Ядрена физика: Какво е това, кой го е открил и защо е важно?

Няколко облачни дни в Париж през 1896 г. „разрушиха” експеримента на Анри Бекерел, но в този процес се роди полето на ядрената физика. Бекерел искаше да докаже своята хипотеза, че уранът абсорбира слънчевата светлина и я излъчва отново под формата на рентгенови лъчи, които бяха открити предишната година.

Планът на Бекерел беше да донесе калиевия уранил сулфат на слънчева светлина и след това да го донесе в контакт с фотографски плочи, увити в черна хартия, защото докато видимата светлина не прониква, рентгеновите лъчи би се. Въпреки липсата на слънчева светлина, той все пак реши да премине през процеса и беше шокиран, когато откри изображения, все още записани на фотографската плоча.

По-нататъшни тестове показаха, че това изобщо не са рентгенови лъчи, въпреки предположенията му. Пътят на светлината не се огъва от магнитно поле, а от радиация от урана беше отклонен от един и това - заедно с първия резултат - беше начинът, по който беше открита радиацията. Мария Кюри въвежда термина радиоактивност и заедно със съпруга си Пиер открива полоний и радий, определяйки точните източници на радиоактивност.

По-късно Ърнест Ръдърфорд излезе с термините алфа частици, бета частици и гама частици за излъчения материал и полето на ядрена физика наистина тръгна.

Разбира се, хората знаят много повече за ядрената физика сега, отколкото в началото на 20-ти век, и това е ключова тема за разбиране и научаване за всеки студент по физика. Независимо дали искате да разберете същността на ядрената енергия, силните и слабите ядрени сили или да допринесете за области като ядрената медицина, изучаването на основите е от съществено значение.

Ядрената физика е по същество физиката на ядрото, частта от атома, съдържаща двете най-известни „Адрони“, протони и неутрони.

По-специално, той разглежда силите, действащи в ядро (силното взаимодействие, което свързва протоните и неутроните заедно в ядрото, както и задържането на техния компонент кварки заедно и слабото взаимодействие, свързано с радиоактивен разпад), и взаимодействието на ядрата с други частици.

Ядрената физика обхваща теми като ядрен синтез (който се отнася до енергията на свързване на различни елементи), ядрено делене (което е разделянето на тежки елементи за производство на енергия), както и радиоактивно разпадане и основната структура и сили в играта в ядро.

Има много практически приложения в областта, включително (но не само) работа в ядрената енергетика, ядрената медицина и физиката на високите енергии.

An атом се състои от ядро, което съдържа положително заредените протони и незаредени неутрони, държани заедно от силната ядрена сила. Те са заобиколени от отрицателно заредени електрони, които образуват така наречения „облак“ около ядрото, а броят на електроните съвпада с броя на протоните в неутрален атом.

През историята на физиката са предложени многобройни модели на атома, включително „сливата на Томсън пудинг “,„ планетарния “модел на Ръдърфорд и Бор и описания модерен, квантово-механичен модел по-горе.

Ядрото е мъничко, около 10⁻¹⁵ m, съдържащ по-голямата част от масата на атома, докато целият атом е от порядъка на 10⁻¹⁰ м. Не позволявайте на обозначенията да ви заблудят - това означава, че ядрото е около 100 000 пъти по-малко от атома като цяло, но съдържа огромното мнозинство от материята. Така че атомът е предимно празно пространство!

Масата на атома обаче не е съвсем същата като масата на съставните части: Ако съберете масите на протони и неутрони, тя вече надвишава масата на атома, преди дори да отчетете много по-малката маса на електрон.

Това се нарича „дефект на масата“ на атома и ако преобразувате тази разлика в енергия, използвайки прочутото уравнение на Айнщайн Е = mc², получавате „свързващата енергия“ на ядрото.

Това е енергията, която би трябвало да вложите в системата, за да разделите ядрото на съставящите го протони и неутрони. Тези енергии са много, много по-големи от енергията, която е необходима за отстраняване на електрон от неговата „орбита“ около ядрото.

Двата вида нуклон (т.е. частица от ядрото) са протонът и неутронът и те са здраво свързани помежду си в ядрото на атома.

Въпреки че това обикновено са нуклоните, за които ще чуете, те всъщност не са основни частици в стандартния модел на физиката на частиците. Протонът и неутронът са съставени от фундаментални частици, наречени кварки, които се предлагат в шест „вкуса“ и всеки носи част от заряда на протон или електрон.

Кваркът нагоре има 2/3 д такса, където д е зарядът на електрон, докато низходящият кварк има −1/3 д зареждане. Това означава, че два нагоре кварка и един низходящ кварк заедно ще произведат частица с положителен заряд от магнитуд д, което е протон. От друга страна, кварк нагоре и два надолу кварка произвеждат частица без общ заряд, неутронът.

Стандартният модел каталогизира всички основни частици, известни в момента, и ги групира в две основни групи: фермиони и бозони. Фермиони са разделени на кварки (които от своя страна произвеждат адрони като протони и неутрони) и лептони (които включват електрони и неутрино), и бозони се подразделят на габаритни и скаларни бозони.

Бозонът на Хигс е единственият скаларен бозон, познат досега, с останалите бозони - фотонът, глуонът, Z.-бозони и W бозони - като габаритни бозони.

Фермионите, за разлика от бозоните, се подчиняват на „законите за запазване на числата“. Например, има закон за запазване на лептонното число, който обяснява неща като частиците, получени като част от ядрения разпад процеси (тъй като създаването на електрон с лептонен номер 1, например, трябва да бъде балансирано със създаването на друга частица с лептонен номер -1, като електронно анти-неутрино).

Кварковият номер също се запазва, а има и други консервирани количества.

Бозоните са частици, пренасящи сила, и така взаимодействията на основните частици се медиират от бозоните. Например взаимодействието на кварките се медиира от глюони, а електромагнитните взаимодействия се осъществяват от фотони.

Въпреки че електромагнитната сила действително се прилага в ядрото, основните сили, които трябва да имате предвид, са силните и слабите ядрени сили. Силната ядрена сила се носи от глюони, а слабата ядрена сила се носи от W^± и Z.⁰ бозони.

Както подсказва името, силната ядрена сила е най-силната от всички основни сили, последвана от електромагнетизъм (10² пъти по-слаба), слабата сила (10⁶ пъти по-слаба) и гравитацията (10⁴⁰ пъти по-слаби). Огромната разлика между гравитацията и останалите сили е защо физиците по същество я пренебрегват, когато обсъждат материята на атомно ниво.

Силната сила нужди да бъде силна, за да преодолее електромагнитното отблъскване между положително заредените протони в ядрото - ако е имало са по-слаби от електромагнитната сила, никой атом с повече от един протон в ядрото не би могъл да форма. Силната сила обаче има много къс обхват.

Това е важно, защото показва защо силата не се забелязва дори в мащаба на цели атоми или молекули, но също така означава, че електромагнитното отблъскване става по-подходящо за тежките ядра (т.е. по-големи атоми). Това е една от причините нестабилните ядра често да са тези на тежките елементи.

Слабата сила също има много малък обхват и по същество кара кварките да променят вкуса си. Това може да причини протон да се превърне в неутрон и обратно, и така може да се разглежда като причина за ядрен разпад процеси като бета плюс и минус разпад.

Има три вида радиоактивен разпад: алфа разпад, бета разпад и гама разпад. Алфа-разпадът е, когато атомът се разпада чрез освобождаване на „алфа-частица“, което е друг термин за хелиево ядро.

Има три подтипа бета разпадане, но всички те включват протон, превръщащ се в неутрон или обратно. Бета минус разпад е, когато неутронът се превърне в протон и освобождава електрон и електрон анти-неутрино в процеса, докато е в бета плюс разпад, протон се превръща в неутрон и освобождава позитрон (т.е. антиелектрон) и електрон неутрино.

При улавяне на електрон, електрон от външните части на атома се абсорбира в ядрото и протонът се превръща в неутрон, а неутрино се освобождава от процеса.

Гама-разпадът е разпад, при който се отделя енергия, но нищо в атома не се променя. Това е аналогично на начина, по който фотонът се освобождава, когато електрон извършва преход от високоенергийно към нискоенергийно състояние. Възбудено ядро ​​прави преход в нискоенергийно състояние и излъчва гама лъч, както го прави.

Ядрен синтез е когато две ядра се сливат и създават по-тежко ядро. Това е начинът, по който се генерира енергия на слънцето, а постигането на процеса на Земята за производство на енергия е една от най-големите цели за експерименталната физика.

Проблемът е, че се изискват изключително високи температури и налягания и следователно много високи нива на енергия. Ако обаче учените го постигнат, синтезът може да се превърне в жизненоважен източник на енергия, тъй като обществото продължава да расте и ние консумираме все по-големи количества енергия.

Ядрено делене е разделянето на тежък елемент на две по-леки ядра и това е, което захранва сегашното поколение ядрени реактори.

Разделянето е и принципът на действие на ядрените оръжия, което е една от основните причини да е спорна област. На практика деленето действа чрез поредица от верижни реакции. Неутронът, който създава първоначалното разделяне в тежък елемент като уран, генерира допълнителен свободен неутрон след реакцията, който след това може да продължи да причинява ново разделяне и така нататък.

По същество и двата процеса получават енергия чрез Е = mc² връзка, тъй като сливането или разделянето на атомите включва освобождаване на енергия от „липсващата маса“.

Има огромен набор от приложения на ядрената физика. По-специално ядрените реактори и атомните електроцентрали работят в много страни по света и много физици работят по нови и по-безопасни проекти.

Например, някои конструкции на ядрени реактори имат за цел да гарантират, че изходният материал не може да бъде използван създават ядрени оръжия, които изискват много по-обогатен източник на уран (т.е. „по-чист“ уран), за да работят.

Ядрена медицина е друга важна област за ядрената физика. Ядрената медицина включва много малки количества радиоактивен материал, който се прилага на пациента и след това се използват детектори за улавяне на изображения от отделената радиация. Това помага на лекарите да диагностицират бъбреците, щитовидната жлеза, сърцето и други състояния.

Разбира се, има много други области, в които по същество е ядрената физика, включително физиката на високите енергии и частиците ускорители като CERN и астрофизиката, където много от доминиращите процеси в звездите силно зависят от ядрените физика.