Atom- og kernefysik beskriver begge de meget små fysik. Når du arbejder med så små genstande, mislykkes ofte din intuition bygget ud fra din forståelse af klassisk mekanik. Dette er kvantemekanik, korte rækkevidde atomkræfter, elektromagnetisk stråling og standardmodellen for partikelfysik.
Hvad er atomfysik?
Atomfysik er den gren af fysikken, der beskæftiger sig med atomets struktur, tilknyttede energitilstande og interaktionen mellem atom og partikler og felter. I modsætning hertil fokuserer kernefysik specifikt på gangen inde i atomkernen, hvilket er beskrevet mere detaljeret i det næste afsnit.
Der er flere undersøgelseselementer inden for partikelfysik. Først og fremmest er selve atomets struktur. Atomer består af en tæt bundet kerne, der indeholder protoner og neutroner, og en diffus elektronsky.
I betragtning af at kernen normalt er i størrelsesordenen 10-15 til 10-14 m i diameter, og selve atomer er i størrelsesordenen 10-10 m i diameter (og størrelsen på elektronerne er ubetydelig) viser det sig, at atomer for det meste er tomme rum. Selvfølgelig ser de ikke ud som de er, og alt det, der er lavet af atomer, føles bestemt som stof.
Årsagen til atomer ikke ser ud til at være for det meste tomme rum er, at du også er lavet af atomer, og alle atomer interagerer med elektromagnetisk energi. Selvom din hånd, der består af for det meste tomme rumatomer, presser mod et bord, består den også for det meste tomt rum, passerer det ikke gennem bordet på grund af de elektromagnetiske kræfter mellem atomerne, når de kommer ind kontakt.
Neutrinoen, en partikel, der ikke interagerer med den elektromagnetiske kraft, er dog i stand til at passere gennem det fleste atommateriale næsten uopdaget. Faktisk passerer 100 billioner neutrinoer gennem din krop hvert sekund!
Atom klassificering
Atomer er klassificeret efter atomnummer i det periodiske system. Atomtallet er antallet af protoner, atomet indeholder i sin kerne. Dette tal definerer elementet.
Mens et givet element altid vil have det samme antal protoner, kan det indeholde forskellige antal neutroner. Forskellige isotoper af et element indeholder forskellige antal neutroner. Nogle isotoper er mere stabile end andre (hvilket betyder mindre sandsynligt, at de spontant henfalder til noget andet), og denne stabilitet afhænger typisk af antallet af neutroner, hvilket er grunden til, at for de fleste grundstoffer har størstedelen af atomerne tendens til at være af en bestemt isotop.
Antallet af elektroner, som et atom indeholder, bestemmer, om det er ioniseret eller ladet. Et neutralt atom indeholder det samme antal elektroner som protoner, men undertiden kan atomer vinde eller miste elektroner og blive ladet. Hvor let et atom vinder eller mister elektroner afhænger af dets elektronbane struktur.
Hydrogenatomet er det enkleste atom, der kun indeholder en proton i sin kerne. De tre mest stabile isotoper af brint er protium (der ikke indeholder neutroner), deuterium (indeholdende en neutron) og tritium (indeholdende to neutroner), hvor protium er den mest rigelige.
Forskellige modeller af atomet er blevet foreslået gennem årene, hvilket fører til den nuværende model. Tidligt arbejde blev udført af Ernest Rutherford, Niels Bohr og andre.
Absorptions- og emissionsspektre
Som nævnt interagerer atomer med den elektromagnetiske kraft. Protonerne i et atom bærer positiv ladning, og elektronerne bærer negativ ladning. Elektronerne i atomet kan absorbere elektromagnetisk stråling og opnå en højere energitilstand som et resultat eller udsende stråling og bevæge sig til en lavere energitilstand.
En nøgleegenskab ved denne absorbering og udsendelse af stråling er, at atomer kun absorberer og udsender stråling ved meget specifikke kvantiserede værdier. Og for hver forskellig type atom er disse specifikke værdier forskellige.
En varm gas af atommateriale udsender stråling ved meget specifikke bølgelængder. Hvis lys, der kommer fra denne gas, ledes gennem et spektroskop, som spreder lyset ud i et spektrum med bølgelængde (som en regnbue), vises forskellige emissionslinjer. Sættet med emissionsledninger, der kommer fra gassen, kan læses næsten som en stregkode, der fortæller dig nøjagtigt, hvilke atomer der er i gassen.
Tilsvarende, hvis et kontinuerligt spektrum af lys indtræffer på en kølig gas, og det lys, der passerer gennem denne gas, er det passeret gennem et spektroskop, ville du se et kontinuerligt spektrum med mørke huller i de specifikke bølgelængder, som gassen absorberet. Dette absorptionsspektrum vil ligne det inverse af emissionsspektret, de mørke linjer vises, hvor de lyse linjer var for den samme gas. Som sådan kan den også læses som en stregkode, der fortæller gassammensætningen. Astronomer bruger dette hele tiden til at bestemme materialets sammensætning i rummet.
Hvad er kernefysik?
Kernefysik fokuserer på atomkernen, kernereaktioner og interaktionen mellem kernen og andre partikler. Det udforsker blandt andet radioaktivt henfald, nuklear fusion og nuklear fission og bindende energi.
Kernen indeholder en tæt bundet klump af protoner og neutroner. Dette er dog ikke grundlæggende partikler. Protoner og neutroner er lavet af stadig mindre kaldte partikler kvarker.
Kvarker er partikler med fraktioneret ladning og noget fjollede navne. De kommer i seks såkaldte smag: op, ned, top, bund, mærkelig og charme. En neutron består af to nedkvarker og en opkvark, og en proton er lavet af to opkvarker og en nedkvark. Kvarkerne i hvert nukleon er tæt bundet af den stærke atomkraft.
Den stærke atomkraft formidles af kaldte partikler gluoner. Føler du et tema? Forskerne havde en masse sjov ved at navngive disse partikler! Lim limer selvfølgelig kvarkerne sammen. Den stærke atomkraft virker kun på en meget kort rækkevidde - i en afstand, der kan sammenlignes med diameteren af den gennemsnitlige kerne.
Bindende energi
Hver isoleret neutron har en masse på 1,6749275 × 10-27 kg, og hver isolerede proton har en masse på 1,6726219 × 10-27 kg når den er bundet sammen i en atomkerne, er atommassen imidlertid ikke summen af dens bestanddele på grund af noget, der kaldes bindende energi.
Ved at blive tæt bundet opnår nukleoner en lavere energitilstand som et resultat af, at noget af den samlede masse, de havde som individuelle partikler, omdannes til energi. Denne masseforskel, der omdannes til energi kaldes kernens bindingsenergi. Det forhold, der beskriver, hvor meget energi der svarer til en given mængde masse, er Einsteins berømte E = mc2 ligning hvor m er massen, c er lysets hastighed og E er energien.
Et beslægtet koncept er bindingsenergien pr. Nukleon, som er den samlede bindingsenergi for en kerne, der er gennemsnittet over dens bestanddele. Bindingsenergien pr. Nukleon er en god indikator for, hvor stabil en kerne er. En lav bindingsenergi pr. Nukleon indikerer, at en mere gunstig tilstand med lavere total energi kan eksistere for det bestemt kerne, hvilket betyder, at den sandsynligvis vil splitte fra hinanden eller smelte sammen med en anden kerne under den rette betingelser.
Generelt har kerner, der er lettere end jernkerner, tendens til at opnå lavere energitilstande og højere bindingsenergi pr. Nukleon ved at smelte sammen med andre kerner, mens kerner, der er tungere end jern, har tendens til at opnå lavere energitilstande ved at bryde fra hinanden til lettere kerner. De processer, hvormed disse ændringer finder sted, er beskrevet i det næste afsnit.
Fission, fusion og radioaktivt henfald
Hovedfokus for nuklearfysik er at studere fission, fusion og henfald af atomkerner. Disse processer er alle drevet af en grundlæggende forestilling om, at alle partikler foretrækker lavere energitilstande.
Fission opstår, når en tung kerne bryder fra hinanden i mindre kerner. Meget tunge kerner er mere tilbøjelige til at gøre dette, fordi de har en mindre bindingsenergi pr. Nukleon. Som du måske husker, er der et par kræfter, der styrer, hvad der foregår i en atomkerne. Den stærke atomkraft binder nukleoner tæt sammen, men det er en meget kort rækkevidde. Så for meget store kerner er det mindre effektivt.
De positivt ladede protoner i kernen afviser også hinanden via den elektromagnetiske kraft. Denne frastødning skal overvindes af den stærke atomkraft og kan også formidles ved at have nok neutroner rundt. Men jo større kernen er, desto mindre gunstig er styrkebalancen for stabilitet.
Derfor har større kerner tendens til at bryde fra hinanden enten via radioaktive henfaldsprocesser eller via fissionsreaktioner som dem, der forekommer i atomreaktorer eller fissionsbomber.
Fusion opstår, når to lettere kerner opnår en mere gunstig energitilstand ved at kombinere dem til en tungere kerne. For at fission skal forekomme, skal de pågældende kerner imidlertid komme tæt nok på hinanden, så den stærke atomkraft kan overtage. Dette betyder, at de skal bevæge sig hurtigt nok, så de kan overvinde elektrisk frastødning.
Kerner bevæger sig hurtigt i ekstreme temperaturer, så denne tilstand er ofte påkrævet. Dette er, hvordan kernefusion kan finde sted i den ekstremt varme kerne af solen. Den dag i dag forsøger forskere stadig at finde en måde at få kold fusion til at forekomme - det vil sige fusion ved lavere temperaturer. Da energi frigives i fusionsprocessen og ikke efterlader radioaktivt affald, som fissionsreaktorer har tendens til at gøre, ville det være en utrolig energikilde, hvis den opnås.
Radioaktivt henfald er et almindeligt middel, hvormed kerner gennemgår ændringer for at blive mere stabile. Der er tre hovedtyper af henfald: alfa-henfald, beta-henfald og gamma-henfald.
I alfa-henfald frigiver en radioaktiv kerne en alfa-partikel (en helium-4-kerne) og bliver mere stabil som følge heraf. Beta-henfald findes i nogle få varianter, men skyldes i det væsentlige, at enten en neutron bliver en proton eller en proton bliver en neutron og frigiver en β- eller β+ partikel (en elektron eller en positron). Gamma-henfald opstår, når en kerne i en ophidset tilstand frigiver energi i form af gammastråler, men opretholder sit samlede antal neutroner og protoner.
Standardmodellen for partikelfysik
Undersøgelsen af kernefysik strækker sig ind i det større felt af partikelfysik, som sigter mod at forstå funktionen af alle grundlæggende partikler. Standardmodellen klassificerer partikler i fermioner og bosoner og klassificerer derefter yderligere fermioner i kvarker og leptoner og bosoner i måle- og skalarbosoner.
Bosoner overholder ikke lovgivningen om antal bevarelse, men fermioner gør det. Der er også en lov om bevarelse af både lepton- og kvarknumre i tillæg til andre konserverede mængder. Interaktioner mellem de grundlæggende partikler medieres af de energibærende bosoner.
Anvendelser af kernefysik og atomfysik
Anvendelser af nuklear og atomfysik er rigelige. Atomreaktorer i atomkraftværker skaber ren energi ved at udnytte den energi, der frigives under fissionsprocesser. Nuklearmedicin bruger radioaktive isotoper til billeddannelse. Astrofysikere bruger spektroskopi til at bestemme sammensætningen af fjerne tåger. Magnetisk resonansbilleddannelse giver læger mulighed for at skabe detaljerede billeder af deres patients inderside. Selv røntgenteknologi bruger kernefysik.