Jaderná fyzika: Co to je, kdo ji objevil a proč je to důležité?

Několik zamračených dní v Paříži v roce 1896 „zničilo“ experiment Henriho Becquerela, ale v tomto procesu se zrodila oblast jaderné fyziky. Becquerel měl dokázat svou hypotézu, že uran absorboval sluneční světlo a znovu ho vyzařoval ve formě rentgenových paprsků, které byly objeveny v předchozím roce.

Becquerelův plán spočíval v přenesení uranylsulfátu draselného do slunečního světla a následném kontaktu s ním s fotografickými deskami zabalenými do černého papíru, protože zatímco viditelné světlo by to neproniklo, rentgenové záření bych. I přes nedostatek slunečního světla se rozhodl tento proces přesto absolvovat a byl šokován, když objevil snímky, které byly stále zaznamenány na fotografické desce.

Další testování ukázalo, že to přes jeho předpoklady vůbec nebylo rentgenové záření. Cesta světla není ohnuta magnetickým polem, ale záření z uranu byl vychýlen jedním, a to - spolu s prvním výsledkem - bylo to, jak bylo objeveno záření. Marie Curie vytvořila termín radioaktivita a spolu se svým manželem Pierrem objevila polonium a radium, čímž zachytila ​​přesné zdroje radioaktivity.

Později Ernest Rutherford přišel s pojmy alfa částice, beta částice a gama částice pro vyzařovaný materiál a pole nukleární fyzika opravdu se rozběhl.

Lidé samozřejmě nyní o jaderné fyzice vědí mnohem víc než na přelomu 20. století a pro každého studenta fyziky je to zásadní téma, kterému je třeba porozumět a naučit se o něm. Ať už chcete pochopit podstatu jaderné energie, silné a slabé jaderné síly nebo přispět do oborů, jako je nukleární medicína, osvojení základů je zásadní.

Jaderná fyzika je v podstatě fyzika jádra, části atomu obsahující dvě nejznámější "Hadrony," protony a neutrony.

Zejména se zaměřuje na síly působící v EU jádro (silná interakce, která váže protony a neutrony dohromady v jádru, a také drží jejich složku kvarky dohromady a slabá interakce související s radioaktivním rozpadem) a interakce jader s jinými částice.

Jaderná fyzika pokrývá témata jako jaderná fúze (která souvisí s vazebnou energií různých prvků), jaderné štěpení (což je štěpení těžkých prvků za účelem výroby energie), stejně jako radioaktivní rozpad a základní struktura a síly, které ve hře působí jádro.

Existuje mnoho praktických aplikací v oboru, mimo jiné včetně práce v jaderné energii, nukleární medicíně a fyzice vysokých energií.

An atom se skládá z jádra, které obsahuje kladně nabité protony a nenabité neutrony, držené pohromadě silnou jadernou silou. Jsou obklopeny záporně nabitými elektrony, které tvoří kolem jádra takzvaný „mrak“, a počet elektronů odpovídá počtu protonů v neutrálním atomu.

V historii fyziky bylo navrženo mnoho modelů atomu, včetně Thomsonovy „švestky“ pudinkový model, Rutherfordův a Bohrův „planetární“ model a popsaný moderní kvantově mechanický model výše.

Jádro je malé, kolem 10⁻¹⁵ m, obsahující převážnou část hmotnosti atomu, zatímco celý atom je řádově 10⁻¹⁰ m. Nenechte se zmást notací - to znamená, že jádro je zhruba stotisíckrát menší než atom obecně, ale obsahuje drtivou většinu hmoty. Atom je tedy převážně prázdné místo!

Hmotnost atomu není úplně stejná jako hmotnost jednotlivých částí: Pokud sečtete hmotnosti protonů a neutronů, již překračuje hmotnost atomu, ještě než budete počítat s mnohem menší hmotností atomu elektron.

Tomu se říká „hromadný defekt“ atomu, a pokud tento rozdíl převedete na energii pomocí slavné Einsteinovy ​​rovnice E = mc², získáte „vazebnou energii“ jádra.

To je energie, kterou byste museli vložit do systému, abyste rozdělili jádro na jeho základní protony a neutrony. Tyto energie jsou mnohem, mnohem větší než energie potřebná k odstranění elektronu z jeho „oběžné dráhy“ kolem jádra.

Tyto dva typy nukleon (tj. částice jádra) jsou proton a neutron, které jsou v jádru atomu pevně spojeny.

Ačkoli se obecně jedná o nukleony, o kterých uslyšíte, ve standardním modelu částicové fyziky to ve skutečnosti nejsou základní částice. Proton i neutron jsou složeny ze základních částic zvaných kvarky, které přicházejí v šesti „příchutích“ a každá nese zlomek náboje protonu nebo elektronu.

Up kvark má 2/3 E poplatek, kde E je náboj elektronu, zatímco down kvark má -1/3 E nabít. To znamená, že dva up kvarky a sestupný kvark by vytvořily částice s kladným nábojem velikosti E, což je proton. Na druhou stranu up kvark a dva down kvarky produkují částice bez celkového náboje, neutron.

Standardní model katalogizuje všechny v současnosti známé základní částice a seskupuje je do dvou hlavních skupin: fermiony a bosony. Fermiony se dělí na kvarky (které zase produkují hadrony jako protony a neutrony) a leptony (které zahrnují elektrony a neutrina) a bosony jsou dále rozděleny na měřicí a skalární bosony.

Higgsův boson je jediný dosud známý skalární boson, s ostatními bosony - fotonem, gluonem, Z-bosony a Ž bosony - jsou měřicí bosony.

Fermioni se na rozdíl od bosonů řídí „zákony na zachování počtu“. Například existuje zákon zachování leptonového čísla, který vysvětluje věci jako částice produkované jako součást jaderného rozpadu procesy (protože vytvoření elektronu s leptonovým číslem 1 musí být například vyváženo vytvořením jiné částice s leptonovým číslem -1, jako je elektronové anti-neutrino).

Číslo kvarku je také konzervované a existují i ​​další konzervované veličiny.

Bosony jsou částice nesoucí sílu, a tak interakce základních částic jsou zprostředkovány bosony. Například interakce kvarků je zprostředkována gluony a elektromagnetické interakce jsou zprostředkovány fotony.

Přestože elektromagnetická síla v jádru skutečně platí, hlavní síly, které musíte vzít v úvahu, jsou silné a slabé jaderné síly. Silná jaderná síla je nesena gluony a slabá jaderná síla je nesena Ž^± a Z⁰ bosony.

Jak název napovídá, silná jaderná síla je nejsilnější ze všech základních sil, následovaná elektromagnetismem (10² krát slabší), slabá síla (10⁶ krát slabší) a gravitace (10⁴⁰ krát slabší). Obrovský rozdíl mezi gravitací a zbytkem sil je důvod, proč to fyzici v podstatě zanedbávají, když diskutují o hmotě na atomové úrovni.

Silná síla potřeby být silný k překonání elektromagnetického odpuzování mezi kladně nabitými protony v jádře - pokud ano byl slabší než elektromagnetická síla, žádné atomy s více než jedním protonem v jádře by to nedokázaly formulář. Silná síla má však velmi krátký dosah.

To je důležité, protože ukazuje, proč není síla patrná ani na stupnici celých atomů nebo ale také to znamená, že elektromagnetická odpudivost se stává důležitější pro těžká jádra (tj. větší atomy). To je jeden z důvodů, proč jsou nestabilní jádra často těmi těžkými prvky.

Slabá síla má také velmi krátký dosah a v podstatě způsobuje, že kvarky mění chuť. To může způsobit, že se z protonu stane neutron a naopak, takže o něm lze uvažovat jako o příčině jaderný rozpad procesy jako beta plus a minus rozpad.

Existují tři typy radioaktivního rozpadu: rozpad alfa, rozpad beta a rozpad gama. Alfa rozpad je, když se atom rozpadne uvolněním „alfa částice“, což je další termín pro jádro helia.

Existují tři podtypy rozpadu beta, ale všechny zahrnují proton, který se mění na neutron nebo naopak. Beta minus rozpad je, když se neutron stane protonem a uvolní elektron a elektronové anti-neutrino v procesu, zatímco v beta plus rozpadu se proton stává neutronem a uvolňuje pozitron (tj. anti-elektron) a elektron neutrino.

Při elektronovém záchytu je elektron z vnějších částí atomu absorbován do jádra a proton je přeměněn na neutron a neutrino je uvolněno z procesu.

Gama rozpad je rozpad, při kterém se uvolňuje energie, ale nic v atomu se nemění. To je analogické se způsobem, jakým se foton uvolňuje, když elektron přechází z vysokoenergetického do nízkoenergetického stavu. Vzrušené jádro přechází do nízkoenergetického stavu a emituje gama paprsek.

Jaderná fůze je, když se dvě jádra spojí a vytvoří těžší jádro. To je způsob, jakým je energie generována na slunci, a dosažení toho, aby na Zemi došlo k procesu výroby energie, je jedním z největších cílů experimentální fyziky.

Problém je v tom, že vyžaduje extrémně vysoké teploty a tlaky, a tedy velmi vysoké energetické hladiny. Pokud to však vědci dosáhnou, fúze by se mohla stát životně důležitým zdrojem energie, protože společnost stále roste a my spotřebováváme stále větší množství energie.

Jaderné štěpení je rozdělení těžkého prvku na dvě lehčí jádra a právě to pohání současnou generaci jaderných reaktorů.

Štěpení je také principem fungování jaderných zbraní, což je jeden z hlavních důvodů, proč jde o kontroverzní oblast. V praxi štěpení probíhá prostřednictvím řady řetězových reakcí. Neutron, který vytváří počáteční štěpení v těžkém prvku, jako je uran, generuje po reakci další volný neutron, který pak může pokračovat a způsobit další štěpení atd.

Oba tyto procesy v zásadě získávají energii prostřednictvím E = mc² vztah, protože fúze nebo štěpení atomů zahrnuje uvolnění energie z „chybějící hmoty“.

Existuje široká škála aplikací jaderné fyziky. Je pozoruhodné, že jaderné reaktory a jaderné elektrárny fungují v mnoha zemích po celém světě a mnoho fyziků pracuje na nových a bezpečnějších konstrukcích.

Některé návrhy jaderných reaktorů například usilují o to, aby zdrojový materiál nemohl být použit vytvářet jaderné zbraně, které vyžadují mnohem obohacenější zdroj uranu (tj. „čistší“ uran) fungovat.

Nukleární medicína je další důležitá oblast pro jadernou fyziku. Nukleární medicína zahrnuje podávání velmi malého množství radioaktivního materiálu pacientovi a poté se k zachycení snímků z vydávaného záření používají detektory. To pomáhá lékařům diagnostikovat ledviny, štítnou žlázu, srdce a další stavy.

Samozřejmě existuje mnoho dalších oblastí, kde je jaderná fyzika v zásadě, včetně fyziky vysokých energií a částic urychlovače jako CERN a astrofyzika, kde mnoho dominantních procesů ve hvězdách silně závisí na jaderné energii fyzika.