Kernefysik: Hvad er det, hvem opdagede det og hvorfor er det vigtigt?

Flere overskyede dage i Paris i 1896 "ødelagde" Henri Becquerels eksperiment, men i processen blev området med kernefysik født. Becquerel var ude for at bevise sin hypotese om, at uran absorberede sollys og strålede det igen i form af røntgenstråler, som var blevet opdaget året før.

Becquerels plan var at bringe kaliumuranylsulfat ud i sollyset og derefter bringe det i kontakt med fotografiske plader indpakket i sort papir, for mens synligt lys ikke ville klare det, røntgenbilleder ville. På trods af manglen på sollys besluttede han alligevel at gennemgå processen og var chokeret, da han opdagede billeder, der stadig er optaget på den fotografiske plade.

Yderligere test viste, at det slet ikke var røntgenbilleder på trods af hans antagelser. Lysets sti er ikke bøjet af et magnetfelt, men stråling fra uran blev afbøjet af en, og dette - sammen med det første resultat - var, hvordan stråling blev opdaget. Marie Curie opfandt udtrykket radioaktivitet og opdagede sammen med sin mand Pierre polonium og radium og fastlagde de nøjagtige kilder til radioaktiviteten.

Senere kom Ernest Rutherford med begreberne alfapartikler, beta-partikler og gammapartikler for det udstrålede materiale og området for nuklear fysik kom virkelig i gang.

Naturligvis ved folk meget mere om kernefysik nu end de gjorde i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, og det er et afgørende emne at forstå og lære om for enhver fysikstuderende. Uanset om du vil forstå arten af ​​atomenergi, de stærke og svage nukleare kræfter eller bidrage til områder som nuklearmedicin, er det vigtigt at lære det grundlæggende.

Kernefysik er i det væsentlige kernenes fysik, den del af atomet, der indeholder de to mest kendte “Hadrons,” protoner og neutroner.

Især ser det på kræfterne, der opererer i kerne (den stærke interaktion, der binder protoner og neutroner sammen i kernen såvel som holder deres komponent kvarker sammen, og den svage vekselvirkning i forbindelse med radioaktivt henfald) og vekselvirkningen af ​​kerner med andre partikler.

Kernefysik dækker emner som nuklear fusion (som vedrører den bindende energi fra forskellige grundstoffer), nuklear fission (som er opdeling af tunge grundstoffer for at producere energi) såvel som radioaktivt henfald og den grundlæggende struktur og kræfter, der spiller i kerne.

Der er mange praktiske anvendelser af feltet, herunder (men ikke begrænset til) arbejde inden for nuklear energi, nuklear medicin og højenergifysik.

En atom består af en kerne, der indeholder de positivt ladede protoner og ikke-ladede neutroner, der holdes sammen af ​​den stærke atomkraft. Disse er omgivet af negativt ladede elektroner, som danner det, der kaldes en "sky" omkring kernen, og antallet af elektroner svarer til antallet af protoner i et neutralt atom.

Der har været adskillige modeller af atomet foreslået gennem fysikens historie, herunder Thomsons ”blomme buddingmodel, Rutherfords og Bohrs “planetariske” model og den moderne, kvantemekaniske model, der er beskrevet over.

Kernen er lille, omkring 10⁻¹⁵ m, der indeholder hovedparten af ​​atomets masse, mens hele atomet er i størrelsesordenen 10⁻¹⁰ m. Lad ikke notationen narre dig - det betyder, at kernen er omkring 100.000 gange mindre end atomet generelt, men det indeholder langt størstedelen af ​​sagen. Så atomet er overvejende tomt rum!

Atomets masse er dog ikke nøjagtigt den samme som massen af ​​de bestanddele: Hvis du sammenlægger masserne af protoner og neutroner, overstiger det allerede atomets masse, før du overhovedet tager højde for den meget mindre masse af elektron.

Dette kaldes atomets "massefejl", og hvis du konverterer denne forskel til energi ved hjælp af Einsteins berømte ligning E = mc², får du “bindingsenergien” af kernen.

Dette er den energi, du bliver nødt til at lægge i systemet for at opdele kernen i dens sammensatte protoner og neutroner. Disse energier er meget, meget større end den energi, det kræver for at fjerne en elektron fra dens "bane" omkring kernen.

De to typer nukleon (dvs. partikel af kernen) er protonen og neutronen, og disse er tæt bundet sammen i atomens kerne.

Selvom disse generelt er de nukleoner, du vil høre om, er de faktisk ikke grundlæggende partikler i standardmodellen for partikelfysik. Protonen og neutronen er begge sammensat af kaldte grundlæggende partikler kvarker, som kommer i seks "smag" og hver bærer en brøkdel af ladningen af ​​en proton eller en elektron.

En opkvark har en 2/3 e opladning, hvor e er ladningen af ​​en elektron, mens en nedkvark har en -1/3 e oplade. Dette betyder, at to op-kvarker og en ned-kvark tilsammen vil producere en partikel med en positiv ladning af størrelsen e, som er en proton. På den anden side producerer en op-kvark og to ned-kvarker en partikel uden samlet ladning, neutronen.

Standardmodellen katalogiserer alle de grundlæggende partikler, der i øjeblikket er kendt, og grupperer dem i to hovedgrupper: fermioner og bosoner. Fermions er opdelt i kvarker (som igen producerer hadroner som protoner og neutroner) og leptoner (som inkluderer elektroner og neutrinoer), og bosoner er opdelt i gauge- og skalarbosoner.

Higgs Boson er den eneste hidtil kendte skalære boson med de andre bosoner - foton, gluon, Z-bønne og W bosoner - være målebosoner.

Fermions adlyder, i modsætning til bosoner, "lovgivning om bevarelse af tal." For eksempel er der en lov om bevarelse af leptontal, der forklarer ting som de partikler, der produceres som en del af nukleart henfald processer (fordi skabelsen af ​​en elektron med lepton nummer 1 f.eks. skal afbalanceres med skabelsen af ​​en anden partikel med lepton nummer -1, såsom et elektron anti-neutrino).

Kvarknummer er også konserveret, og der er også andre konserverede mængder.

Bosoner er kraftbærende partikler, og interaktioner mellem de grundlæggende partikler medieres således af bosonerne. For eksempel medieres interaktionen mellem kvarker af gluoner, og elektromagnetiske interaktioner medieres af fotoner.

Selvom den elektromagnetiske kraft finder anvendelse i kernen, er de vigtigste kræfter, du skal overveje, de stærke og svage atomkræfter. Den stærke atomkraft bæres af gluoner, og den svage atomkraft bæres af W^± og Z⁰ bosoner.

Som navnet antyder, er den stærke atomkraft den stærkeste af alle grundlæggende kræfter, efterfulgt af elektromagnetisme (10² gange svagere), den svage kraft (10⁶ gange svagere) og tyngdekraften (10⁴⁰ gange svagere). Den enorme forskel mellem tyngdekraften og resten af ​​kræfterne er grunden til, at fysikere i det væsentlige forsømmer det, når de diskuterer stof på atomniveau.

Den stærke kraft behov at være stærk for at overvinde den elektromagnetiske frastødning mellem de positivt ladede protoner i kernen - hvis den havde været svagere end den elektromagnetiske kraft, ville ingen atomer med mere end en proton i kernen have været i stand til form. Den stærke styrke har dog en meget Kort rækkevidde.

Dette er vigtigt, fordi det viser, hvorfor kraften ikke er mærkbar, selv på skalaen af ​​hele atomer eller molekyler, men det betyder også, at elektromagnetisk frastødning bliver mere relevant for tunge kerner (dvs. større atomer). Dette er en af ​​grundene til, at ustabile kerner ofte er de af de tunge elementer.

Den svage kraft har også en meget kort rækkevidde, og det får i det væsentlige kvarker til at ændre smag. Dette kan få en proton til at blive en neutron og omvendt, og det kan derfor betragtes som årsagen til nukleart forfald processer som beta plus og minus henfald.

Der er tre typer radioaktivt henfald: alfa-henfald, beta-henfald og gamma-henfald. Alfa-henfald er, når et atom henfalder ved at frigive en "alfa-partikel", hvilket er et andet udtryk for en heliumkerne.

Der er tre undertyper af beta-henfald, men alle involverer en proton, der bliver til en neutron eller omvendt. En beta minus henfald er, når en neutron bliver en proton og frigiver en elektron og en elektron-anti-neutrino i processen, mens i beta plus henfald bliver en proton en neutron og frigiver en positron (dvs. en anti-elektron) og en elektron neutrino.

Ved elektronindfangning absorberes en elektron fra de ydre dele af atomet i kernen, og en proton omdannes til en neutron, og en neutrino frigøres fra processen.

Gamma-henfald er et henfald, hvor energi frigives, men intet i atomet ændres. Dette er analogt med den måde, hvorpå en foton frigives, når en elektron foretager en overgang fra en højenergi til en lavenergitilstand. En ophidset kerne overgår til en lavenergitilstand og udsender en gammastråle, som den gør.

Kernefusion er når to kerner smelter sammen og skaber en tungere kerne. Dette er den måde, hvorpå energi genereres i solen, og det er et af de største mål for eksperimentel fysik at få processen til at finde sted på jorden til kraftproduktion.

Problemet er, at det kræver ekstremt høje temperaturer og tryk og derfor meget høje energiniveauer. Men hvis forskere opnår det, kan fusion blive en vital strømkilde, når samfundet fortsætter med at vokse, og vi forbruger stigende mængder energi.

Nuklear fission er opdeling af et tungt element i to lettere kerner, og det er det, der driver den nuværende generation af atomreaktorer.

Fission er også funktionsprincippet for atomvåben, hvilket er en af ​​hovedårsagerne til, at det er et kontroversielt område. I praksis fungerer fission gennem en række kædereaktioner. En neutron, der skaber den oprindelige opdeling i et tungt element som uran, genererer en yderligere fri neutron efter reaktionen, som derefter kan fortsætte med at forårsage en anden opdeling og så videre.

I det væsentlige får begge disse processer energi gennem E = mc² forhold, da sammensmeltning eller opdeling af atomer indebærer frigivelse af energi fra den "manglende masse".

Der er et stort udvalg af anvendelser af nuklearfysik. Især er atomreaktorer og atomkraftværker operationelle i mange lande rundt om i verden, og mange fysikere arbejder på nye og sikrere design.

For eksempel sigter nogle atomreaktordesigner på at sikre, at kildematerialet ikke kan bruges til skabe atomvåben, som kræver en langt mere beriget kilde til uran (dvs. et "renere" uran) til operere.

Nuklearmedicin er et andet vigtigt område for kernefysik. Nuklearmedicin involverer meget små mængder radioaktivt materiale, der administreres til patienten, og derefter bruges detektorer til at tage billeder fra den afgivne stråling. Dette hjælper læger med at diagnosticere nyre-, skjoldbruskkirtel-, hjerte- og andre tilstande.

Der er selvfølgelig mange andre områder, hvor kernefysik i det væsentlige er, herunder højenergifysik og partikler acceleratorer som CERN og astrofysik, hvor mange af de dominerende processer i stjerner er stærkt afhængige af nuklear fysik.