Nuclear & Atomic (Physics): Ein Anfängerleitfaden für Studenten

Atom- und Kernphysik beschreiben beide die Physik des ganz Kleinen. Bei der Arbeit mit so kleinen Objekten versagt oft Ihre Intuition, die auf Ihrem Verständnis der klassischen Mechanik basiert. Dies ist das Reich der Quantenmechanik, der Kernkräfte kurzer Reichweite, der elektromagnetischen Strahlung und des Standardmodells der Teilchenphysik.

Die Atomphysik ist der Zweig der Physik, der sich mit der Struktur des Atoms, den zugehörigen Energiezuständen und der Wechselwirkung des Atoms mit Teilchen und Feldern beschäftigt. Im Gegensatz dazu konzentriert sich die Kernphysik speziell auf die Vorgänge im Inneren des Atomkerns, die im nächsten Abschnitt genauer beschrieben werden.

Es gibt mehrere Studienrichtungen in der Teilchenphysik. An erster Stelle steht die Struktur des Atoms selbst. Atome bestehen aus einem fest gebundenen Kern, der Protonen und Neutronen enthält, und einer diffusen Elektronenwolke.

Da der Kern normalerweise in der Größenordnung von 10. liegt^-15 bis 10

Der Grund, warum Atome nicht so aussehen, als wären sie größtenteils leerer Raum, ist, dass Sie auch aus Atomen bestehen und alle Atome mit elektromagnetischer Energie interagieren. Auch wenn deine Hand, die hauptsächlich aus Atomen aus dem leeren Raum besteht, gegen einen Tisch drückt, der ebenfalls hauptsächlich aus. besteht leeren Raum, es geht nicht durch den Tisch aufgrund der elektromagnetischen Kräfte zwischen den Atomen, wenn sie eintreten Kontakt.

Das Neutrino, ein Teilchen, das nicht mit der elektromagnetischen Kraft wechselwirkt, kann jedoch die meisten atomaren Materialien praktisch unentdeckt passieren. Tatsächlich passieren jede Sekunde 100 Billionen Neutrinos Ihren Körper!

Atome werden im Periodensystem nach der Ordnungszahl eingeteilt. Die Ordnungszahl ist die Anzahl der Protonen, die das Atom in seinem Kern enthält. Diese Zahl definiert das Element.

Während ein bestimmtes Element immer die gleiche Anzahl von Protonen hat, kann es eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen enthalten. Unterschiedliche Isotope eines Elements enthalten unterschiedliche Neutronenzahlen. Einige Isotope sind stabiler als andere (was bedeutet, dass sie weniger wahrscheinlich spontan in etwas anderes zerfallen), und diese Stabilität hängt typischerweise von der Anzahl der Neutronen ab, weshalb bei den meisten Elementen die Mehrheit der Atome tendenziell von einem bestimmten ist Isotop.

Die Anzahl der Elektronen, die ein Atom enthält, bestimmt, ob es ionisiert oder geladen ist. Ein neutrales Atom enthält die gleiche Anzahl von Elektronen wie Protonen, aber manchmal können Atome Elektronen aufnehmen oder verlieren und geladen werden. Wie leicht ein Atom Elektronen aufnimmt oder verliert, hängt von seiner Elektronenorbitalstruktur ab.

Das Wasserstoffatom ist das einfachste Atom, das nur ein Proton in seinem Kern enthält. Die drei stabilsten Wasserstoffisotope sind Protium (ohne Neutronen), Deuterium (mit einem Neutron) und Tritium (mit zwei Neutronen), wobei Protium am häufigsten vorkommt.

Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Modelle des Atoms vorgeschlagen, die zu dem aktuellen Modell führten. Frühe Arbeiten wurden von Ernest Rutherford, Niels Bohr und anderen geleistet.

Wie bereits erwähnt, interagieren Atome mit der elektromagnetischen Kraft. Die Protonen in einem Atom tragen eine positive Ladung und die Elektronen tragen eine negative Ladung. Die Elektronen im Atom können elektromagnetische Strahlung absorbieren und dadurch einen höheren Energiezustand erreichen oder Strahlung emittieren und in einen niedrigeren Energiezustand übergehen.

Eine wesentliche Eigenschaft dieses Absorbierens und Emittierens von Strahlung besteht darin, dass Atome Strahlung nur bei ganz bestimmten quantisierten Werten absorbieren und emittieren. Und für jeden anderen Atomtyp sind diese spezifischen Werte unterschiedlich.

Ein heißes Gas aus atomarem Material emittiert Strahlung mit ganz bestimmten Wellenlängen. Wenn von diesem Gas kommendes Licht durch ein Spektroskop geleitet wird, das das Licht in einem Spektrum nach Wellenlänge (wie ein Regenbogen) verteilt, erscheinen deutliche Emissionslinien. Die vom Gas ausgehenden Emissionslinien können fast wie ein Strichcode gelesen werden, der Ihnen genau sagt, welche Atome sich im Gas befinden.

In ähnlicher Weise, wenn ein kontinuierliches Lichtspektrum auf ein kühles Gas fällt und das Licht, das durch dieses Gas geht, ist dann Durch ein Spektroskop würde man ein kontinuierliches Spektrum mit dunklen Lücken bei den spezifischen Wellenlängen sehen, die das Gas the absorbiert. Dieses Absorptionsspektrum sieht wie die Umkehrung des Emissionsspektrums aus, die dunklen Linien erscheinen dort, wo die hellen Linien für das gleiche Gas waren. Als solcher kann er auch wie ein Strichcode gelesen werden, der Ihnen die Zusammensetzung des Gases verrät. Astronomen nutzen dies ständig, um die Zusammensetzung von Materie im Weltraum zu bestimmen.

Die Kernphysik konzentriert sich auf den Atomkern, Kernreaktionen und die Wechselwirkung des Kerns mit anderen Teilchen. Es untersucht unter anderem radioaktiven Zerfall, Kernfusion und Kernspaltung sowie Bindungsenergie.

Der Kern enthält einen fest gebundenen Klumpen von Protonen und Neutronen. Dies sind jedoch keine fundamentalen Teilchen. Protonen und Neutronen bestehen aus noch kleineren Teilchen namens Quarks.

Quarks sind Teilchen mit Bruchteilladung und etwas albernen Namen. Es gibt sie in sechs sogenannten Geschmacksrichtungen: up, down, top, bottom, strange und charm. Ein Neutron besteht aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark, und ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Die Quarks in jedem Nukleon sind durch die starke Kernkraft fest gebunden.

Die starke Kernkraft wird durch Teilchen namens. vermittelt Gluonen. Spüren Sie ein Thema? Die Wissenschaftler hatten viel Spaß bei der Benennung dieser Partikel! Gluonen „kleben“ die Quarks natürlich zusammen. Die starke Kernkraft wirkt nur auf sehr kurze Distanz – in einer Entfernung, die mit dem Durchmesser eines durchschnittlich großen Kerns vergleichbar ist.

Jedes isolierte Neutron hat eine Masse von 1.6749275 × 10^-27 kg, und jedes isolierte Proton hat eine Masse von 1,6726219 × 10^-27 kg; Wenn sie jedoch in einem Atomkern miteinander verbunden sind, ist die Atommasse aufgrund der sogenannten Bindungsenergie nicht die Summe ihrer Bestandteile.

Durch die enge Bindung erreichen die Nukleonen einen niedrigeren Energiezustand, da ein Teil der Gesamtmasse, die sie als einzelne Teilchen hatten, in Energie umgewandelt wird. Diese in Energie umgewandelte Massendifferenz wird als Bindungsenergie des Kerns bezeichnet. Die Beziehung, die beschreibt, wie viel Energie einer bestimmten Masse entspricht, ist Einsteins berühmtes E = mc² Gleichung wo ich ist die Masse, c ist die Lichtgeschwindigkeit und E ist die Energie.

Ein verwandtes Konzept ist die Bindungsenergie pro Nukleon, die die gesamte Bindungsenergie eines Kerns, gemittelt über seine Bestandteile, ist. Die Bindungsenergie pro Nukleon ist ein guter Indikator dafür, wie stabil ein Kern ist. Eine niedrige Bindungsenergie pro Nukleon deutet darauf hin, dass dafür ein günstigerer Zustand mit niedrigerer Gesamtenergie existieren könnte bestimmten Kern, was bedeutet, dass er sich wahrscheinlich entweder aufspalten oder mit einem anderen Kern unter dem richtigen fusionieren möchte Bedingungen.

Im Allgemeinen neigen Kerne, die leichter als Eisenkerne sind, durch Verschmelzung dazu, niedrigere Energiezustände und eine höhere Bindungsenergie pro Nukleon zu erreichen mit anderen Kernen, während Kerne, die schwerer als Eisen sind, dazu neigen, niedrigere Energiezustände zu erreichen, indem sie in leichtere zerbrechen Kerne. Die Prozesse, durch die diese Änderungen auftreten, werden im nächsten Abschnitt beschrieben.

Der Schwerpunkt der Kernphysik liegt auf der Untersuchung von Spaltung, Fusion und Zerfall von Atomkernen. Diese Prozesse werden alle von der grundlegenden Vorstellung angetrieben, dass alle Teilchen niedrigere Energiezustände bevorzugen.

Eine Spaltung tritt auf, wenn ein schwerer Kern in kleinere Kerne zerfällt. Sehr schwere Kerne sind dafür anfälliger, weil sie eine geringere Bindungsenergie pro Nukleon haben. Wie Sie sich vielleicht erinnern, gibt es ein paar Kräfte, die das Geschehen in einem Atomkern bestimmen. Die starke Kernkraft bindet die Nukleonen fest zusammen, aber es handelt sich um eine Kraft mit sehr kurzer Reichweite. Bei sehr großen Kernen ist es also weniger effektiv.

Auch die positiv geladenen Protonen im Kern stoßen sich über die elektromagnetische Kraft gegenseitig ab. Diese Abstoßung muss durch die starke Kernkraft überwunden werden und kann auch durch genügend Neutronen vermittelt werden. Aber je größer der Kern ist, desto ungünstiger ist die Kräftebilanz für die Stabilität.

Daher neigen größere Kerne dazu, entweder durch radioaktive Zerfallsprozesse oder durch Spaltreaktionen, wie sie in Kernreaktoren oder Spaltbomben auftreten, auseinanderzubrechen.

Fusion tritt auf, wenn zwei leichtere Kerne einen günstigeren Energiezustand erreichen, indem sie sich zu einem schwereren Kern verbinden. Damit eine Kernspaltung stattfinden kann, müssen die betreffenden Kerne jedoch nahe genug beieinander stehen, damit die starke Kernkraft übernehmen kann. Das bedeutet, dass sie sich schnell genug bewegen müssen, um die elektrische Abstoßung zu überwinden.

Kerne bewegen sich bei extremen Temperaturen schnell, daher ist diese Bedingung oft erforderlich. So kann im extrem heißen Kern der Sonne Kernfusion stattfinden. Bis heute versuchen Wissenschaftler, einen Weg zu finden, die Kalte Fusion – also die Fusion bei niedrigeren Temperaturen – möglich zu machen. Da beim Fusionsprozess Energie freigesetzt wird und keine radioaktiven Abfälle hinterlässt, wie es bei Kernspaltungsreaktoren üblich ist, wäre dies eine unglaubliche Energieressource.

Radioaktiver Zerfall ist ein übliches Mittel, mit dem Kerne Veränderungen erfahren, um stabiler zu werden. Es gibt drei Haupttypen des Zerfalls: Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall und Gamma-Zerfall.

Beim Alphazerfall setzt ein radioaktiver Kern ein Alphateilchen (einen Helium-4-Kern) frei und wird dadurch stabiler. Beta-Zerfall kommt in wenigen Varianten vor, resultiert aber im Wesentlichen daraus, dass entweder ein Neutron zu einem Proton wird oder ein Proton zu einem Neutron wird und a. freisetzt β^- oder β⁺ Teilchen (ein Elektron oder ein Positron). Gammazerfall tritt auf, wenn ein Kern in einem angeregten Zustand Energie in Form von Gammastrahlen freisetzt, aber seine Gesamtzahl an Neutronen und Protonen beibehält.

Das Studium der Kernphysik erstreckt sich auf das größere Gebiet der Teilchenphysik, das darauf abzielt, die Funktionsweise aller fundamentalen Teilchen zu verstehen. Das Standardmodell klassifiziert Teilchen in Fermionen und Bosonen und dann weiter Fermionen in Quarks und Leptonen und Bosonen in Eich- und Skalarbosonen.

Bosonen gehorchen nicht den Zahlenerhaltungsgesetzen, aber Fermionen schon. Neben anderen Erhaltungsgrößen gibt es auch ein Erhaltungssatz für Leptonen- und Quarkzahlen. Wechselwirkungen der Fundamentalteilchen werden durch die energietragenden Bosonen vermittelt.

Anwendungen der Kern- und Atomphysik sind reichlich vorhanden. Kernreaktoren in Kernkraftwerken erzeugen saubere Energie, indem sie die bei Spaltungsprozessen freigesetzte Energie nutzen. Die Nuklearmedizin verwendet radioaktive Isotope zur Bildgebung. Astrophysiker verwenden Spektroskopie, um die Zusammensetzung entfernter Nebel zu bestimmen. Die Magnetresonanztomographie ermöglicht es Ärzten, detaillierte Bilder vom Inneren ihrer Patienten zu erstellen. Auch die Röntgentechnik bedient sich der Kernphysik.