I atomska i nuklearna fizika opisuju fiziku vrlo malog. Kada radite s tako malim predmetima, vaša intuicija izgrađena na temelju vašeg razumijevanja klasične mehanike često zakaže. Ovo je područje kvantne mehanike, nuklearnih sila kratkog dometa, elektromagnetskog zračenja i standardnog modela fizike čestica.
Što je atomska fizika?
Atomska fizika je grana fizike koja se bavi strukturom atoma, povezanim energetskim stanjima i interakcijom atoma s česticama i poljima. Suprotno tome, nuklearna se fizika posebno fokusira na zbivanja unutar atomske jezgre, što je detaljnije opisano u sljedećem odjeljku.
Postoji nekoliko predmeta iz fizike čestica. Prvo i najvažnije je struktura samog atoma. Atomi se sastoje od čvrsto vezane jezgre koja sadrži protone i neutrone i difuznog elektronskog oblaka.
S obzirom da je jezgra obično reda veličine 10-15 do 10-14 m u promjeru, a sami atomi su reda veličine 10-10 m promjera (a veličina elektrona je zanemariva), ispada da su atomi uglavnom prazan prostor. Naravno da se ne čine kao što jesu i sva materija od atoma zasigurno se osjeća kao supstancija.
Razlog zašto atomi ne izgledaju kao da su uglavnom prazan prostor je taj što ste i vi napravljeni od atoma, a svi atomi komuniciraju s elektromagnetskom energijom. Iako se vaša ruka, koju čine uglavnom atomi praznog prostora, pritišće o stol, koji se također sastoji od većine prazan prostor, on ne prolazi kroz stol zbog elektromagnetskih sila između atoma dok ulaze kontakt.
Neutrino, čestica koja ne djeluje s elektromagnetskom silom, sposoban je proći kroz većinu atomskih tvari gotovo neotkriven. Zapravo, kroz vaše tijelo svake sekunde prođe 100 bilijuna neutrina!
Klasifikacija atoma
Atomi su klasificirani prema atomskom broju u periodnom sustavu. Atomski broj je broj protona koje atom sadrži u svojoj jezgri. Ovaj broj definira element.
Iako će dati element uvijek imati jednak broj protona, on može sadržavati različit broj neutrona. Različiti izotopi elementa sadrže različit broj neutrona. Neki su izotopi stabilniji od drugih (što znači da je manja vjerojatnost da spontano propadnu u nešto drugo), a ta stabilnost tipično ovisi o broju neutrona, što je razlog zašto je za većinu elemenata većina atoma obično jednog specifičnog izotop.
Broj elektrona koji atom sadrži određuje je li on ioniziran ili nabijen. Neutralni atom sadrži isti broj elektrona kao i protoni, ali ponekad atomi mogu dobiti ili izgubiti elektrone i postati nabijeni. Koliko lako atom dobiva ili gubi elektrone, ovisi o njegovoj elektronskoj orbitalnoj strukturi.
Atom vodika je najjednostavniji atom koji u svojoj jezgri sadrži samo jedan proton. Tri najstabilnija izotopa vodika su protium (koji ne sadrži neutrone), deuterij (koji sadrži jedan neutron) i tritij (koji sadrži dva neutrona), a protum je najzastupljeniji.
Tijekom godina predloženi su različiti modeli atoma, što je dovelo do trenutnog modela. Rano su radili Ernest Rutherford, Niels Bohr i drugi.
Spektri za apsorpciju i emisiju
Kao što je spomenuto, atomi komuniciraju s elektromagnetskom silom. Protoni u atomu nose pozitivan, a elektroni negativni naboj. Elektroni u atomu mogu apsorbirati elektromagnetsko zračenje i kao rezultat toga postići više energetsko stanje ili emitirati zračenje i preći u niže energetsko stanje.
Jedno od ključnih svojstava apsorpcije i emitiranja zračenja je da atomi apsorbiraju i emitiraju zračenje samo na vrlo specifičnim kvantiziranim vrijednostima. A za svaku različitu vrstu atoma, te specifične vrijednosti su različite.
Vrući plin atomskog materijala emitirat će zračenje na vrlo određenim valnim duljinama. Ako svjetlost koja dolazi od ovog plina prođe kroz spektroskop, koji širi svjetlost u spektru po valnoj duljini (poput duge), pojavit će se zasebne emisijske linije. Skup emisijskih vodova koji dolaze iz plina može se čitati gotovo poput crtičnog koda koji vam točno govori koji su atomi u plinu.
Slično tome, ako kontinuirani spektar svjetlosti pada na hladan plin, a svjetlost koja prolazi kroz taj plin tada jest prolazeći kroz spektroskop, vidjeli biste kontinuirani spektar s tamnim prazninama na specifičnim valnim duljinama koje ima plin apsorbiran. Ovaj apsorpcijski spektar izgledat će poput inverzne emisijskog spektra, tamne linije koje se pojavljuju tamo gdje su svijetle crte za isti plin. Kao takav, može se čitati i kao crtični kod koji vam govori o sastavu plina. Astronomi to sve vrijeme koriste za određivanje sastava materijala u svemiru.
Što je nuklearna fizika?
Nuklearna se fizika fokusira na atomsku jezgru, nuklearne reakcije i interakciju jezgre s drugim česticama. Između ostalih tema istražuje radioaktivni raspad, nuklearnu fuziju i nuklearnu fisiju te energiju vezanja.
Jezgra sadrži čvrsto povezanu skupinu protona i neutrona. Međutim, to nisu temeljne čestice. Protoni i neutroni izrađeni su od još manjih čestica tzv kvarkovi.
Kvarkovi su čestice s razlomljenim nabojem i pomalo glupa imena. Dolaze u šest takozvanih okusa: gore, dolje, gore, odozdo, neobično i šarmantno. Neutron se sastoji od dva donja kvarka i gornjeg kvarka, a proton od dva gornja kvarka i donjeg kvarka. Kvarkovi u svakom nukleonu čvrsto su povezani jakom nuklearnom silom.
Jaka nuklearna sila posreduje se česticama tzv gluoni. Osjećate li temu? Znanstvenici su se zabavili imenovanjem tih čestica! Gluoni, naravno, "lijepe" kvarkove. Jaka nuklearna sila djeluje na vrlo kratkom dometu - na udaljenosti usporedivoj s promjerom jezgre prosječne veličine.
Energija vezanja
Svaki izolirani neutron ima masu od 1,6749275 × 10-27 kg, a svaki izolirani proton ima masu od 1,6726219 × 10-27 kg; međutim, kada je povezana u atomskoj jezgri, atomska masa nije zbroj njezinih sastavnih dijelova zbog nečega što se naziva vezna energija.
Postajući čvrsto vezani, nukleoni postižu niže energetsko stanje kao rezultat pretvaranja neke energije u ukupnu masu koju su imali kao pojedinačne čestice. Ova razlika u masi koja se pretvara u energiju naziva se vezna energija jezgre. Odnos koji opisuje koliko energije odgovara danoj količini mase je Einsteinov poznati E = mc2 jednadžba gdje m je masa, c je brzina svjetlosti i E je energija.
Srodni koncept je energija vezanja po nukleonu, što je ukupna energija vezanja jezgre osrednjena po njezinim sastavnim dijelovima. Energija vezanja po nukleonu dobar je pokazatelj koliko je jezgra stabilna. Niska energija vezanja po nukleonu ukazuje da bi za to moglo postojati povoljnije stanje niže ukupne energije određene jezgre, što znači da će se vjerojatno htjeti ili razdvojiti ili stopiti s drugom jezgrom pod odgovarajućom Uvjeti.
Općenito, jezgre lakše od jezgara željeza teže postizanju nižih energetskih stanja i većoj energiji vezanja po nukleonu, stapanjem s ostalim jezgrama, dok su jezgre teže od željeza teže postizanju nižih energetskih stanja razbijanjem na lakša jezgre. Procesi kojima se te promjene događaju opisani su u sljedećem odjeljku.
Fisija, fuzija i radioaktivni raspad
Glavni fokus nuklearne fizike je na proučavanju fisije, fuzije i raspada atomskih jezgri. Svi su ti procesi vođeni temeljnom predodžbom da sve čestice preferiraju niža energetska stanja.
Do fisije dolazi kada se teška jezgra raspadne na manje jezgre. Vrlo teške jezgre sklonije su tome, jer imaju manju energiju vezanja po nukleonu. Kao što se sjećate, postoji nekoliko sila koje upravljaju onim što se događa u atomskoj jezgri. Jaka nuklearna sila čvrsto veže nukleone, ali to je sila kratkog dometa. Dakle, za vrlo velike jezgre je manje učinkovit.
Pozitivno nabijeni protoni u jezgri također se međusobno odbijaju pomoću elektromagnetske sile. Ovu odbojnost mora nadvladati jaka nuklearna sila, a može se posredovati i ako ima dovoljno neutrona u blizini. Ali što je veća jezgra, to je ravnoteža sila nepovoljnija za stabilnost.
Stoga veće jezgre imaju tendenciju da se žele raspasti bilo postupcima radioaktivnog raspada ili reakcijama cijepanja poput onih koje se događaju u nuklearnim reaktorima ili fisionim bombama.
Do fuzije dolazi kada dvije lakše jezgre postignu povoljnije energetsko stanje spajanjem u težu jezgru. Međutim, da bi došlo do fisije, dotične se jezgre moraju dovoljno približiti jedna drugoj kako bi jaka nuklearna sila mogla zavladati. To znači da se moraju kretati dovoljno brzo da bi mogli prevladati električnu odbojnost.
Nukleusi se brzo kreću po ekstremnim temperaturama, pa je ovo stanje često potrebno. Tako se nuklearna fuzija može odvijati u izuzetno vrućoj sunčevoj jezgri. Do danas znanstvenici još uvijek pokušavaju pronaći način da se dogodi hladna fuzija - odnosno fuzija na nižim temperaturama. Budući da se energija oslobađa u procesu fuzije i ne ostavlja radioaktivni otpad kao što to čine fisioni reaktori, bio bi nevjerojatan energetski resurs ako bi se postigao.
Radioaktivni raspad uobičajeno je sredstvo kojim se jezgre podvrgavaju promjenama kako bi postale stabilnije. Postoje tri glavne vrste raspadanja: alfa raspadanje, beta raspadanje i gama raspadanje.
U alfa raspadu, radioaktivna jezgra oslobađa alfa česticu (jezgra helija-4) i kao rezultat postaje stabilnija. Beta raspad dolazi u nekoliko varijanti, ali u osnovi proizlazi ili iz toga što neutron postaje proton ili proton koji postaje neutron i oslobađa β- ili β+ čestica (elektron ili pozitron). Gama raspad se događa kada jezgra u pobuđenom stanju oslobađa energiju u obliku gama zraka, ali održava svoj ukupan broj neutrona i protona.
Standardni model fizike čestica
Studij nuklearne fizike proširuje se na šire područje fizike čestica, kojemu je cilj razumjeti rad svih temeljnih čestica. Standardni model klasificira čestice na fermione i bozone, a zatim dalje klasificira fermione na kvarkove i leptone, a bozone na mjerne i skalarne bozone.
Bozoni se ne pokoravaju zakonima o očuvanju broja, ali fermioni. Uz ostale očuvane količine postoji i zakon očuvanja i za leptonske i za kvarkovske brojeve. Interakcije temeljnih čestica posreduju bozoni koji nose energiju.
Primjene nuklearne fizike i atomske fizike
Primjene nuklearne i atomske fizike su bogate. Nuklearni reaktori u nuklearnim elektranama stvaraju čistu energiju iskorištavanjem energije oslobođene tijekom procesa cijepanja. Nuklearna medicina koristi radioaktivne izotope za snimanje. Astrofizičari spektroskopijom određuju sastav udaljenih maglica. Magnetska rezonancija omogućuje liječnicima da stvore detaljne slike unutrašnjosti svojih pacijenata. Čak se i rentgenska tehnologija koristi nuklearnom fizikom.