Atomová i jaderná fyzika popisují fyziku velmi malých. Při práci s tak malými objekty často selhává vaše intuice založená na porozumění klasické mechanice. Toto je oblast kvantové mechaniky, jaderných sil krátkého dosahu, elektromagnetického záření a standardního modelu fyziky částic.
Co je to atomová fyzika?
Atomová fyzika je odvětví fyziky, které se zabývá strukturou atomu, přidruženými energetickými stavy a interakcí atomu s částicemi a poli. Naproti tomu se jaderná fyzika zaměřuje konkrétně na dění uvnitř atomového jádra, což je podrobněji popsáno v následující části.
Ve fyzice částic existuje několik studijních položek. Nejdůležitější je struktura samotného atomu. Atomy se skládají z pevně vázaného jádra, které obsahuje protony a neutrony, a z rozptýleného elektronového mraku.
Vzhledem k tomu, že jádro je obvykle řádově 10-15 do 10-14 m v průměru a samotné atomy jsou řádově 10-10 m v průměru (a velikost elektronů je zanedbatelná), ukazuje se, že atomy jsou většinou prázdný prostor. Samozřejmě se nezdá, že jsou, a celá hmota vytvořená z atomů se určitě cítí jako podstata.
Důvodem, proč se atomy nejeví jako prázdný prostor, je ten, že jste také vytvořeni z atomů a všechny atomy interagují s elektromagnetickou energií. I když vaše ruka, kterou tvoří převážně atomy prázdného prostoru, tlačí na stůl, který je také většinou tvořen prázdný prostor, neprochází stolem kvůli elektromagnetickým silám mezi atomy, které přicházejí Kontakt.
Neutrino, částice, která neinteraguje s elektromagnetickou silou, je však schopna projít většinou atomového materiálu prakticky nezjištěná. Ve skutečnosti prochází vaším tělem každou sekundu 100 bilionů neutrin!
Atomová klasifikace
Atomy jsou v periodické tabulce klasifikovány podle atomového čísla. Atomové číslo je počet protonů, které atom obsahuje ve svém jádru. Toto číslo definuje prvek.
Zatímco daný prvek bude mít vždy stejný počet protonů, může obsahovat různý počet neutronů. Různé izotopy prvku obsahují různé počty neutronů. Některé izotopy jsou stabilnější než jiné (což znamená menší pravděpodobnost, že se spontánně rozpadnou na něco jiného), a tato stabilita obvykle závisí na počtu neutronů, což je důvod, proč u většiny prvků má většina atomů tendenci být jednoho konkrétního izotop.
Počet elektronů, které atom obsahuje, určuje, zda je ionizovaný nebo nabitý. Neutrální atom obsahuje stejný počet elektronů jako protony, ale někdy mohou atomy získat nebo ztratit elektrony a nabít se. Jak snadno atom získá nebo ztratí elektrony, závisí na jeho elektronové orbitální struktuře.
Atom vodíku je nejjednodušší atom, který v jádře obsahuje pouze jeden proton. Tři nejstabilnější izotopy vodíku jsou protium (neobsahující žádné neutrony), deuterium (obsahující jeden neutron) a tritium (obsahující dva neutrony), přičemž nejhojnější je protium.
V průběhu let byly navrženy různé modely atomu, které vedly k současnému modelu. Rané dílo provedli Ernest Rutherford, Niels Bohr a další.
Absorpční a emisní spektra
Jak již bylo zmíněno, atomy interagují s elektromagnetickou silou. Protony v atomu nesou kladný náboj a elektrony negativní náboj. Elektrony v atomu mohou absorbovat elektromagnetické záření a dosáhnout tak vyššího energetického stavu, nebo emitovat záření a přejít do stavu s nižší energií.
Jednou z klíčových vlastností této absorpce a emise záření je to, že atomy absorbují a emitují záření pouze při velmi konkrétních kvantovaných hodnotách. A pro každý jiný typ atomu se tyto konkrétní hodnoty liší.
Horký plyn atomového materiálu bude vyzařovat záření o velmi specifických vlnových délkách. Pokud světlo přicházející z tohoto plynu prochází spektroskopem, který šíří světlo ve spektru vlnovou délkou (jako duha), objeví se odlišné emisní čáry. Soubor emisních čar přicházejících z plynu lze číst téměř jako čárový kód, který vám přesně říká, jaké atomy jsou v plynu.
Podobně, pokud na chladný plyn dopadá kontinuální spektrum světla a pak světlo, které tímto plynem prochází, je prošel spektroskopem, viděli byste spojité spektrum s tmavými mezerami na specifických vlnových délkách, které má plyn vstřebává. Toto absorpční spektrum bude vypadat jako inverzní vůči emisnímu spektru, přičemž tmavé čáry se budou objevovat tam, kde světlé čáry byly pro stejný plyn. Lze jej tedy číst jako čárový kód, který vám sděluje složení plynu. Astronomové to stále používají k určení složení materiálu ve vesmíru.
Co je to jaderná fyzika?
Jaderná fyzika se zaměřuje na atomové jádro, jaderné reakce a interakci jádra s jinými částicemi. Zkoumá mimo jiné radioaktivní rozpad, jadernou fúzi a štěpení jader a vazebnou energii.
Jádro obsahuje pevně vázaný shluk protonů a neutronů. Nejedná se však o základní částice. Protony a neutrony jsou vyrobeny z ještě menších tzv. Částic kvarky.
Kvarky jsou částice s částečným nábojem a poněkud hloupé názvy. Přicházejí v šesti takzvaných příchutích: nahoru, dolů, horní, dolní, podivné a kouzelné. Neutron se skládá ze dvou down kvarků a up kvarku a proton se skládá ze dvou up kvarků a down kvarku. Kvarky v každém nukleonu jsou pevně svázány silnou jadernou silou.
Silnou jadernou sílu zprostředkovávají tzv. Částice gluony. Cítíte téma? Vědci se pojmenováním těchto částic hodně bavili! Gluony samozřejmě „slepí“ kvarky dohromady. Silná jaderná síla působí pouze na velmi krátkou vzdálenost - na vzdálenost srovnatelnou s průměrem průměrně velkého jádra.
Vazebná energie
Každý izolovaný neutron má hmotnost 1,6749275 × 10-27 kg a každý izolovaný proton má hmotnost 1,6726219 × 10-27 kg; když je však atomové jádro spojeno dohromady, atomová hmotnost není součtem jeho základních částí kvůli něčemu, co se nazývá vazebná energie.
Tím, že se nukleony pevně spojí, dosáhnou stavu nižší energie v důsledku přeměny části celkové hmotnosti, kterou měli jako jednotlivé částice na energii. Tento hmotnostní rozdíl, který se převádí na energii, se nazývá vazebná energie jádra. Vztah, který popisuje, kolik energie odpovídá danému množství hmoty, je Einsteinův slavný E = mc2 rovnice kde m je hmota, C je rychlost světla a E je energie.
Příbuzným konceptem je vazebná energie na nukleon, což je celková vazebná energie jádra zprůměrovaná na jeho jednotlivé části. Vazebná energie na nukleon je dobrým indikátorem toho, jak stabilní je jádro. Nízká vazebná energie na nukleon naznačuje, že by pro to mohl existovat příznivější stav nižší celkové energie konkrétní jádro, což znamená, že se pravděpodobně bude chtít buď rozdělit, nebo fúzovat s jiným jádrem pod správným podmínky.
Obecně platí, že jádra lehčí než železná mají tendenci fúzí dosáhnout nižších energetických stavů a vyšší vazebné energie na nukleon s jinými jádry, zatímco jádra, která jsou těžší než železo, mají tendenci dosáhnout nižších energetických stavů rozpadem na lehčí jádra. Procesy, kterými k těmto změnám dochází, jsou popsány v následující části.
Štěpení, fúze a radioaktivní rozpad
Hlavní zaměření jaderné fyziky je studium štěpení, fúze a rozpadu atomových jader. Všechny tyto procesy jsou poháněny základní představou, že všechny částice preferují nižší energetické stavy.
Štěpení nastává, když se těžké jádro rozpadne na menší jádra. Velmi těžká jádra jsou k tomu náchylnější, protože mají menší vazebnou energii na jeden nukleon. Jak si možná pamatujete, existuje několik sil, které řídí, co se děje v atomovém jádře. Silná jaderná síla těsně váže nukleony k sobě, ale je to síla velmi krátkého dosahu. Takže pro velmi velká jádra je to méně efektivní.
Kladně nabité protony v jádře se také navzájem odpuzují prostřednictvím elektromagnetické síly. Toto odpuzování musí překonat silná jaderná síla a může být také zprostředkováno dostatečným množstvím neutronů. Ale čím větší je jádro, tím méně příznivá je silová rovnováha pro stabilitu.
Větší jádra proto mají tendenci chtít se rozpadat buď pomocí procesů radioaktivního rozpadu, nebo štěpnými reakcemi, jako jsou reakce, ke kterým dochází v jaderných reaktorech nebo štěpných bombách.
K fúzi dochází, když dvě lehčí jádra dosáhnou příznivějšího energetického stavu spojením do těžšího jádra. Aby však mohlo dojít ke štěpení, musí se dotyčná jádra dostat dostatečně blízko k sobě, aby mohla převzít mocná jaderná síla. To znamená, že se musí pohybovat dostatečně rychle, aby dokázali překonat elektrický odpor.
Jádra se v extrémních teplotách pohybují rychle, takže je často tento stav vyžadován. Takto může jaderná fúze probíhat v extrémně horkém slunečním jádru. Vědci se dodnes snaží najít způsob, jak dosáhnout studené fúze - tedy fúze při nižších teplotách. Jelikož se energie uvolňuje ve fúzním procesu a nezanechává radioaktivní odpad, jak to obvykle dělají štěpné reaktory, byl by to neuvěřitelný energetický zdroj, pokud by byl dosažen.
Radioaktivní rozpad je běžným prostředkem, kterým jádra procházejí změnami, aby se staly stabilnějšími. Existují tři hlavní typy rozpadu: rozpad alfa, rozpad beta a rozpad gama.
Při rozpadu alfa radioaktivní jádro uvolňuje alfa částici (jádro helia-4) a ve výsledku se stává stabilnějším. Beta rozpad přichází v několika variantách, ale v podstatě je výsledkem toho, že se neutron stává protonem nebo proton neutronem a uvolňuje β- nebo β+ částice (elektron nebo pozitron). K rozpadu gama dochází, když jádro v excitovaném stavu uvolňuje energii ve formě gama paprsků, ale udržuje si celkový počet neutronů a protonů.
Standardní model částicové fyziky
Studium jaderné fyziky sahá do širší oblasti částicové fyziky, jejímž cílem je porozumět fungování všech základních částic. Standardní model klasifikuje částice na fermiony a bosony a poté dále klasifikuje fermiony na kvarky a leptony a bosony na měřicí a skalární bosony.
Bosoni nedodržují zákony na zachování počtu, ale fermioni ano. Kromě jiných konzervovaných veličin existuje také zákon zachování pro čísla leptonu a kvarku. Interakce základních částic jsou zprostředkovány bosony nesoucími energii.
Aplikace jaderné fyziky a atomové fyziky
Aplikace jaderné a atomové fyziky jsou hojné. Jaderné reaktory v jaderných elektrárnách vytvářejí čistou energii využíváním energie uvolněné během štěpných procesů. Nukleární medicína využívá pro zobrazování radioaktivní izotopy. Astrofyzici používají ke stanovení složení vzdálených mlhovin spektroskopii. Zobrazování magnetickou rezonancí umožňuje lékařům vytvářet podrobné snímky nitra pacientů. I rentgenová technologie využívá jadernou fyziku.