Kernphysik: Was ist das, wer hat es entdeckt und warum ist es wichtig?

Mehrere bewölkte Tage in Paris im Jahr 1896 „ruinierten“ Henri Becquerels Experiment, aber dabei wurde das Gebiet der Kernphysik geboren. Becquerel wollte seine Hypothese beweisen, dass Uran Sonnenlicht absorbiert und in Form von Röntgenstrahlen wieder abstrahlt, die im Jahr zuvor entdeckt worden waren.

Becquerels Plan war es, das Kaliumuranylsulfat ins Sonnenlicht zu bringen und es dann in Kontakt zu bringen mit Fotoplatten, die in schwarzes Papier gewickelt sind, denn während sichtbares Licht nicht durchkommt, Röntgenstrahlen würde. Trotz des Mangels an Sonnenlicht entschied er sich trotzdem, den Prozess zu durchlaufen, und war schockiert, als er Bilder entdeckte, die noch auf der Fotoplatte aufgezeichnet waren.

Weitere Tests zeigten, dass es sich trotz seiner Annahmen überhaupt nicht um Röntgenstrahlen handelte. Der Lichtweg wird nicht durch ein Magnetfeld gebogen, sondern die Strahlung aus dem Uran wurde von einem abgelenkt, und so wurde – zusammen mit dem ersten Ergebnis – die Strahlung entdeckt. Marie Curie prägte den Begriff Radioaktivität und entdeckte zusammen mit ihrem Ehemann Pierre Polonium und Radium, um die genauen Quellen der Radioaktivität zu bestimmen.

Später entwickelte Ernest Rutherford die Begriffe Alphateilchen, Betateilchen und Gammateilchen für das bestrahlte Material und das Feld der Kernphysik ging es richtig los.

Natürlich wissen die Leute heute viel mehr über die Kernphysik als zu Beginn des 20. Jahrhunderts, und es ist ein wichtiges Thema, das für jeden Physikstudenten zu verstehen und zu lernen ist. Egal, ob Sie die Natur der Kernenergie, die starken und schwachen Nuklearkräfte verstehen oder zu Bereichen wie der Nuklearmedizin beitragen möchten, das Erlernen der Grundlagen ist unerlässlich.

Kernphysik ist im Wesentlichen die Physik des Kerns, des Teils des Atoms, der die beiden bekanntesten enthält "Hadronen", Protonen und Neutronen.

Sie betrachtet insbesondere die Kräfte, die in der Kern (die starke Wechselwirkung, die Protonen und Neutronen im Kern zusammenhält und ihre Komponenten hält holding Quarks zusammen, und die schwache Wechselwirkung bezüglich des radioaktiven Zerfalls) und die Wechselwirkung von Kernen mit anderen with Partikel.

Die Kernphysik umfasst Themen wie Kernfusion (die sich auf die Bindungsenergie verschiedener Elemente bezieht), Kernspaltung (die die Aufspaltung schwerer Elemente zur Energiegewinnung) sowie der radioaktive Zerfall und die Grundstruktur und die Kräfte im Kern.

Es gibt viele praktische Anwendungen auf diesem Gebiet, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) Arbeiten in der Kernenergie, Nuklearmedizin und Hochenergiephysik.

Ein Atom besteht aus einem Kern, der die positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen enthält, zusammengehalten durch die starke Kernkraft. Diese sind von negativ geladenen Elektronen umgeben, die um den Kern eine sogenannte „Wolke“ bilden, und die Anzahl der Elektronen entspricht der Anzahl der Protonen in einem neutralen Atom.

Im Laufe der Geschichte der Physik wurden zahlreiche Atommodelle vorgeschlagen, darunter Thomsons „Pflaume“. Pudding“-Modell, Rutherfords und Bohrs „Planeten“-Modell und das beschriebene moderne, quantenmechanische Modell über.

Der Kern ist winzig, bei etwa 10⁻¹⁵ m, enthält den Großteil der Masse des Atoms, während das gesamte Atom in der Größenordnung von 10. liegt⁻¹⁰ m. Lassen Sie sich nicht von der Schreibweise täuschen – das bedeutet, dass der Kern etwa 100.000 Mal kleiner ist als das Atom insgesamt, aber er enthält den größten Teil der Materie. Das Atom ist also überwiegend Freiraum!

Die Masse des Atoms entspricht jedoch nicht genau der Masse der Bestandteile: Addiert man die Massen der Protonen und Neutronen, übertrifft es bereits die Masse des Atoms, noch bevor man die viel geringere Masse des Elektron.

Dies wird als „Massendefekt“ des Atoms bezeichnet, und wenn man diese Differenz mit Einsteins berühmter Gleichung in Energie umwandelt E = mc², erhalten Sie die „Bindungsenergie“ des Kerns.

Dies ist die Energie, die Sie in das System stecken müssten, um den Kern in seine Protonen und Neutronen aufzuspalten. Diese Energien sind viel, viel größer als die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus seiner „Umlaufbahn“ um den Kern zu entfernen.

Die beiden Arten von Nukleon (d. h. Teilchen des Kerns) sind das Proton und das Neutron, und diese sind im Kern des Atoms fest miteinander verbunden.

Obwohl dies im Allgemeinen die Nukleonen sind, von denen Sie hören werden, sind sie im Standardmodell der Teilchenphysik keine fundamentalen Teilchen. Das Proton und das Neutron bestehen beide aus fundamentalen Teilchen namens Quarks, die es in sechs „Geschmacksrichtungen“ gibt und jede einen Bruchteil der Ladung eines Protons oder eines Elektrons trägt.

Ein Up-Quark hat eine 2/3 e aufladen, wo e ist die Ladung eines Elektrons, während ein Down-Quark ein −1/3. hat e aufladen. Dies bedeutet, dass zwei Up-Quarks und ein Down-Quark zusammen ein Teilchen mit einer positiven Ladung der Größe. erzeugen würden e, das ist ein Proton. Andererseits erzeugen ein Up-Quark und zwei Down-Quarks ein Teilchen ohne Gesamtladung, das Neutron.

Das Standardmodell katalogisiert alle derzeit bekannten fundamentalen Teilchen und gruppiert sie in zwei Hauptgruppen: Fermionen und Bosonen. Fermionen sind unterteilt in Quarks (die wiederum Hadronen wie Protonen und Neutronen erzeugen) und Leptonen (zu denen Elektronen und Neutrinos gehören) und Bosonen werden in Eich- und Skalarbosonen unterteilt.

Das Higgs-Boson ist das einzige bisher bekannte skalare Boson, mit den anderen Bosonen – dem Photon, Gluon, Z-Bosonen und W Bosonen – Eichbosonen sein.

Fermionen gehorchen im Gegensatz zu Bosonen den „Zahlenerhaltungsgesetzen“. Zum Beispiel gibt es ein Gesetz der Erhaltung der Leptonenzahl, das Dinge wie die beim Kernzerfall erzeugten Teilchen erklärt (weil zum Beispiel die Erzeugung eines Elektrons mit der Leptonenzahl 1 mit der Erzeugung eines anderen Teilchens mit der Leptonenzahl −1 wie einem Elektron-Antineutrino ausgeglichen werden muss).

Die Quarkzahl ist ebenfalls konserviert, und es gibt auch andere konservierte Größen.

Bosonen sind krafttragende Teilchen, daher werden Wechselwirkungen der Fundamentalteilchen durch die Bosonen vermittelt. Beispielsweise wird die Wechselwirkung von Quarks durch Gluonen und elektromagnetische Wechselwirkungen durch Photonen vermittelt.

Obwohl die elektromagnetische Kraft im Kern wirkt, sind die wichtigsten Kräfte, die Sie berücksichtigen müssen, die starken und die schwachen Kernkräfte. Die starke Kernkraft wird von Gluonen getragen und die schwache Kernkraft wird von. getragen W^± und der Z⁰ Bosonen.

Wie der Name schon sagt, ist die starke Kernkraft die stärkste aller Grundkräfte, gefolgt vom Elektromagnetismus (10² mal schwächer), die schwache Kraft (10⁶ mal schwächer) und Schwerkraft (10⁴⁰ mal schwächer). Der große Unterschied zwischen der Schwerkraft und den anderen Kräften ist der Grund, warum Physiker sie im Wesentlichen vernachlässigen, wenn sie Materie auf atomarer Ebene diskutieren.

Die starke Kraft braucht stark sein, um die elektromagnetische Abstoßung zwischen den positiv geladenen Protonen im Kern zu überwinden – wenn sie schwächer als die elektromagnetische Kraft gewesen wäre, hätte kein Atom mit mehr als einem Proton im Kern bilden. Die starke Kraft hat jedoch eine sehr kurze Reichweite.

Dies ist wichtig, weil es zeigt, warum die Kraft selbst auf der Skala ganzer Atome nicht wahrnehmbar ist oder Moleküle, aber es bedeutet auch, dass die elektromagnetische Abstoßung für schwere Kerne (d. h. größere Atome). Dies ist einer der Gründe, warum instabile Kerne oft die der schweren Elemente sind.

Die schwache Kraft hat auch eine sehr kurze Reichweite und bewirkt im Wesentlichen, dass Quarks den Geschmack ändern. Dies kann dazu führen, dass ein Proton zu einem Neutron wird und umgekehrt, und kann daher als Ursache für angesehen werden nuklearer Zerfall Prozesse wie Beta plus und minus Zerfall.

Es gibt drei Arten von radioaktivem Zerfall: Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall und Gamma-Zerfall. Alpha-Zerfall ist, wenn ein Atom zerfällt, indem ein „Alpha-Teilchen“ freigesetzt wird, was ein anderer Begriff für einen Heliumkern ist.

Es gibt drei Unterarten des Betazerfalls, aber alle beinhalten, dass sich ein Proton in ein Neutron verwandelt oder umgekehrt. Ein Beta-Minus-Zerfall ist, wenn ein Neutron zu einem Proton wird und dabei ein Elektron und ein Elektron-Anti-Neutrino freisetzt. während beim Beta-Plus-Zerfall ein Proton zu einem Neutron wird und ein Positron (d. h. ein Anti-Elektron) und ein Elektron freisetzt Neutrino.

Beim Elektroneneinfang wird ein Elektron aus den äußeren Teilen des Atoms in den Kern aufgenommen und ein Proton in ein Neutron umgewandelt und ein Neutrino aus dem Prozess freigesetzt.

Gammazerfall ist ein Zerfall, bei dem Energie freigesetzt wird, sich aber nichts im Atom ändert. Dies ist analog zu der Art und Weise, wie ein Photon freigesetzt wird, wenn ein Elektron von einem hochenergetischen in einen niederenergetischen Zustand übergeht. Ein angeregter Kern geht in einen niederenergetischen Zustand über und sendet dabei Gammastrahlen aus.

Kernfusion ist, wenn zwei Kerne verschmelzen und einen schwereren Kern bilden. Auf diese Weise wird in der Sonne Energie erzeugt, und den Prozess zur Stromerzeugung auf der Erde ablaufen zu lassen, ist eines der größten Ziele der Experimentalphysik.

Das Problem ist, dass es extrem hohe Temperaturen und Drücke und damit sehr hohe Energiemengen erfordert. Wenn Wissenschaftler dies jedoch erreichen, könnte die Fusion zu einer lebenswichtigen Energiequelle werden, da die Gesellschaft weiter wächst und wir immer mehr Energie verbrauchen.

Kernspaltung ist die Aufspaltung eines schweren Elements in zwei leichtere Kerne, und dies treibt die aktuelle Generation von Kernreaktoren an.

Kernspaltung ist auch das Funktionsprinzip von Atomwaffen, was einer der Hauptgründe dafür ist, dass es ein umstrittenes Gebiet ist. In der Praxis funktioniert die Spaltung durch eine Reihe von Kettenreaktionen. Ein Neutron, das die anfängliche Spaltung in einem schweren Element wie Uran erzeugt, erzeugt nach der Reaktion ein weiteres freies Neutron, das dann eine weitere Spaltung verursachen kann und so weiter.

Im Wesentlichen gewinnen beide Prozesse Energie durch die E = mc² Beziehung, da das Verschmelzen oder Aufspalten von Atomen eine Freisetzung von Energie aus der „fehlenden Masse“ beinhaltet.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Kernphysik sind vielfältig. Insbesondere sind in vielen Ländern der Welt Kernreaktoren und Kernkraftwerke in Betrieb, und viele Physiker arbeiten an neuen und sichereren Designs.

Zum Beispiel zielen einige Kernreaktordesigns darauf ab, sicherzustellen, dass das Ausgangsmaterial nicht für Atomwaffen herstellen, die eine viel stärker angereicherte Uranquelle (d. h. ein „reineres“ Uran) benötigen, um arbeiten.

Nuklearmedizin ist ein weiterer wichtiger Bereich für die Kernphysik. In der Nuklearmedizin werden dem Patienten sehr kleine Mengen radioaktiven Materials verabreicht, und dann werden Detektoren verwendet, um Bilder von der abgegebenen Strahlung zu erfassen. Dies hilft Ärzten bei der Diagnose von Nieren-, Schilddrüsen-, Herz- und anderen Erkrankungen.

Natürlich gibt es noch viele andere Bereiche, in denen die Kernphysik wesentlich ist, einschließlich der Hochenergiephysik und der Teilchenphysik Beschleuniger wie CERN und Astrophysik, wo viele der vorherrschenden Prozesse in Sternen stark von nuklearen Physik.