Πυρηνική Φυσική: Τι είναι, ποιος το ανακάλυψε και γιατί είναι σημαντικό;

Αρκετές συννεφιασμένες μέρες στο Παρίσι το 1896 «κατέστρεψαν» το πείραμα του Henri Becquerel, αλλά στη διαδικασία γεννήθηκε το πεδίο της πυρηνικής φυσικής. Ο Μπέκερελ βγήκε για να αποδείξει την υπόθεσή του ότι το ουράνιο απορρόφησε το φως του ήλιου και το εκπέμπει εκ νέου με τη μορφή ακτίνων Χ, που είχαν ανακαλυφθεί τον προηγούμενο χρόνο.

Το σχέδιο του Becquerel ήταν να φέρει το θειικό ουρανύλιο του καλίου στο φως του ήλιου και στη συνέχεια να το φέρει σε επαφή με φωτογραφικές πλάκες τυλιγμένες σε μαύρο χαρτί, επειδή ενώ το ορατό φως δεν θα μπορούσε να φτάσει μέσα από τις ακτίνες Χ θα. Παρά την έλλειψη ηλιακού φωτός, αποφάσισε να περάσει τη διαδικασία ούτως ή άλλως, και σοκαρίστηκε όταν ανακάλυψε εικόνες που έχουν ακόμα εγγραφεί στο φωτογραφικό πιάτο.

Περαιτέρω δοκιμές έδειξαν ότι δεν ήταν καθόλου ακτινογραφίες, παρά τις υποθέσεις του. Η διαδρομή του φωτός δεν λυγίζεται από ένα μαγνητικό πεδίο, αλλά από το ακτινοβολία από το ουράνιο παραμορφώθηκε από ένα, και αυτό - μαζί με το πρώτο αποτέλεσμα - ήταν πώς ανακαλύφθηκε η ακτινοβολία. Η Marie Curie επινόησε τον όρο ραδιενέργεια, και μαζί με τον σύζυγό της Pierre, ανακάλυψαν πολώνιο και ράδιο, εντοπίζοντας τις ακριβείς πηγές της ραδιενέργειας.

Αργότερα, ο Ernest Rutherford βρήκε τους όρους σωματίδια άλφα, σωματίδια βήτα και σωματίδια γάμμα για το ακτινοβολημένο υλικό και το πεδίο πυρηνική φυσική πραγματικά πήγαινε.

Φυσικά, οι άνθρωποι γνωρίζουν πολύ περισσότερα για την πυρηνική φυσική από ό, τι έκαναν στις αρχές του 20ου αιώνα και είναι ένα κρίσιμο θέμα για την κατανόηση και τη μάθηση για κάθε φοιτητή φυσικής. Είτε θέλετε να κατανοήσετε τη φύση της πυρηνικής ενέργειας, τις ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις είτε να συμβάλλετε σε τομείς όπως η πυρηνική ιατρική, η εκμάθηση των βασικών είναι απαραίτητη.

Η πυρηνική φυσική είναι ουσιαστικά η φυσική του πυρήνα, το μέρος του ατόμου που περιέχει τα δύο πιο γνωστά "Αδρονίων" πρωτόνια και νετρόνια.

Συγκεκριμένα, εξετάζει τις δυνάμεις που λειτουργούν στο πυρήνας (η ισχυρή αλληλεπίδραση που ενώνει τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα, καθώς και τη συγκράτηση του συστατικού τους κουάρκ μαζί, και η αδύναμη αλληλεπίδραση που σχετίζεται με ραδιενεργή διάσπαση), και η αλληλεπίδραση πυρήνων με άλλους σωματίδια.

Η πυρηνική φυσική καλύπτει θέματα όπως η πυρηνική σύντηξη (που σχετίζεται με τη δεσμευτική ενέργεια διαφόρων στοιχείων), την πυρηνική σχάση (η οποία είναι η διάσπαση των βαρέων στοιχείων για την παραγωγή ενέργειας) καθώς και η ραδιενεργή διάσπαση και η βασική δομή και δυνάμεις που παίζονται στο πυρήνας.

Υπάρχουν πολλές πρακτικές εφαρμογές του πεδίου, συμπεριλαμβανομένης (αλλά δεν περιορίζονται σε) εργασίας στην πυρηνική ενέργεια, την πυρηνική ιατρική και τη φυσική υψηλής ενέργειας.

Ενα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα, ο οποίος περιέχει τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια και τα μη φορτισμένα νετρόνια, που συγκρατούνται από την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτά περιβάλλονται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, τα οποία σχηματίζουν αυτό που ονομάζεται «σύννεφο» γύρω από τον πυρήνα και ο αριθμός των ηλεκτρονίων αντιστοιχεί στον αριθμό των πρωτονίων σε ένα ουδέτερο άτομο.

Υπήρξαν πολλά μοντέλα του ατόμου που προτάθηκαν σε όλη την ιστορία της φυσικής, συμπεριλαμβανομένου του «δαμάσκηνου» του Thomson μοντέλο "πουτίγκα", "πλανητικό" μοντέλο Rutherford και Bohr και το σύγχρονο, κβαντικό μηχανικό μοντέλο που περιγράφεται πάνω από.

Ο πυρήνας είναι μικροσκοπικός, περίπου 10⁻¹⁵ m, που περιέχει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του ατόμου, ενώ ολόκληρο το άτομο είναι της τάξης των 10⁻¹⁰ Μ. Μην αφήσετε τη σημειογραφία να σας ξεγελάσει - αυτό σημαίνει ότι ο πυρήνας είναι περίπου 100.000 φορές μικρότερος από το άτομο συνολικά, αλλά περιέχει τη συντριπτική πλειοψηφία του θέματος. Άρα το άτομο είναι κυρίως κενο διαστημα!

Η μάζα του ατόμου δεν είναι ακριβώς η ίδια με τη μάζα των συστατικών μερών: αν προσθέσετε τις μάζες του πρωτόνια και νετρόνια, ξεπερνά ήδη τη μάζα του ατόμου, πριν καν λάβετε υπόψη την πολύ μικρότερη μάζα του ηλεκτρόνιο.

Αυτό ονομάζεται "μάζα μάζας" του ατόμου και αν μετατρέψετε αυτήν τη διαφορά σε ενέργεια χρησιμοποιώντας τη διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν μι = mc², παίρνετε τη «δεσμευτική ενέργεια» του πυρήνα.

Αυτή είναι η ενέργεια που θα πρέπει να βάλετε στο σύστημα για να χωρίσετε τον πυρήνα στα συστατικά του πρωτόνια και νετρόνια. Αυτές οι ενέργειες είναι πολύ, πολύ μεγαλύτερες από την ενέργεια που απαιτείται για την αφαίρεση ενός ηλεκτρονίου από την «τροχιά» του γύρω από τον πυρήνα.

Οι δύο τύποι πρωτόνιο στον πυρήνα του ατόμου (δηλαδή σωματίδια του πυρήνα) είναι το πρωτόνιο και το νετρόνιο, και αυτά συνδέονται στενά μεταξύ τους στον πυρήνα του ατόμου.

Αν και αυτά είναι γενικά τα νουκλεόνια που θα ακούσετε, δεν είναι πραγματικά θεμελιώδη σωματίδια στο πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων. Το πρωτόνιο και το νετρόνιο αποτελούνται και από τα θεμελιώδη σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, που έρχονται σε έξι «γεύσεις» και το καθένα φέρει ένα κλάσμα του φορτίου ενός πρωτονίου ή ενός ηλεκτρονίου.

Ένα επάνω κουάρκ έχει 2/3 μι χρέωση, πού μι είναι η φόρτιση ενός ηλεκτρονίου, ενώ ένα κάτω κουάρκ έχει −1/3 μι χρέωση. Αυτό σημαίνει ότι δύο συνδυασμένα κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ θα παράγουν ένα σωματίδιο με θετικό φορτίο μεγέθους μι, που είναι ένα πρωτόνιο. Από την άλλη πλευρά, ένα επάνω κουάρκ και δύο κάτω κουάρκ παράγουν ένα σωματίδιο χωρίς συνολικό φορτίο, το νετρόνιο.

Το πρότυπο μοντέλο καταγράφει όλα τα θεμελιώδη σωματίδια που είναι γνωστά σήμερα και τα ομαδοποιεί σε δύο κύριες ομάδες: φερμιόνια και μποζόνια. Φερμιόνια υποδιαιρούνται σε κουάρκ (τα οποία με τη σειρά τους παράγουν αδρόνια όπως πρωτόνια και νετρόνια) και λεπτόνια (που περιλαμβάνουν ηλεκτρόνια και νετρίνα), και μποζόνια υποδιαιρούνται σε μετρητές και βαθμίδες μποζόνια.

Το Higgs Boson είναι το μόνο βαθμωτό μποζόνιο που είναι γνωστό μέχρι τώρα, με τα άλλα μποζόνια - το φωτονίο, gluon, Ζ- μποζόνια και Δ μποζόνια - είναι μποζόνια μετρητή.

Τα φερμιόνια, σε αντίθεση με τα μποζόνια, υπακούουν στους «νόμους διατήρησης αριθμών». Για παράδειγμα, υπάρχει ένας νόμος διατήρησης του αριθμού λεπτονίου, ο οποίος εξηγεί πράγματα όπως τα σωματίδια που παράγονται ως μέρος της πυρηνικής αποσύνθεσης διεργασίες (επειδή η δημιουργία ενός ηλεκτρονίου με lepton αριθμός 1, για παράδειγμα, πρέπει να εξισορροπηθεί με τη δημιουργία ενός άλλου σωματιδίου με lepton αριθμός −1, όπως ένα ηλεκτρονικό αντι-νετρίνο).

Ο αριθμός κουάρκ διατηρείται επίσης, και υπάρχουν και άλλες συντηρημένες ποσότητες.

Τα μποζόνια είναι σωματίδια που φέρουν δύναμη και έτσι οι αλληλεπιδράσεις των θεμελιωδών σωματιδίων μεσολαβούνται από τα μποζόνια. Για παράδειγμα, η αλληλεπίδραση των κουάρκ διαμεσολαβείται από γλουόνια και οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις προκαλούνται από φωτόνια.

Αν και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη ισχύει στον πυρήνα, οι κύριες δυνάμεις που πρέπει να λάβετε υπόψη είναι οι ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη μεταφέρεται από γλουόνια και η ασθενής πυρηνική δύναμη μεταφέρεται από Δ^± και το Ζ⁰ μποζόνια.

Όπως υποδηλώνει το όνομα, η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι η ισχυρότερη από όλες τις θεμελιώδεις δυνάμεις, ακολουθούμενη από ηλεκτρομαγνητισμό (10)² φορές πιο αδύναμη), η ασθενής δύναμη (10⁶ φορές πιο αδύναμη) και βαρύτητα (10⁴⁰ φορές πιο αδύναμη). Η τεράστια διαφορά μεταξύ της βαρύτητας και των υπόλοιπων δυνάμεων είναι γιατί οι φυσικοί την παραμελούν ουσιαστικά όταν συζητούν την ύλη σε ατομικό επίπεδο.

Η ισχυρή δύναμη ανάγκες των να είμαστε δυνατοί για να ξεπεράσουμε την ηλεκτρομαγνητική απώθηση μεταξύ των θετικά φορτισμένων πρωτονίων στον πυρήνα - εάν είχε ήταν πιο αδύναμη από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, κανένα άτομο με περισσότερα από ένα πρωτόνια στον πυρήνα δεν θα μπορούσε να μορφή. Ωστόσο, η ισχυρή δύναμη έχει πολύ μικρής εμβέλειας.

Αυτό είναι σημαντικό επειδή δείχνει γιατί η δύναμη δεν είναι αισθητή ακόμη και στην κλίμακα ολόκληρων ατόμων ή μόρια, αλλά επίσης σημαίνει ότι η ηλεκτρομαγνητική απώθηση καθίσταται πιο σχετική για βαρείς πυρήνες (δηλ. μεγαλύτερα άτομα). Αυτός είναι ένας από τους λόγους που οι ασταθείς πυρήνες είναι συχνά εκείνοι των βαριών στοιχείων.

Η αδύναμη δύναμη έχει επίσης ένα πολύ μικρό εύρος, και ουσιαστικά προκαλεί τα κουάρκ να αλλάξουν γεύση. Αυτό μπορεί να προκαλέσει το πρωτόνιο να γίνει νετρόνιο και το αντίστροφο, και έτσι μπορεί να θεωρηθεί ως η αιτία πυρηνική αποσύνθεση διεργασίες όπως beta plus και μείον αποσύνθεση.

Υπάρχουν τρεις τύποι ραδιενεργής διάσπασης: άλφα διάσπαση, βήτα διάσπαση και γάμμα διάσπαση. Η διάσπαση άλφα είναι όταν ένα άτομο αποσυντίθεται απελευθερώνοντας ένα «σωματίδιο άλφα», που είναι ένας άλλος όρος για έναν πυρήνα ηλίου.

Υπάρχουν τρεις υπό-τύποι διάσπασης βήτα, αλλά όλοι περιλαμβάνουν ένα πρωτόνιο που μετατρέπεται σε νετρόνιο ή το αντίστροφο. Μια beta μείον αποσύνθεση είναι όταν ένα νετρόνιο γίνεται πρωτόνιο και απελευθερώνει ένα ηλεκτρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο αντι-νετρίνο στη διαδικασία, ενώ σε βήτα συν αποσύνθεση, ένα πρωτόνιο γίνεται νετρόνιο και απελευθερώνει ένα ποζιτρόνιο (δηλαδή ένα αντι-ηλεκτρόνιο) και ένα ηλεκτρόνιο νετρίνο.

Κατά τη δέσμευση ηλεκτρονίων, ένα ηλεκτρόνιο από τα εξωτερικά μέρη του ατόμου απορροφάται στον πυρήνα και ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο και απελευθερώνεται ένα νετρίνο από τη διαδικασία.

Η διάσπαση γάμμα είναι μια αποσύνθεση όπου απελευθερώνεται ενέργεια αλλά τίποτα στο άτομο δεν αλλάζει. Αυτό είναι ανάλογο με τον τρόπο που απελευθερώνεται ένα φωτόνιο όταν ένα ηλεκτρόνιο κάνει μετάβαση από κατάσταση υψηλής ενέργειας σε κατάσταση χαμηλής ενέργειας. Ένας διεγερμένος πυρήνας κάνει μετάβαση σε κατάσταση χαμηλής ενέργειας και εκπέμπει μια ακτίνα γάμμα όπως συμβαίνει.

Πυρηνική σύντηξη είναι όταν δύο πυρήνες συντήκονται και δημιουργούν έναν βαρύτερο πυρήνα. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο η ενέργεια παράγεται στον ήλιο και η πραγματοποίηση της διαδικασίας στη Γη για παραγωγή ενέργειας είναι ένας από τους μεγαλύτερους στόχους της πειραματικής φυσικής.

Το πρόβλημα είναι ότι απαιτεί εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, και επομένως πολύ υψηλά επίπεδα ενέργειας. Ωστόσο, εάν το επιτύχουν οι επιστήμονες, η σύντηξη θα μπορούσε να γίνει μια ζωτική πηγή ενέργειας καθώς η κοινωνία συνεχίζει να μεγαλώνει και καταναλώνουμε αυξανόμενες ποσότητες ενέργειας.

Πυρηνική διάσπαση είναι ο διαχωρισμός ενός βαρύ στοιχείου σε δύο ελαφρύτερους πυρήνες, και αυτό είναι που τροφοδοτεί τη σημερινή γενιά πυρηνικών αντιδραστήρων.

Η σχάση είναι επίσης η αρχή λειτουργίας των πυρηνικών όπλων, που είναι ένας από τους κύριους λόγους για τον οποίο είναι μια αμφιλεγόμενη περιοχή. Στην πράξη, η σχάση λειτουργεί μέσω μιας σειράς αλυσιδωτών αντιδράσεων. Ένα νετρόνιο που δημιουργεί την αρχική διάσπαση σε ένα βαρύ στοιχείο όπως το ουράνιο, δημιουργεί ένα επιπλέον ελεύθερο νετρόνιο μετά την αντίδραση, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να συνεχίσει να προκαλεί άλλη διάσπαση και ούτω καθεξής.

Ουσιαστικά, και οι δύο αυτές διαδικασίες κερδίζουν ενέργεια μέσω του μι = mc² σχέση, δεδομένου ότι η τήξη ή διάσπαση ατόμων συνεπάγεται απελευθέρωση ενέργειας από τη «λείπει μάζα».

Υπάρχει ένα τεράστιο φάσμα εφαρμογών πυρηνικής φυσικής. Συγκεκριμένα, οι πυρηνικοί αντιδραστήρες και οι πυρηνικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας λειτουργούν σε πολλές χώρες σε όλο τον κόσμο και πολλοί φυσικοί εργάζονται σε νέα και ασφαλέστερα σχέδια.

Για παράδειγμα, ορισμένα σχέδια πυρηνικών αντιδραστήρων στοχεύουν να διασφαλίσουν ότι το αρχικό υλικό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί δημιουργήστε πυρηνικά όπλα, τα οποία απαιτούν μια πολύ πιο εμπλουτισμένη πηγή ουρανίου (δηλ. "καθαρότερο" ουράνιο) λειτουργεί.

Πυρηνική ιατρική είναι ένας άλλος σημαντικός τομέας για την πυρηνική φυσική. Η πυρηνική ιατρική περιλαμβάνει πολύ μικρές ποσότητες ραδιενεργού υλικού που χορηγούνται στον ασθενή και στη συνέχεια χρησιμοποιούνται ανιχνευτές για τη λήψη εικόνων από την εκπεμπόμενη ακτινοβολία. Αυτό βοηθά τους γιατρούς να διαγνώσουν νεφρούς, θυρεοειδή, καρδιά και άλλες παθήσεις.

Φυσικά, υπάρχουν πολλοί άλλοι τομείς όπου η πυρηνική φυσική είναι ουσιαστικά, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής ενέργειας φυσικής και των σωματιδίων επιταχυντές όπως το CERN και η αστροφυσική, όπου πολλές από τις κυρίαρχες διεργασίες στα αστέρια εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την πυρηνική η φυσικη.