Ydinfysiikka: Mikä se on, kuka sen löysi ja miksi se on tärkeää?

Useat pilviset päivät Pariisissa vuonna 1896 "pilasivat" Henri Becquerelin kokeen, mutta prosessin aikana syntyi ydinfysiikan kenttä. Becquerel oli todistamassa hypoteesinsa siitä, että uraani absorboi auringonvaloa ja säteili sitä uudelleen edellisenä vuonna löydettyjen röntgensäteiden muodossa.

Becquerelin suunnitelmana oli tuoda kaliumuranyylisulfaatti auringonvaloon ja saattaa se sitten kosketukseen valokuvalevyillä, jotka on kääritty mustaan ​​paperiin, koska vaikka näkyvä valo ei pääse läpi, röntgensäteet olisi. Auringonvalon puutteesta huolimatta hän päätti kuitenkin käydä läpi prosessin ja oli järkyttynyt löytäessään valokuvalevylle edelleen tallennettuja kuvia.

Lisätestaus osoitti, että se ei ollut lainkaan röntgenkuva hänen oletuksistaan ​​huolimatta. Magneettikenttä ei taivuta valon polkua, mutta uraanin säteily heijastui yhdellä, ja tämä - yhdessä ensimmäisen tuloksen kanssa - oli tapa, jolla säteily havaittiin. Marie Curie loi termin radioaktiivisuus ja löysi aviomiehensä Pierren kanssa poloniumin ja radiumin, kiinnittäen tarkat radioaktiivisuuden lähteet.

Myöhemmin Ernest Rutherford keksi termit alfa-, beeta- ja gammahiukkaset säteilevälle materiaalille ja ydinfysiikka todella meni.

Tietenkin ihmiset tietävät ydinfysiikasta nyt paljon enemmän kuin 1900-luvun vaihteessa, ja se on tärkeä aihe ymmärtää ja oppia kaikille fysiikan opiskelijoille. Haluatko ymmärtää ydinenergian luonteen, vahvat ja heikot ydinvoimat tai osallistua ydinlääketieteen kaltaisiin aloihin, perusteiden oppiminen on välttämätöntä.

Ydinfysiikka on pohjimmiltaan ytimen fysiikkaa, atomin osa, joka sisältää kaksi tunnetuinta "Hadrons" protonit ja neutronit.

Siinä tarkastellaan erityisesti alueella toimivia voimia ydin (vahva vuorovaikutus, joka sitoo protonit ja neutronit yhteen ytimessä, samoin kuin pitämällä niiden komponenttia kvarkit yhdessä, ja radioaktiiviseen hajoamiseen liittyvä heikko vuorovaikutus) ja ytimien vuorovaikutus muiden kanssa hiukkasia.

Ydinfysiikka kattaa aiheet, kuten ydinfuusio (joka liittyy eri elementtien sitovaan energiaan), ydinfissio (joka on raskaiden alkuaineiden halkaisu energian tuottamiseksi) sekä radioaktiivinen hajoaminen ja sen perusrakenne ja voimat ydin.

Alalla on monia käytännön sovelluksia, mukaan lukien (mutta ei rajoittuen) työskentely ydinenergiassa, ydinlääketieteessä ja korkean energian fysiikassa.

An atomi koostuu ytimestä, joka sisältää positiivisesti varautuneet protonit ja varaamattomat neutronit, joita vahva ydinvoima pitää yhdessä. Niitä ympäröivät negatiivisesti varautuneet elektronit, jotka muodostavat ns. "Pilveksi" ytimen ympärille, ja elektronien määrä vastaa neutraalin atomin protonien määrää.

Fysiikan historian aikana on ehdotettu lukuisia atomimalleja, mukaan lukien Thomsonin luumu vanukas ”-malli, Rutherfordin ja Bohrin” planeettamalli ”ja kuvattu moderni kvanttimekaaninen malli edellä.

Ydin on pieni, noin 10⁻¹⁵ m, joka sisältää suurimman osan atomin massasta, kun taas koko atomi on luokkaa 10⁻¹⁰ m. Älä anna notaation pettää itseäsi - tämä tarkoittaa, että ydin on noin 100 000 kertaa pienempi kuin atomi kokonaisuudessaan, mutta se sisältää valtaosan asiasta. Joten atomi on pääosin tyhjä tila!

Atomin massa ei kuitenkaan ole täsmälleen sama kuin osien massa: Jos lasket yhteen protonit ja neutronit, se ylittää jo atomin massan, ennen kuin edes otat huomioon paljon pienemmän massan elektroni.

Tätä kutsutaan atomin "massavirheeksi", ja jos muunnat tämän eron energiaksi käyttämällä Einsteinin kuuluisaa yhtälöä E = mc², saat ytimen "sitovan energian".

Tämä on energia, joka sinun on laitettava järjestelmään, jotta ydin voidaan jakaa sen muodostaviin protoneihin ja neutroneihin. Nämä energiat ovat paljon, paljon suurempia kuin energia, jota se tarvitsee elektronin poistamiseksi "kiertoradaltaan" ytimen ympärillä.

Nämä kaksi tyyppiä nukleoni (ts. ytimen hiukkanen) ovat protoni ja neutroni, ja nämä ovat tiukasti sidoksissa toisiinsa atomin ytimessä.

Vaikka nämä ovat yleensä nukleoneja, joista kuulet, ne eivät itse asiassa ole perushiukkasia hiukkasfysiikan vakiomallissa. Protoni ja neutroni muodostuvat molemmat kutsutuista perushiukkasista kvarkit, joita on kuusi “makua” ja joista jokaisella on murto-osa protonin tai elektronin varauksesta.

Ylös kvarkilla on 2/3 e veloittaa missä e on elektronin varaus, kun taas alas kvarkilla on −1/3 e veloittaa. Tämä tarkoittaa, että kaksi ylös- ja alas-kvarktia yhdessä tuottaisi hiukkasen, jolla olisi positiivinen suuruuslataus e, joka on protoni. Toisaalta ylös- ja kaksi alas-kvarkit tuottavat hiukkasen, jolla ei ole kokonaisvarausta, neutronin.

Vakiomalli luetteloi kaikki tällä hetkellä tunnetut peruspartikkelit ja ryhmitellä ne kahteen pääryhmään: fermionit ja bosonit. Fermionit jaetaan kvarkkeihin (jotka puolestaan ​​tuottavat hadroneja, kuten protoneja ja neutroneja) ja leptoneihin (joihin kuuluvat elektronit ja neutriinot), ja pojat on jaettu mittari- ja skalaaribosoneihin.

Higgs Boson on ainoa toistaiseksi tunnettu skalaaribosoni muiden bosonien - fotonin, gluonin, Z-bononit ja W bosons - ollessa mittari bosoneja.

Fermionit, toisin kuin bosonit, noudattavat "lukusäästölakia". Esimerkiksi on olemassa laktooniluvun säilymislaki, joka selittää asioita, kuten hiukkasia, jotka syntyvät osana ydinräjähdystä prosessit (koska esimerkiksi elektronin, jolla on leptoninumero 1, luominen on tasapainotettava toisen leptoniluvulla −1 olevan hiukkasen, kuten elektronin anti-neutriinon, luomisen kanssa).

Myös kvarkiluku on säilynyt, ja on myös muita säilytettyjä määriä.

Bosonit ovat voimaa kantavia hiukkasia, joten perushiukkasten vuorovaikutusta välittävät bosonit. Esimerkiksi kvarkkien vuorovaikutusta välittävät gluonit ja sähkömagneettisia vuorovaikutuksia fotonit.

Vaikka sähkömagneettinen voima vaikuttaa ytimeen, tärkeimmät voimat, jotka sinun on otettava huomioon, ovat vahvat ja heikot ydinvoimat. Vahvaa ydinvoimaa kantavat gluonit ja heikkoa ydinvoimaa W^± ja Z⁰ pojat.

Kuten nimestä voi päätellä, vahva ydinvoima on vahvin kaikista perusvoimista, jota seuraa sähkömagneetti (10² kertaa heikompaa), heikko voima (10⁶ kertaa heikompaa) ja painovoima (10⁴⁰ kertaa heikompaa). Valtava ero painovoiman ja muiden voimien välillä on, miksi fyysikot laiminlyövät sen olennaisesti keskustellessaan aineesta atomitasolla.

Vahva voima tarpeisiin olla vahva voittamaan ytimen positiivisesti varautuneiden protonien välinen sähkömagneettinen karkotus - jos sillä olisi ollut ollut heikompi kuin sähkömagneettinen voima, yksikään atomi, jossa on enemmän kuin yksi protoni ytimessä, ei olisi pystynyt muodossa. Vahvalla voimalla on kuitenkin hyvin lyhyt kantama.

Tämä on tärkeää, koska se osoittaa, miksi voima ei ole havaittavissa edes kokonaisten atomien mittakaavassa molekyylejä, mutta se tarkoittaa myös sitä, että sähkömagneettinen karkotus tulee merkityksellisemmäksi raskaille ytimille isompia atomeja). Tämä on yksi syy siihen, että epävakaat ytimet ovat usein raskaiden alkuaineiden ytimiä.

Heikolla voimalla on myös hyvin lyhyt kantama, ja se saa olennaisesti kvarkit muuttamaan makua. Tämä voi saada protonin tulemaan neutroniksi ja päinvastoin, joten sitä voidaan pitää sen syynä ydin hajoaminen prosessit, kuten beeta plus ja miinus hajoaminen.

Radioaktiivista hajoamista on kolme tyyppiä: alfa-, beeta- ja gammahajoaminen. Alfa-hajoaminen on, kun atomi hajoaa vapauttamalla "alfa-hiukkasen", joka on toinen termi heliumin ytimelle.

Beeta-hajoamista on kolme alatyyppiä, mutta ne kaikki sisältävät protonin muuttumisen neutroniksi tai päinvastoin. Beeta miinus hajoaminen on kun neutronista tulee protoni ja vapauttaa prosessin aikana elektronin ja elektronin anti-neutriinon, kun taas beetassa ja hajoamisessa protonista tulee neutroni ja vapautuu positroni (eli anti-elektroni) ja elektroni neutrino.

Elektronin sieppauksessa atomin ulommista osista peräisin oleva elektroni imeytyy ytimeen ja protoni muuttuu neutroniksi, ja prosessista vapautuu neutrino.

Gamma-hajoaminen on hajoaminen, jossa energia vapautuu, mutta mikään atomissa ei muutu. Tämä on analoginen tapa, jolla fotoni vapautuu, kun elektroni siirtyy korkean energian tilasta matalan energian tilaan. Innoissaan ydin siirtyy matalan energian tilaan ja lähettää gammasäteen samalla tavalla.

Ydinfuusio on, kun kaksi ydintä sulautuu ja muodostaa painavamman ytimen. Näin energiaa tuotetaan auringossa, ja prosessin saaminen maapallolle sähköntuotantoa varten on yksi kokeellisen fysiikan suurimmista tavoitteista.

Ongelmana on, että se vaatii erittäin korkeita lämpötiloja ja paineita, ja siksi erittäin korkeita energiatasoja. Kuitenkin, jos tutkijat saavuttavat sen, fuusiosta voi tulla tärkeä virtalähde, kun yhteiskunta jatkaa kasvuaan ja kulutamme yhä enemmän energiaa.

Ydinfissio on raskaan elementin jakaminen kahteen kevyempään ytimeen, ja tämä antaa voiman nykyiselle ydinreaktorien sukupolvelle.

Fissio on myös ydinaseiden toimintaperiaate, mikä on yksi tärkeimmistä syistä kiistanalaiselle alueelle. Käytännössä fissio toimii sarjan ketjureaktioita. Neutroni, joka luo alkuperäisen halkeaman uraanin kaltaiseen raskaselementtiin, tuottaa reaktion jälkeen uuden vapaan neutronin, joka voi sitten aiheuttaa toisen halkeamisen ja niin edelleen.

Pohjimmiltaan nämä molemmat prosessit saavat energiaa E = mc² suhteessa, koska atomien sulauttaminen tai halkaisu sisältää energian vapauttamisen "puuttuvasta massasta".

Ydinfysiikan sovelluksia on valtava määrä. Ydinreaktorit ja ydinvoimalat ovat toiminnassa monissa maissa ympäri maailmaa, ja monet fyysikot työskentelevät uusien ja turvallisempien suunnitelmien parissa.

Esimerkiksi joidenkin ydinreaktorisuunnitelmien tarkoituksena on varmistaa, että lähtöaineita ei voida käyttää luoda ydinaseita, joihin tarvitaan paljon rikastettua uraanilähdettä (eli "puhtaampaa" uraania) käyttää.

Ydinlääketiede on toinen tärkeä ydinfysiikan alue. Ydinlääketieteen mukaan potilaalle annetaan hyvin pieniä määriä radioaktiivista ainetta, ja sitten detektorien avulla otetaan talteen kuvia säteilystä. Tämä auttaa lääkäreitä diagnosoimaan munuaiset, kilpirauhasen, sydämen ja muut tilat.

Tietenkin on monia muita alueita, joilla ydinfysiikka on pääosin, mukaan lukien korkean energian fysiikka ja hiukkaset kiihdyttimet, kuten CERN, ja astrofysiikka, joissa monet tähtien hallitsevat prosessit riippuvat voimakkaasti ydinvoimasta fysiikka.