Η ατομική και η πυρηνική φυσική περιγράφουν και οι δύο τη φυσική των πολύ μικρών. Όταν εργάζεστε με τόσο μικρά αντικείμενα, η διαίσθησή σας που βασίζεται στην κατανόηση της κλασικής μηχανικής συχνά αποτυγχάνει. Αυτό είναι το βασίλειο της κβαντικής μηχανικής, των πυρηνικών δυνάμεων μικρής εμβέλειας, της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και του τυπικού μοντέλου της φυσικής των σωματιδίων.
Τι είναι η Ατομική Φυσική;
Η ατομική φυσική είναι ο κλάδος της φυσικής που ασχολείται με τη δομή του ατόμου, τις συνδεδεμένες ενεργειακές καταστάσεις και την αλληλεπίδραση του ατόμου με σωματίδια και πεδία. Αντίθετα, η πυρηνική φυσική επικεντρώνεται ειδικά στις εξελίξεις στον ατομικό πυρήνα, η οποία περιγράφεται λεπτομερέστερα στην επόμενη ενότητα.
Υπάρχουν πολλά αντικείμενα μελέτης στη φυσική των σωματιδίων. Πρώτα απ 'όλα είναι η δομή του ίδιου του ατόμου. Τα άτομα αποτελούνται από έναν σφιχτά συνδεδεμένο πυρήνα, ο οποίος περιέχει πρωτόνια και νετρόνια, και ένα διάχυτο νέφος ηλεκτρονίων.
Δεδομένου ότι ο πυρήνας είναι συνήθως της τάξης των 10
-15 έως 10-14 m σε διάμετρο και τα ίδια τα άτομα είναι της τάξης των 10-10 m σε διάμετρο (και το μέγεθος των ηλεκτρονίων είναι αμελητέο), αποδεικνύεται ότι τα άτομα είναι ως επί το πλείστον κενό χώρο. Φυσικά δεν φαίνονται σαν να είναι και όλο το θέμα που αποτελείται από άτομα σίγουρα μοιάζει με ουσία.Ο λόγος για τον οποίο τα άτομα δεν φαίνεται ότι είναι ως επί το πλείστον κενό χώρο είναι ότι φτιάχνετε επίσης άτομα και όλα τα άτομα αλληλεπιδρούν με την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Ακόμα κι αν το χέρι σας, το οποίο αποτελείται κυρίως από άτομα κενού χώρου, πιέζει πάνω σε ένα τραπέζι, επίσης αποτελείται κυρίως κενό χώρο, δεν περνά μέσα από τον πίνακα λόγω των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων μεταξύ των ατόμων καθώς μπαίνουν Επικοινωνία.
Ωστόσο, το νετρίνο, ένα σωματίδιο που δεν αλληλεπιδρά με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, είναι ικανό να διέλθει από τα περισσότερα ατομικά υλικά σχεδόν ανιχνεύσιμα. Στην πραγματικότητα, 100 τρισεκατομμύρια νετρίνα περνούν από το σώμα σας κάθε δευτερόλεπτο!
Ταξινόμηση Atom
Τα άτομα ταξινομούνται κατά ατομικό αριθμό στον περιοδικό πίνακα. Ο ατομικός αριθμός είναι ο αριθμός των πρωτονίων που περιέχει το άτομο στον πυρήνα του. Αυτός ο αριθμός καθορίζει το στοιχείο.
Ενώ ένα δεδομένο στοιχείο θα έχει πάντα τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, μπορεί να περιέχει διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων. Διαφορετικά ισότοπα ενός στοιχείου περιέχουν διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων. Μερικά ισότοπα είναι πιο σταθερά από άλλα (που σημαίνει λιγότερο πιθανό να αποσυντεθούν αυθόρμητα σε κάτι άλλο), και αυτή η σταθερότητα Συνήθως εξαρτάται από τον αριθμό των νετρονίων, γι 'αυτό, για τα περισσότερα στοιχεία, η πλειονότητα των ατόμων τείνουν να είναι ενός συγκεκριμένου ισότοπο.
Ο αριθμός ηλεκτρονίων που περιέχει ένα άτομο καθορίζει εάν είναι ιονισμένο ή φορτισμένο. Ένα ουδέτερο άτομο περιέχει τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων με τα πρωτόνια, αλλά μερικές φορές τα άτομα μπορούν να κερδίσουν ή να χάσουν ηλεκτρόνια και να φορτιστούν. Το πόσο εύκολα ένα άτομο κερδίζει ή χάνει ηλεκτρόνια εξαρτάται από την τροχιακή του δομή ηλεκτρονίων.
Το άτομο υδρογόνου είναι το απλούστερο άτομο, που περιέχει μόνο ένα πρωτόνιο στον πυρήνα του. Τα τρία πιο σταθερά ισότοπα του υδρογόνου είναι το πρωτόνιο (που δεν περιέχει νετρόνια), το δευτέριο (που περιέχει ένα νετρόνιο) και το τρίτιο (που περιέχει δύο νετρόνια) με το πρωτόνιο να είναι το πιο άφθονο.
Διάφορα μοντέλα του ατόμου έχουν προταθεί όλα αυτά τα χρόνια, οδηγώντας στο τρέχον μοντέλο. Η πρώιμη δουλειά έγινε από τους Ernest Rutherford, Niels Bohr και άλλους.
Φάσμα απορρόφησης και εκπομπών
Όπως αναφέρθηκε, τα άτομα αλληλεπιδρούν με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Τα πρωτόνια σε ένα άτομο φέρουν θετικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια φέρουν αρνητικό φορτίο. Τα ηλεκτρόνια στο άτομο μπορούν να απορροφήσουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και να επιτύχουν υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση ως αποτέλεσμα, ή εκπέμπουν ακτινοβολία και μετακινούνται σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση.
Μία βασική ιδιότητα αυτής της απορρόφησης και εκπομπής ακτινοβολίας είναι ότι τα άτομα απορροφούν και εκπέμπουν ακτινοβολία μόνο σε πολύ συγκεκριμένες ποσοτικές τιμές. Και για κάθε διαφορετικό τύπο ατόμου, αυτές οι συγκεκριμένες τιμές είναι διαφορετικές.
Ένα θερμό αέριο ατομικού υλικού θα εκπέμπει ακτινοβολία σε πολύ συγκεκριμένα μήκη κύματος. Εάν το φως που προέρχεται από αυτό το αέριο διέρχεται μέσω ενός φασματοσκοπίου, το οποίο απλώνει το φως σε ένα φάσμα κατά μήκος κύματος (όπως ένα ουράνιο τόξο), θα εμφανιστούν διαφορετικές γραμμές εκπομπών. Το σύνολο των γραμμών εκπομπών που προέρχονται από το αέριο μπορεί να διαβαστεί σχεδόν σαν γραμμωτός κώδικας που να σας λέει ακριβώς τι άτομα βρίσκονται στο αέριο.
Ομοίως, εάν υπάρχει συνεχές φάσμα φωτός σε ένα δροσερό αέριο, και τότε το φως που διέρχεται από αυτό το αέριο είναι τότε περάσει μέσα από ένα φασματοσκόπιο, θα δείτε ένα συνεχές φάσμα με σκοτεινά κενά στα συγκεκριμένα μήκη κύματος που το αέριο απορροφήθηκε. Αυτό το φάσμα απορρόφησης θα μοιάζει με το αντίστροφο του φάσματος εκπομπών, με τις σκοτεινές γραμμές να εμφανίζονται όπου οι φωτεινές γραμμές ήταν για το ίδιο αέριο. Ως εκ τούτου, μπορεί επίσης να διαβαστεί σαν γραμμωτός κώδικας που να σας λέει τη σύνθεση του αερίου. Οι αστρονόμοι το χρησιμοποιούν συνεχώς για να καθορίσουν τη σύνθεση του υλικού στο διάστημα.
Τι είναι η πυρηνική φυσική;
Η πυρηνική φυσική εστιάζει στον ατομικό πυρήνα, στις πυρηνικές αντιδράσεις και στην αλληλεπίδραση του πυρήνα με άλλα σωματίδια. Εξετάζει τη ραδιενεργή διάσπαση, την πυρηνική σύντηξη και την πυρηνική σχάση και τη δεσμευτική ενέργεια, μεταξύ άλλων θεμάτων.
Ο πυρήνας περιέχει μια σφιχτά συνδεδεμένη ομάδα πρωτονίων και νετρονίων. Ωστόσο, αυτά δεν είναι θεμελιώδη σωματίδια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ.
Τα κουάρκ είναι σωματίδια με κλασματικό φορτίο και κάπως ανόητα ονόματα. Έρχονται σε έξι λεγόμενες γεύσεις: πάνω, κάτω, πάνω, κάτω, παράξενα και γοητευτικά. Ένα νετρόνιο αποτελείται από δύο κάτω κουάρκ και ένα επάνω κουάρκ, και ένα πρωτόνιο αποτελείται από δύο πάνω κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ. Τα κουάρκ σε κάθε πυρήνα συνδέονται στενά από την ισχυρή πυρηνική δύναμη.
Η ισχυρή πυρηνική δύναμη διαμεσολαβείται από σωματίδια που ονομάζονται γλουόνια. Αισθάνεστε ένα θέμα; Οι επιστήμονες διασκεδάζουν με την ονομασία αυτών των σωματιδίων! Οι Gluons, φυσικά, «κολλούν» τα κουάρκ μαζί. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη δρα σε πολύ μικρή απόσταση - σε απόσταση συγκρίσιμη με τη διάμετρο του πυρήνα μέσου μεγέθους.
Δεσμευτική Ενέργεια
Κάθε απομονωμένο νετρόνιο έχει μάζα 1,6749275 × 10-27 kg, και κάθε απομονωμένο πρωτόνιο έχει μάζα 1,6726219 × 10-27 κιλό; Ωστόσο, όταν συνδέεται μεταξύ τους σε έναν ατομικό πυρήνα, η ατομική μάζα δεν είναι το άθροισμα των συστατικών του τμημάτων εξαιτίας κάτι που ονομάζεται δεσμευτική ενέργεια.
Με τη δέσμευση σφιχτά, τα νουκλεόνια επιτυγχάνουν χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ως αποτέλεσμα μέρους της συνολικής μάζας που είχαν ως μεμονωμένα σωματίδια που μετατράπηκαν σε ενέργεια. Αυτή η διαφορά μάζας που μετατρέπεται σε ενέργεια ονομάζεται δεσμευτική ενέργεια του πυρήνα. Η σχέση που περιγράφει πόση ενέργεια αντιστοιχεί σε μια δεδομένη ποσότητα μάζας είναι διάσημη του Αϊνστάιν Ε = mc2 εξίσωση όπου Μ είναι η μάζα, ντο είναι η ταχύτητα του φωτός και μι είναι η ενέργεια.
Μια σχετική έννοια είναι η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο, η οποία είναι η συνολική ενέργεια δέσμευσης ενός πυρήνα κατά μέσο όρο στα συστατικά μέρη του. Η δεσμευτική ενέργεια ανά νουκλεόνιο είναι ένας καλός δείκτης του πόσο σταθερός είναι ένας πυρήνας. Μια ενέργεια χαμηλής δέσμευσης ανά νουκλεόνιο δείχνει ότι μπορεί να υπάρξει μια πιο ευνοϊκή κατάσταση χαμηλότερης συνολικής ενέργειας συγκεκριμένο πυρήνα, που σημαίνει ότι πιθανότατα θα θέλει είτε να χωριστεί είτε να συγχωνευθεί με έναν άλλο πυρήνα κάτω από το σωστό συνθήκες.
Γενικά, οι πυρήνες ελαφρύτεροι από τους πυρήνες σιδήρου τείνουν να επιτυγχάνουν χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις και υψηλότερη ενέργεια δέσμευσης ανά πυρήνα, με τήξη με άλλους πυρήνες, ενώ οι πυρήνες που είναι βαρύτεροι από το σίδηρο τείνουν να επιτυγχάνουν χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις διασπώντας σε ελαφρύτερους πυρήνες. Οι διαδικασίες με τις οποίες εμφανίζονται αυτές οι αλλαγές περιγράφονται στην επόμενη ενότητα.
Φάση, σύντηξη και ραδιενεργός αποσύνθεση
Το κύριο επίκεντρο της πυρηνικής φυσικής είναι η μελέτη της σχάσης, της σύντηξης και της αποσύνθεσης των ατομικών πυρήνων. Αυτές οι διαδικασίες καθοδηγούνται από μια θεμελιώδη αντίληψη ότι όλα τα σωματίδια προτιμούν τις χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις.
Η σχάση συμβαίνει όταν ένας βαρύς πυρήνας χωρίζεται σε μικρότερους πυρήνες. Πολύ βαριοί πυρήνες είναι πιο επιρρεπείς σε αυτό επειδή έχουν μικρότερη ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο. Όπως ίσως θυμάστε, υπάρχουν μερικές δυνάμεις που διέπουν το τι συμβαίνει σε έναν ατομικό πυρήνα. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη συνδέει στενά τα νουκλεόνια μεταξύ τους, αλλά είναι μια δύναμη πολύ μικρής εμβέλειας. Έτσι, για πολύ μεγάλους πυρήνες, είναι λιγότερο αποτελεσματικό.
Τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια στον πυρήνα επίσης απωθούν μεταξύ τους μέσω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Αυτή η απώθηση πρέπει να ξεπεραστεί από την ισχυρή πυρηνική δύναμη και μπορεί επίσης να μεσολαβηθεί έχοντας αρκετά νετρόνια γύρω. Όμως όσο μεγαλύτερος είναι ο πυρήνας, τόσο λιγότερο ευνοϊκή είναι η ισορροπία δύναμης για σταθερότητα.
Ως εκ τούτου, οι μεγαλύτεροι πυρήνες τείνουν να θέλουν να διαχωριστούν είτε μέσω ραδιενεργών διεργασιών αποσύνθεσης, είτε μέσω αντιδράσεων σχάσης όπως αυτές που συμβαίνουν σε πυρηνικούς αντιδραστήρες ή σε βόμβες σχάσης.
Η σύντηξη συμβαίνει όταν δύο ελαφρύτεροι πυρήνες επιτυγχάνουν μια πιο ευνοϊκή ενεργειακή κατάσταση συνδυάζοντας σε έναν βαρύτερο πυρήνα. Ωστόσο, για να συμβεί η σχάση, οι εν λόγω πυρήνες πρέπει να βρίσκονται αρκετά κοντά ο ένας στον άλλο, ώστε να μπορεί να αναλάβει η ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να κινούνται αρκετά γρήγορα, ώστε να μπορούν να ξεπεράσουν την ηλεκτρική απώθηση.
Οι πυρήνες κινούνται γρήγορα σε ακραίες θερμοκρασίες, επομένως απαιτείται συχνά αυτή η κατάσταση. Έτσι είναι δυνατή η πυρηνική σύντηξη στον εξαιρετικά καυτό πυρήνα του ήλιου. Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες προσπαθούν ακόμη να βρουν έναν τρόπο για να συμβεί η κρύα σύντηξη - δηλαδή η σύντηξη σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Δεδομένου ότι η ενέργεια απελευθερώνεται στη διαδικασία σύντηξης και δεν αφήνει ραδιενεργά απόβλητα όπως τείνουν να κάνουν οι αντιδραστήρες σχάσης, θα ήταν ένας απίστευτος ενεργειακός πόρος εάν επιτευχθεί.
Η ραδιενεργή διάσπαση είναι ένα κοινό μέσο με το οποίο οι πυρήνες υφίστανται αλλαγές για να γίνουν πιο σταθεροί. Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι διάσπασης: αλφα αποσύνθεση, βήτα αποσύνθεση και γάμμα αποσύνθεση.
Στην αλφα αποσύνθεση, ένας ραδιενεργός πυρήνας απελευθερώνει ένα σωματίδιο άλφα (πυρήνας ηλίου-4) και γίνεται πιο σταθερό ως αποτέλεσμα. Η αποσύνθεση βήτα έρχεται σε μερικές ποικιλίες, αλλά στην ουσία προκύπτει είτε από ένα νετρόνιο που γίνεται πρωτόνιο είτε από ένα πρωτόνιο που γίνεται νετρόνιο και απελευθερώνει β- ή β+ σωματίδιο (ένα ηλεκτρόνιο ή ένα ποζιτρόνιο). Η διάσπαση γάμμα συμβαίνει όταν ένας πυρήνας σε διεγερμένη κατάσταση απελευθερώνει ενέργεια με τη μορφή ακτίνων γάμμα, αλλά διατηρεί τον συνολικό αριθμό νετρονίων και πρωτονίων.
Το πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής
Η μελέτη της πυρηνικής φυσικής επεκτείνεται στο μεγαλύτερο πεδίο της σωματιδιακής φυσικής, η οποία στοχεύει στην κατανόηση της λειτουργίας όλων των θεμελιωδών σωματιδίων. Το τυπικό μοντέλο ταξινομεί τα σωματίδια σε φερμιόνια και μποζόνια, και στη συνέχεια ταξινομεί περαιτέρω τα φερμιόνια σε κουάρκ και λεπτόνια, και τα μποζόνια σε μετρητές και κλιμακωτά μποζόνια.
Τα Bosons δεν τηρούν τους νόμους διατήρησης αριθμών, αλλά τα fermions τηρούν. Υπάρχει επίσης ένας νόμος διατήρησης τόσο για τους αριθμούς λέπτον όσο και για το κουάρκ, εκτός από άλλες συντηρημένες ποσότητες. Οι αλληλεπιδράσεις των θεμελιωδών σωματιδίων μεσολαβούνται από τα μποζόνια μεταφοράς ενέργειας.
Εφαρμογές της Πυρηνικής Φυσικής και της Ατομικής Φυσικής
Οι εφαρμογές της πυρηνικής και της ατομικής φυσικής είναι άφθονες. Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες στα πυρηνικά εργοστάσια δημιουργούν καθαρή ενέργεια αξιοποιώντας την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια των διαδικασιών σχάσης. Η πυρηνική ιατρική χρησιμοποιεί ραδιενεργά ισότοπα για απεικόνιση. Οι αστροφυσικοί χρησιμοποιούν φασματοσκοπία για να προσδιορίσουν τη σύνθεση των απομακρυσμένων νεφελωμάτων. Η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού επιτρέπει στους γιατρούς να δημιουργούν λεπτομερείς εικόνες από τα εσωτερικά τους ασθενείς. Ακόμη και η τεχνολογία ακτίνων Χ χρησιμοποιεί πυρηνική φυσική.