркод, който ви съобщава за състава на газа. Астрономите използват това през цялото време, за да определят състава на материала в космоса.
Какво е ядрена физика?
Ядрената физика се фокусира върху атомното ядро, ядрените реакции и взаимодействието на ядрото с други частици. Той изследва, наред с други теми, радиоактивно разпадане, ядрен синтез и ядрено делене и свързваща енергия.
Ядрото съдържа плътно свързана купчина протони и неутрони. Това обаче не са основни частици. Протоните и неутроните са направени от още по-малки частици, наречени кварки.
Кварките са частици с частичен заряд и донякъде глупави имена. Те се предлагат в шест така наречени вкуса: нагоре, надолу, отгоре, отдолу, странно и очарователно. Неутронът се състои от два низходящи кварка и един кварк, а протонът се състои от два нагоре кварка и един низходящ кварк. Кварковете във всеки нуклон са здраво свързани от силната ядрена сила.
Силната ядрена сила се медиира от частици, наречени глуони. Усещате ли тема? Учените се забавляваха много именувайки тези частици! Глуоните, разбира се, „залепват“ кварките заедно. Силната ядрена сила действа само в много малък обхват - на разстояние, сравнимо с диаметъра на ядрото със среден размер.
Свързваща енергия
Всеки изолиран неутрон има маса 1,6749275 × 10-27 kg, а всеки изолиран протон има маса 1.6726219 × 10-27 килограма; обаче, когато са свързани в атомно ядро, атомната маса не е сбор от съставните му части поради нещо, наречено свързваща енергия.
Ставайки плътно свързани, нуклоните постигат по-ниско енергийно състояние в резултат на превръщането на част от общата маса, която са имали като отделни частици в енергия. Тази разлика в масата, която се превръща в енергия, се нарича свързваща енергия на ядрото. Връзката, която описва колко енергия съответства на дадено количество маса, е известна на Айнщайн E = mc2 уравнение където м е масата, ° С е скоростта на светлината и Е. е енергията.
Свързана концепция е енергията на свързване на нуклон, която е общата енергия на свързване на ядрото, осреднено по съставните му части. Енергията на свързване на нуклон е добър индикатор за това колко стабилно е ядрото. Ниската енергия на свързване на нуклон показва, че за това може да съществува по-благоприятно състояние на по-ниска обща енергия конкретно ядро, което означава, че вероятно ще иска да се раздели или да се слее с друго ядро под правилното условия.
Като цяло, ядрата, по-леки от ядрата на желязото, са склонни да постигат по-ниски енергийни състояния и по-висока енергия на свързване на нуклон, чрез сливане с други ядра, докато ядрата, които са по-тежки от желязото, са склонни да постигат по-ниски енергийни състояния, като се разделят на по-леки ядра. Процесите, при които възникват тези промени, са описани в следващия раздел.
Деление, синтез и радиоактивен разпад
Основният фокус на ядрената физика е върху изучаването на делене, синтез и разпадане на атомни ядра. Всички тези процеси се движат от фундаменталната идея, че всички частици предпочитат по-ниски енергийни състояния.
Разделянето се случва, когато тежкото ядро се разпада на по-малки ядра. Много тежки ядра са по-склонни да правят това, защото имат по-малка енергия на свързване на нуклон. Както си спомняте, има няколко сили, които управляват случващото се в атомното ядро. Силната ядрена сила здраво свързва нуклоните, но това е много малка сила. Така че за много големи ядра той е по-малко ефективен.
Положително заредените протони в ядрото също се отблъскват помежду си чрез електромагнитната сила. Това отблъскване трябва да бъде преодоляно от силната ядрена сила и може да бъде медиирано чрез наличието на достатъчно неутрони наоколо. Но колкото по-голямо е ядрото, толкова по-неблагоприятен е балансът на силите за стабилност.
Следователно по-големите ядра са склонни да искат да се разпаднат или чрез процеси на радиоактивен разпад, или чрез реакции на делене, като тези, които се случват в ядрените реактори или ядрените бомби.
Сливането се случва, когато две по-леки ядра постигат по-благоприятно енергийно състояние чрез комбиниране в по-тежко ядро. За да настъпи делене обаче, въпросните ядра трябва да се приближат достатъчно близо едно до друго, за да може силната ядрена сила да поеме властта. Това означава, че те трябва да се движат достатъчно бързо, за да могат да преодолеят електрическото отблъскване.
Ядрата се движат бързо при екстремни температури, така че често се изисква това състояние. Ето как ядреният синтез може да се осъществи в изключително горещото ядро на слънцето. И до днес учените все още се опитват да намерят начин да накарат студения синтез - тоест синтез при по-ниски температури. Тъй като енергията се отделя в процеса на термоядрен синтез и не оставя радиоактивни отпадъци, както реакторите на делене, това би било невероятен енергиен ресурс, ако бъде постигнат.
Радиоактивното разпадане е често срещано средство, чрез което ядрата претърпяват промени, за да станат по-стабилни. Има три основни типа разпад: алфа разпад, бета разпад и гама разпад.
При алфа разпад радиоактивно ядро освобождава алфа частица (ядро хелий-4) и в резултат става по-стабилно. Бета разпадането се предлага в няколко разновидности, но по същество е резултат или от неутрон, който се превръща в протон, или от протон, който се превръща в неутрон и освобождава β- или β+ частица (електрон или позитрон). Гама-разпадът се случва, когато ядрото във възбудено състояние освобождава енергия под формата на гама-лъчи, но поддържа общия си брой неутрони и протони.
Стандартният модел на физиката на частиците
Изследването на ядрената физика се простира в по-голямата област на физиката на частиците, която има за цел да разбере работата на всички основни частици. Стандартният модел класифицира частиците в фермиони и бозони, а след това класифицира фермионите в кварки и лептони, а бозоните в габаритни и скаларни бозони.
Бозоните не се подчиняват на законите за опазване на броя, но фермионите. Съществува и закон за запазване както на лептон, така и на кваркови числа в допълнение към други запазени количества. Взаимодействието на основните частици се медиира от енергоносителите бозони.
Приложения на ядрената физика и атомната физика
Приложенията на ядрената и атомната физика са изобилни. Ядрените реактори в атомните електроцентрали създават чиста енергия, като използват енергията, отделяна по време на процесите на делене. Ядрената медицина използва радиоактивни изотопи за изображения. Астрофизиците използват спектроскопия, за да определят състава на отдалечени мъглявини. Ядрено-магнитен резонанс позволява на лекарите да създават подробни изображения на вътрешността на своите пациенти. Дори рентгеновите технологии използват ядрената физика.
