परमाणु भौतिकी: यह क्या है, इसकी खोज किसने की और यह क्यों महत्वपूर्ण है?

1896 में पेरिस में कई बादलों ने हेनरी बेकरेल के प्रयोग को "बर्बाद" कर दिया, लेकिन इस प्रक्रिया में, परमाणु भौतिकी के क्षेत्र का जन्म हुआ। बेकरेल अपनी परिकल्पना को साबित करने के लिए बाहर थे कि यूरेनियम सूर्य के प्रकाश को अवशोषित करता है और इसे एक्स-रे के रूप में फिर से विकिरणित करता है, जिसे पिछले वर्ष खोजा गया था।

बेकरेल की योजना पोटैशियम यूरेनिल सल्फेट को सूरज की रोशनी में लाने और फिर उसे संपर्क में लाने की थी काले कागज में लिपटे फोटोग्राफिक प्लेटों के साथ, क्योंकि दृश्य प्रकाश के माध्यम से इसे नहीं बनाया जाएगा, एक्स-रे होगा। सूरज की रोशनी की कमी के बावजूद, उन्होंने वैसे भी इस प्रक्रिया से गुजरने का फैसला किया, और जब उन्होंने फोटोग्राफिक प्लेट पर अभी भी रिकॉर्ड की गई छवियों की खोज की तो वह चौंक गए।

आगे के परीक्षण से पता चला कि उनकी धारणाओं के बावजूद यह एक्स-रे बिल्कुल नहीं था। प्रकाश का पथ चुंबकीय क्षेत्र द्वारा मुड़ा हुआ नहीं है, बल्कि यूरेनियम से विकिरण एक द्वारा विक्षेपित किया गया था, और यह - पहले परिणाम के साथ - विकिरण की खोज कैसे हुई थी। मैरी क्यूरी ने रेडियोधर्मिता शब्द गढ़ा और अपने पति पियरे के साथ मिलकर पोलोनियम और रेडियम की खोज की, जिससे रेडियोधर्मिता के सटीक स्रोतों का पता चलता है।

बाद में, अर्नेस्ट रदरफोर्ड ने विकिरणित सामग्री के लिए अल्फा कण, बीटा कण और गामा कण, और के क्षेत्र के साथ आया परमाणु भौतिकी वास्तव में जा रहा है।

बेशक, लोग २०वीं सदी की तुलना में अब परमाणु भौतिकी के बारे में बहुत कुछ जानते हैं, और यह किसी भी भौतिकी के छात्र के लिए समझने और सीखने के लिए एक महत्वपूर्ण विषय है। चाहे आप परमाणु ऊर्जा की प्रकृति, मजबूत और कमजोर परमाणु बलों को समझना चाहते हैं या परमाणु चिकित्सा जैसे क्षेत्रों में योगदान करना चाहते हैं, मूल बातें सीखना आवश्यक है।

परमाणु भौतिकी अनिवार्य रूप से नाभिक का भौतिकी है, परमाणु का वह भाग जिसमें दो सबसे प्रसिद्ध हैं "हैड्रोन," प्रोटॉन और न्यूट्रॉन।

विशेष रूप से, यह में सक्रिय बलों को देखता है नाभिक (मजबूत अंतःक्रिया जो नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को एक साथ बांधती है, साथ ही साथ उनके घटक को पकड़ती है क्वार्क एक साथ, और रेडियोधर्मी क्षय से संबंधित कमजोर बातचीत), और अन्य के साथ नाभिक की बातचीत कण।

परमाणु भौतिकी में परमाणु संलयन (जो विभिन्न तत्वों की बाध्यकारी ऊर्जा से संबंधित है), परमाणु विखंडन (जो कि है) जैसे विषयों को शामिल किया गया है। ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए भारी तत्वों का विभाजन) साथ ही साथ रेडियोधर्मी क्षय और बुनियादी संरचना और बलों में खेल रहे हैं केंद्रक

क्षेत्र के कई व्यावहारिक अनुप्रयोग हैं, जिनमें परमाणु ऊर्जा, परमाणु चिकित्सा और उच्च-ऊर्जा भौतिकी में काम करना (लेकिन इन्हीं तक सीमित नहीं) शामिल है।

एक परमाणु एक नाभिक से बना होता है, जिसमें सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए प्रोटॉन और अपरिवर्तित न्यूट्रॉन होते हैं, जो मजबूत परमाणु बल द्वारा एक साथ होते हैं। ये ऋणात्मक रूप से आवेशित इलेक्ट्रॉनों से घिरे होते हैं, जो नाभिक के चारों ओर "बादल" कहलाते हैं, और इलेक्ट्रॉनों की संख्या एक तटस्थ परमाणु में प्रोटॉन की संख्या से मेल खाती है।

भौतिकी के पूरे इतिहास में परमाणु के कई मॉडल प्रस्तावित किए गए हैं, जिनमें थॉमसन का "प्लम" भी शामिल है हलवा" मॉडल, रदरफोर्ड और बोहर के "ग्रहीय" मॉडल और आधुनिक, क्वांटम यांत्रिक मॉडल का वर्णन किया गया है। ऊपर।

नाभिक छोटा होता है, लगभग 10. पर⁻¹⁵ मी, जिसमें परमाणु का अधिकांश द्रव्यमान है, जबकि पूरा परमाणु 10. के क्रम पर है⁻¹⁰ म। संकेतन को मूर्ख मत बनने दो - इसका मतलब है कि नाभिक कुल मिलाकर परमाणु से लगभग 100,000 गुना छोटा है, लेकिन इसमें अधिकांश मामले शामिल हैं। तो परमाणु मुख्य रूप से है खाली जगह!

परमाणु का द्रव्यमान घटक भागों के द्रव्यमान के समान नहीं है, हालांकि: यदि आप परमाणु के द्रव्यमान को जोड़ते हैं प्रोटॉन और न्यूट्रॉन, यह पहले से ही परमाणु के द्रव्यमान से अधिक है, इससे पहले कि आप इसके बहुत छोटे द्रव्यमान का हिसाब भी दें इलेक्ट्रॉन।

इसे परमाणु का "द्रव्यमान दोष" कहा जाता है, और यदि आप आइंस्टीन के प्रसिद्ध समीकरण का उपयोग करके इस अंतर को ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं इ = एम सी², आपको नाभिक की "बाध्यकारी ऊर्जा" मिलती है।

यह वह ऊर्जा है जिसे आपको नाभिक को उसके घटक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन में विभाजित करने के लिए सिस्टम में डालना होगा। ये ऊर्जा नाभिक के चारों ओर अपनी "कक्षा" से एक इलेक्ट्रॉन को निकालने के लिए आवश्यक ऊर्जा से बहुत अधिक है।

दो प्रकार के न्युक्लियोन (अर्थात नाभिक के कण) प्रोटॉन और न्यूट्रॉन हैं, और ये परमाणु के नाभिक में एक साथ कसकर बंधे होते हैं।

हालाँकि ये आम तौर पर वे न्यूक्लियॉन हैं जिनके बारे में आप सुनेंगे, वे वास्तव में कण भौतिकी के मानक मॉडल में मौलिक कण नहीं हैं। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दोनों मौलिक कणों से बने होते हैं जिन्हें कहा जाता है क्वार्क, जो छह "स्वादों" में आते हैं और प्रत्येक में प्रोटॉन या इलेक्ट्रॉन के आवेश का एक अंश होता है।

एक अप क्वार्क में 2/3. होता है इ चार्ज, जहां इ एक इलेक्ट्रॉन का आवेश होता है, जबकि डाउन क्वार्क में −1/3. होता है इ चार्ज। इसका मतलब है कि दो अप क्वार्क और एक डाउन क्वार्क संयुक्त रूप से परिमाण के सकारात्मक चार्ज के साथ एक कण का उत्पादन करेंगे इ, जो एक प्रोटॉन है। दूसरी ओर, एक अप क्वार्क और दो डाउन क्वार्क बिना किसी समग्र आवेश वाले कण, न्यूट्रॉन का उत्पादन करते हैं।

मानक मॉडल वर्तमान में ज्ञात सभी मूलभूत कणों को सूचीबद्ध करता है, और उन्हें दो मुख्य समूहों में समूहित करता है: फ़र्मियन और बोसॉन। फरमिओन्स क्वार्क (जो बदले में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जैसे हैड्रोन का उत्पादन करते हैं) और लेप्टान (जिसमें इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो शामिल हैं) में विभाजित हैं, और बोसॉन गेज और अदिश बोसॉन में विभाजित हैं।

हिग्स बोसॉन एकमात्र अदिश बोसोन है जिसे अब तक जाना जाता है, अन्य बोसॉन के साथ - फोटॉन, ग्लूऑन, जेड-बोसोन और वू बोसॉन - गेज बोसॉन होना।

फर्मियन, बोसॉन के विपरीत, "संख्या संरक्षण कानूनों" का पालन करते हैं। उदाहरण के लिए, लेप्टान संख्या के संरक्षण का एक नियम है, जो परमाणु क्षय के एक भाग के रूप में उत्पन्न कणों जैसी चीजों की व्याख्या करता है। प्रक्रियाओं (क्योंकि लेप्टन संख्या 1 के साथ एक इलेक्ट्रॉन का निर्माण, उदाहरण के लिए, लेप्टन संख्या -1 के साथ एक अन्य कण के निर्माण के साथ संतुलित होना चाहिए, जैसे कि इलेक्ट्रॉन एंटी-न्यूट्रिनो)।

क्वार्क संख्या भी संरक्षित है, और अन्य संरक्षित मात्रा भी हैं।

बोसॉन बल-वाहक कण हैं, और इसलिए मूलभूत कणों की परस्पर क्रिया की मध्यस्थता बोसॉन द्वारा की जाती है। उदाहरण के लिए, क्वार्क की बातचीत ग्लून्स द्वारा मध्यस्थता की जाती है, और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरैक्शन फोटॉन द्वारा मध्यस्थ होते हैं।

यद्यपि विद्युत चुम्बकीय बल नाभिक में लागू होता है, आपको जिन मुख्य बलों पर विचार करने की आवश्यकता है वे हैं मजबूत और कमजोर परमाणु बल। मजबूत परमाणु बल ग्लून्स द्वारा ले जाया जाता है, और कमजोर परमाणु बल द्वारा किया जाता है वू^± और यह जेड⁰ बोसॉन

जैसा कि नाम से पता चलता है, मजबूत परमाणु बल सभी मौलिक बलों में सबसे मजबूत है, इसके बाद विद्युत चुंबकत्व (10 .) है² बार कमजोर), कमजोर बल (10 .)⁶ बार कमजोर) और गुरुत्वाकर्षण (10 .)⁴⁰ बार कमजोर)। गुरुत्वाकर्षण और बाकी बलों के बीच बहुत बड़ा अंतर यह है कि परमाणु स्तर पर पदार्थ पर चर्चा करते समय भौतिक विज्ञानी अनिवार्य रूप से इसकी उपेक्षा करते हैं।

प्रबल बल ज़रूरत नाभिक में धनावेशित प्रोटॉनों के बीच विद्युत चुम्बकीय प्रतिकर्षण को दूर करने के लिए मजबूत होना - यदि यह होता विद्युत चुम्बकीय बल से कमजोर रहा है, नाभिक में एक से अधिक प्रोटॉन वाले कोई भी परमाणु सक्षम नहीं होता प्रपत्र। हालांकि, मजबूत बल के पास बहुत है छोटा दायरा।

यह महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दर्शाता है कि बल पूरे परमाणुओं के पैमाने पर भी ध्यान देने योग्य क्यों नहीं है या अणु, लेकिन इसका अर्थ यह भी है कि विद्युत चुम्बकीय प्रतिकर्षण भारी नाभिक के लिए अधिक प्रासंगिक हो जाता है (अर्थात। बड़े परमाणु)। यह एक कारण है कि अस्थिर नाभिक अक्सर भारी तत्वों के होते हैं।

कमजोर बल की सीमा भी बहुत कम होती है, और यह अनिवार्य रूप से क्वार्क को स्वाद बदलने का कारण बनता है। यह एक प्रोटॉन को न्यूट्रॉन और इसके विपरीत बनने का कारण बन सकता है, और इसलिए इसे इसका कारण माना जा सकता है परमाणु क्षय बीटा प्लस और माइनस क्षय जैसी प्रक्रियाएं।

रेडियोधर्मी क्षय तीन प्रकार के होते हैं: अल्फा क्षय, बीटा क्षय और गामा क्षय। अल्फा क्षय तब होता है जब एक परमाणु "अल्फा कण" जारी करके क्षय हो जाता है, जो हीलियम नाभिक के लिए एक और शब्द है।

बीटा क्षय के तीन उप-प्रकार होते हैं, लेकिन उनमें से सभी में एक प्रोटॉन शामिल होता है जो न्यूट्रॉन में बदल जाता है या इसके विपरीत। बीटा माइनस क्षय तब होता है जब एक न्यूट्रॉन एक प्रोटॉन बन जाता है और इस प्रक्रिया में एक इलेक्ट्रॉन और एक इलेक्ट्रॉन एंटी-न्यूट्रिनो छोड़ता है, जबकि बीटा प्लस क्षय में, एक प्रोटॉन न्यूट्रॉन बन जाता है और एक पॉज़िट्रॉन (यानी एक एंटी-इलेक्ट्रॉन) और एक इलेक्ट्रॉन छोड़ता है न्यूट्रिनो

इलेक्ट्रॉन कैप्चर में, परमाणु के बाहरी हिस्सों से एक इलेक्ट्रॉन नाभिक में अवशोषित हो जाता है और एक प्रोटॉन न्यूट्रॉन में परिवर्तित हो जाता है, और एक न्यूट्रिनो प्रक्रिया से मुक्त हो जाता है।

गामा क्षय एक क्षय है जहां ऊर्जा निकलती है लेकिन परमाणु में कुछ भी नहीं बदलता है। जब एक इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा से निम्न-ऊर्जा अवस्था में संक्रमण करता है, तो यह एक फोटॉन जारी करने के तरीके के अनुरूप होता है। एक उत्तेजित नाभिक एक निम्न-ऊर्जा अवस्था में संक्रमण करता है और एक गामा किरण का उत्सर्जन करता है जैसे वह करता है।

परमाणु संलयन तब होता है जब दो नाभिक फ्यूज हो जाते हैं और एक भारी नाभिक बनाते हैं। इस तरह से सूर्य में ऊर्जा उत्पन्न होती है, और बिजली उत्पादन के लिए पृथ्वी पर होने वाली प्रक्रिया को प्राप्त करना प्रायोगिक भौतिकी के सबसे बड़े लक्ष्यों में से एक है।

समस्या यह है कि इसके लिए अत्यधिक उच्च तापमान और दबाव की आवश्यकता होती है, और इसलिए बहुत अधिक ऊर्जा स्तर। हालांकि, अगर वैज्ञानिक इसे हासिल कर लेते हैं, तो फ्यूजन एक महत्वपूर्ण शक्ति स्रोत बन सकता है क्योंकि समाज का विकास जारी है और हम ऊर्जा की बढ़ती मात्रा का उपभोग करते हैं।

परमाणु विखंडन एक भारी तत्व का दो हल्के नाभिकों में विभाजन है, और यही परमाणु रिएक्टरों की वर्तमान पीढ़ी को शक्ति प्रदान करता है।

विखंडन परमाणु हथियारों का संचालन सिद्धांत भी है, जो एक मुख्य कारण है कि यह एक विवादास्पद क्षेत्र है। व्यवहार में, विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से काम करता है। एक न्यूट्रॉन जो यूरेनियम जैसे भारी तत्व में प्रारंभिक विभाजन बनाता है, प्रतिक्रिया के बाद एक और मुक्त न्यूट्रॉन उत्पन्न करता है, जो बाद में एक और विभाजन का कारण बन सकता है और इसी तरह।

अनिवार्य रूप से, इन दोनों प्रक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा प्राप्त होती है इ = एम सी² संबंध, चूंकि परमाणुओं को फ्यूज़ करना या विभाजित करना "लापता द्रव्यमान" से ऊर्जा की रिहाई को शामिल करता है।

परमाणु भौतिकी के अनुप्रयोगों की एक विशाल श्रृंखला है। विशेष रूप से, दुनिया भर के कई देशों में परमाणु रिएक्टर और परमाणु ऊर्जा संयंत्र चालू हैं, और कई भौतिक विज्ञानी नए और सुरक्षित डिजाइनों पर काम कर रहे हैं।

उदाहरण के लिए, कुछ परमाणु रिएक्टर डिजाइनों का लक्ष्य यह सुनिश्चित करना है कि स्रोत सामग्री का उपयोग नहीं किया जा सकता है परमाणु हथियार बनाने के लिए, जिसके लिए यूरेनियम के अधिक समृद्ध स्रोत (यानी "शुद्ध" यूरेनियम) की आवश्यकता होती है संचालन।

नाभिकीय औषधि परमाणु भौतिकी के लिए एक और महत्वपूर्ण क्षेत्र है। परमाणु चिकित्सा में रोगी को बहुत कम मात्रा में रेडियोधर्मी सामग्री दी जाती है, और फिर डिटेक्टरों का उपयोग विकिरण से छवियों को पकड़ने के लिए किया जाता है। यह डॉक्टरों को गुर्दे, थायराइड, हृदय और अन्य स्थितियों का निदान करने में मदद करता है।

बेशक, ऐसे कई अन्य क्षेत्र हैं जहां परमाणु भौतिकी अनिवार्य रूप से है, जिसमें उच्च-ऊर्जा भौतिकी और कण शामिल हैं सीईआरएन, और खगोल भौतिकी जैसे त्वरक, जहां सितारों में कई प्रमुख प्रक्रियाएं परमाणु पर दृढ़ता से निर्भर करती हैं भौतिक विज्ञान।