Ydin- ja atomifysiikka (fysiikka): Opas aloittelijoille

Sekä atomi- että ydinfysiikka kuvaavat hyvin pienten fysiikkaa. Kun työskentelet tällaisten pienten esineiden kanssa, intuitiosi, joka on rakennettu ymmärryksestäsi klassisesta mekaniikasta, epäonnistuu usein. Tämä on kvanttimekaniikan, lyhyen kantaman ydinvoimien, sähkömagneettisen säteilyn ja hiukkasten fysiikan vakiomalli.

Atomifysiikka on fysiikan haara, joka käsittelee atomin rakennetta, siihen liittyviä energiatiloja ja atomin vuorovaikutusta hiukkasten ja kenttien kanssa. Sitä vastoin ydinfysiikka keskittyy erityisesti atomiatumassa tapahtuviin menoihin, joita kuvataan tarkemmin seuraavassa osassa.

Hiukkasfysiikassa on useita opintoja. Ensinnäkin on itse atomin rakenne. Atomit koostuvat tiiviisti sitoutuneesta ytimestä, joka sisältää protoneja ja neutroneja, ja diffuusista elektronipilvestä.

Ottaen huomioon, että ydin on yleensä luokkaa 10^-15 10: een^-14 m halkaisijaltaan, ja atomit itse ovat luokkaa 10^-10 m halkaisijaltaan (ja elektronien koko on merkityksetön), käy ilmi, että atomit ovat enimmäkseen tyhjää tilaa. Tietenkään ne eivät tunnu olevan ja kaikki atomeista tehdyt aineet tuntuvat varmasti aineilta.

Syy siihen, että atomit eivät tunnu olevan enimmäkseen tyhjää tilaa, on se, että sinäkin olet valmistettu atomeista, ja kaikki atomit ovat vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen energian kanssa. Vaikka kätesi, joka koostuu enimmäkseen tyhjän tilan atomeista, painaa pöytää, joka myös koostuu pääosin tyhjä tila, se ei kulje pöydän läpi atomien välisten sähkömagneettisten voimien takia, kun ne tulevat ottaa yhteyttä.

Neutriini, hiukkanen, joka ei ole vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen voiman kanssa, pystyy kuitenkin kulkemaan useimpien atomimateriaalien läpi käytännössä huomaamatta. Itse asiassa 100 biljoonaa neutriinoa kulkee kehosi läpi joka sekunti!

Atomit luokitellaan jaksollisessa taulukossa atomiluvun mukaan. Atomiluku on protonien määrä, jonka atomi sisältää ytimessään. Tämä numero määrittää elementin.

Vaikka tietyllä elementillä on aina sama määrä protoneja, se voi sisältää eri lukumäärän neutroneja. Elementin eri isotoopit sisältävät erilaisen määrän neutroneja. Jotkut isotoopit ovat vakaampia kuin toiset (eli vähemmän todennäköisesti spontaanisti hajoaa joksikin muuksi), ja tämä stabiilisuus tyypillisesti riippuu neutronien lukumäärästä, minkä vuoksi useimmille alkuaineille suurin osa atomeista on yleensä yhtä spesifistä isotooppi.

Elektronin määrä, jonka atomi sisältää, määrittää onko se ionisoitu vai varautunut. Neutraali atomi sisältää saman määrän elektroneja kuin protonit, mutta joskus atomit voivat saada tai menettää elektroneja ja latautua. Kuinka helposti atomi hankkii tai menettää elektroneja, riippuu sen elektronirata-alueesta.

Vetyatomi on yksinkertaisin atomi, jonka ytimessä on vain yksi protoni. Kolme vakainta vetyisotooppia ovat protium (ei sisällä neutroneja), deuterium (sisältää yhden neutronin) ja tritium (sisältää kaksi neutronia), ja protium on eniten.

Vuosien varrella on ehdotettu erilaisia ​​atomimalleja, jotka johtavat nykyiseen malliin. Varhaisen työn tekivät Ernest Rutherford, Niels Bohr ja muut.

Kuten mainittiin, atomit ovat vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen voiman kanssa. Atomissa olevilla protoneilla on positiivinen varaus ja elektronilla negatiivinen varaus. Atomissa olevat elektronit voivat absorboida sähkömagneettista säteilyä ja saavuttaa sen seurauksena korkeamman energiatilan tai lähettää säteilyä ja siirtyä pienempään energiatilaan.

Yksi tämän säteilyn absorboivan ja emittoivan tärkeimmistä ominaisuuksista on, että atomit absorboivat ja lähettävät säteilyä vain hyvin spesifisillä kvantisoiduilla arvoilla. Ja jokaiselle erityyppiselle atomille nämä erityisarvot ovat erilaiset.

Kuuma atomimateriaalikaasu lähettää säteilyä hyvin tietyillä aallonpituuksilla. Jos tästä kaasusta tulevaa valoa viedään spektroskoopin läpi, joka levittää valon spektriksi aallonpituudella (kuten sateenkaari), näkyviin tulevat erilliset säteilyviivat. Joukko kaasusta tulevia päästölinjoja voidaan lukea melkein kuin viivakoodi, joka kertoo tarkalleen mitä atomeja kaasussa on.

Vastaavasti, jos viileään kaasuun kohdistuu jatkuva valonspektri ja tämän kaasun läpi kulkeva valo on silloin kulkiessaan spektroskoopin läpi, näet jatkuvan spektrin, jossa on tummat aukot kaasun erityisillä aallonpituuksilla imeytynyt. Tämä absorptiospektri näyttää käänteiseltä emissiospektriltä, ​​tummat viivat näkyvät kirkkaiden viivojen kohdalla samalle kaasulle. Sellaisena se voidaan myös lukea kuin viivakoodi, joka kertoo kaasun koostumuksen. Tähtitieteilijät käyttävät tätä koko ajan materiaalin koostumuksen määrittämiseen avaruudessa.

Ydinfysiikka keskittyy atomituumaan, ydinreaktioihin ja ytimen vuorovaikutukseen muiden hiukkasten kanssa. Siinä tutkitaan muun muassa radioaktiivista hajoamista, ydinfuusiota ja fissiota sekä sitovaa energiaa.

Ydin sisältää tiukasti sitoutuneen protonien ja neutronien kasaan. Nämä eivät kuitenkaan ole perushiukkasia. Protonit ja neutronit on valmistettu vielä pienemmistä hiukkasista, joita kutsutaan kvarkit.

Kvarkit ovat hiukkasia, joilla on murto-varaus ja hieman typeriä nimiä. Niitä on kuusi ns. Makua: ylös, alas, ylhäältä, alhaalta, outoa ja viehättävää. Neutroni koostuu kahdesta alas kvarkista ja ylös kvarkista, ja protoni koostuu kahdesta ylös kvarkista ja alas kvarkista. Kummankin nukleonin kvarkit ovat tiukasti sidottu voimakkaalla ydinvoimalla.

Vahva ydinvoima välittyvät kutsutut hiukkaset gluonit. Aistitko aiheen? Tutkijoilla oli hauskaa nimetä nämä hiukkaset! Gluonit tietysti “liimaavat” kvarkit yhteen. Vahva ydinvoima vaikuttaa vain hyvin lyhyellä etäisyydellä - etäisyydellä, joka on verrattavissa keskikokoisen ytimen halkaisijaan.

Jokaisen eristetyn neutronin massa on 1,6749275 × 10^-27 kg, ja jokaisen eristetyn protonin massa on 1,6726219 × 10^-27 kg; sitoutuneena toisiinsa atomiytimessä atomimassa ei kuitenkaan ole sen osatekijöiden summa johtuen sitoutumisenergiasta kutsutusta.

Tunkeutumalla tiukasti nukleonit saavuttavat pienemmän energiatilan seurauksena siitä, että osa kokonaismassasta, joka heillä oli yksittäisinä hiukkasina, muuttuu energiaksi. Tätä massaeroa, joka muunnetaan energiaksi, kutsutaan ytimen sitovaksi energiaksi. Suhde, joka kuvaa kuinka paljon energiaa vastaa tiettyä massaa, on Einsteinin kuuluisa E = mc² yhtälö missä m on massa, c on valon nopeus ja E on energiaa.

Liittyvä käsite on sitoutumisenergia nukleonia kohden, joka on ytimen kokonais sitoutumisenergia keskimäärin sen osiin nähden. Sitoutumisenergia nukleonia kohden on hyvä osoitus siitä, kuinka vakaa ydin on. Alhainen sitoutumisenergia nukleonia kohden osoittaa, että sille voi olla edullisempi tila, jolla on pienempi kokonaisenergia tietyn ytimen, mikä tarkoittaa, että se todennäköisesti haluaa joko hajota tai sulautua toisen ytimen kanssa varsinaisen ytimen alle olosuhteissa.

Yleensä rautaytimiä kevyemmillä ytimillä on taipumus saavuttaa pienempi energiatila ja suurempi sitoutumisenergia ydintä kohden yhdistämällä muiden ytimien kanssa, kun taas rautaa raskaammilla ytimillä on taipumus saavuttaa pienempi energiatila hajoamalla kevyemmiksi ytimet. Prosessit, joilla nämä muutokset tapahtuvat, on kuvattu seuraavassa osassa.

Ydinfysiikan pääpaino on atomituumien fissioiden, fuusioiden ja hajoamisen tutkimisessa. Näitä prosesseja ohjaa peruskäsite, jonka mukaan kaikki hiukkaset suosivat pienemmän energian tilaa.

Fissio tapahtuu, kun raskas ydin hajoaa pienempiin ytimiin. Erittäin raskaat ytimet ovat alttiimpia tekemään niin, koska niillä on pienempi sitoutumisenergia nukleonia kohden. Kuten ehkä muistat, on olemassa muutama voima, jotka hallitsevat sitä, mitä atomiytimessä tapahtuu. Vahva ydinvoima sitoo tiukasti nukleonit yhteen, mutta se on hyvin lyhyen kantaman voima. Joten erittäin suurille ytimille se on vähemmän tehokas.

Ytimen positiivisesti varautuneet protonit hylkäävät toisiaan myös sähkömagneettisen voiman kautta. Vahva ydinvoima on voitettava tämä hylkääminen, ja se voidaan välittää myös pitämällä tarpeeksi neutroneja ympärillä. Mutta mitä suurempi ydin, sitä epäsuotuisampi voimatasapaino on vakaudelle.

Siksi suuremmat ytimet haluavat haluta hajota joko radioaktiivisten hajoamisprosessien tai fissioreaktioiden kautta, kuten ydinreaktorien tai fissiopommien tapahtumien kautta.

Fuusio tapahtuu, kun kaksi kevyempää ydintä saavuttaa suotuisamman energiatilan yhdistymällä raskaampaan ytimeen. Jotta fissio tapahtuisi, kyseisten ytimien on kuitenkin oltava riittävän lähellä toisiaan, jotta voimakas ydinvoima voi vallata. Tämä tarkoittaa, että heidän täytyy liikkua riittävän nopeasti voidakseen selviytyä sähköisestä karkotuksesta.

Ytimet liikkuvat nopeasti äärimmäisissä lämpötiloissa, joten tätä edellytystä vaaditaan usein. Näin ydinfuusio voi tapahtua erittäin kuumassa auringon ytimessä. Tähän päivään tutkijat yrittävät edelleen löytää keinon saada aikaan kylmä fuusio - ts. Fuusio alemmissa lämpötiloissa. Koska energia vapautuu fuusioprosessissa eikä jätä radioaktiivista jätettä, kuten fissioreaktoreilla on tapana, se olisi uskomaton energialähde, jos se saavutetaan.

Radioaktiivinen hajoaminen on yleinen tapa, jolla ytimet muuttuvat muuttuakseen vakaammiksi. Hajoamista on kolme päätyyppiä: alfa-, beeta- ja gammahajoaminen.

Alfa-hajoamisessa radioaktiivinen ydin vapauttaa alfa-partikkelin (helium-4-ydin) ja muuttuu sen seurauksena vakaammaksi. Beeta-hajoamista esiintyy muutamassa lajikkeessa, mutta se johtuu pääasiassa siitä, että neutronista tulee protoni tai protonista tulee neutroni ja vapautuu β^- tai β⁺ hiukkanen (elektroni tai positroni). Gamma-hajoaminen tapahtuu, kun viritetyssä tilassa oleva ydin vapauttaa energiaa gammasäteiden muodossa, mutta ylläpitää neutronien ja protonien kokonaismäärää.

Ydinfysiikan tutkimus ulottuu hiukkasfysiikan laajemmalle kentälle, jonka tavoitteena on ymmärtää kaikkien perushiukkasten toiminta. Vakiomalli luokittelee hiukkaset fermioneiksi ja bosoneiksi ja luokittelee sitten fermionit edelleen kvarkeiksi ja leptoneiksi ja bosonit mittari- ja skalaaribosoneiksi.

Bosonit eivät noudata numeroiden säilyttämislakeja, mutta fermionit noudattavat. Sekä leptonin että kvarkin numeroiden säilyttämislaki on muiden säilytettyjen määrien lisäksi. Perushiukkasten vuorovaikutusta välittävät energiaa kuljettavat bosonit.

Ydin- ja atomifysiikan sovelluksia on runsaasti. Ydinvoimaloiden ydinreaktorit luovat puhdasta energiaa hyödyntämällä fissioprosessien aikana vapautuvaa energiaa. Ydinlääketiede käyttää radioaktiivisia isotooppeja kuvantamiseen. Astrofyysikot määrittelevät kaukosumujen koostumuksen spektroskopian avulla. Magneettikuvaus antaa lääkäreille mahdollisuuden luoda yksityiskohtaisia ​​kuvia potilaansa sisätiloista. Jopa röntgentekniikka hyödyntää ydinfysiikkaa.