Nekoliko oblačnih dana u Parizu 1896. godine "uništilo" je eksperiment Henrija Becquerela, ali pritom je rođeno područje nuklearne fizike. Becquerel je želio dokazati svoju hipotezu da je uran apsorbirao sunčevu svjetlost i ponovno je zračio u obliku rendgenskih zraka, što je otkriveno prethodne godine.
Osnove nuklearne fizike: povijest i otkriće
Becquerelov plan bio je dovesti kalijev uranil sulfat na sunčevu svjetlost, a zatim ga dovesti u kontakt fotografskim pločicama umotanim u crni papir, jer dok se vidljiva svjetlost ne bi probila, X-zrake bi. Unatoč nedostatku sunčeve svjetlosti, ipak je odlučio proći postupak i šokirao se kad je otkrio slike još uvijek zabilježene na fotografskoj ploči.
Daljnja ispitivanja pokazala su da to uopće nisu bili rentgenski snimci, unatoč njegovim pretpostavkama. Put svjetlosti ne savija magnetsko polje, već zračenje urana je jedan skrenuo, i to je - zajedno s prvim rezultatom - otkriveno zračenje. Marie Curie skovala je pojam radioaktivnost, a zajedno sa suprugom Pierreom otkrila je polonij i radij, utvrđujući precizne izvore radioaktivnosti.
Kasnije je Ernest Rutherford smislio pojmove alfa čestice, beta čestice i gama čestice za zračeni materijal i polje nuklearna fizika stvarno krenuo.
Naravno, ljudi sada znaju puno više o nuklearnoj fizici nego što su znali na prijelazu u 20. stoljeće, i to je presudna tema koju treba razumjeti i naučiti o bilo kojem studentu fizike. Bez obzira želite li razumjeti prirodu nuklearne energije, jake i slabe nuklearne sile ili doprinijeti područjima poput nuklearne medicine, neophodno je naučiti osnove.
Što je nuklearna fizika?
Nuklearna fizika je u osnovi fizika jezgre, dio atoma koji sadrži dva najpoznatija "Hadroni", protoni i neutroni.
Posebno se osvrće na snage koje djeluju u jezgra (snažna interakcija koja veže protone i neutrone u jezgri, kao i zadržavanje njihove komponente kvarkovi zajedno, i slaba interakcija koja se odnosi na radioaktivni raspad), te interakcija jezgri s drugima čestice.
Nuklearna fizika pokriva teme poput nuklearne fuzije (koja se odnosi na energiju vezanja različitih elemenata), nuklearne fisije (koja je cijepanje teških elemenata radi proizvodnje energije), kao i radioaktivni raspad i osnovna struktura i sile u igri jezgra.
Postoje mnoge praktične primjene na tom području, uključujući (ali ne ograničavajući se na) rad u nuklearnoj energiji, nuklearnoj medicini i fizici visokih energija.
Građa atoma
An atom Sastoji se od jezgre koja sadrži pozitivno nabijene protone i nenabijene neutrone, a zajedno ih drži jaka nuklearna sila. Oni su okruženi negativno nabijenim elektronima, koji čine ono što se naziva "oblak" oko jezgre, a broj elektrona odgovara broju protona u neutralnom atomu.
Tijekom povijesti fizike predloženi su brojni modeli atoma, uključujući Thomsonovu „šljivu model pudinga, Rutherfordov i Bohrov „planetarni“ model i opisani moderni, kvantno-mehanički model iznad.
Jezgra je sićušna, oko 10−15 m, koji sadrži glavninu mase atoma, dok je cijeli atom veličine 10−10 m. Neka vas notacija ne zavara - to znači da je jezgra oko 100 000 puta manja od atoma, ali sadrži veliku većinu materije. Dakle, atom je pretežno prazan prostor!
Masa atoma ipak nije potpuno ista masi sastavnih dijelova: Ako zbrojite mase protona i neutrona, to već premašuje masu atoma, prije nego što uopće uzmete u obzir manju masu atoma elektron.
To se naziva "maseni nedostatak" atoma i ako pretvorite tu razliku u energiju pomoću Einsteinove poznate jednadžbe E = mc2, dobivate "energiju vezanja" jezgre.
To je energija koju biste morali unijeti u sustav da biste podijelili jezgru na sastavne protone i neutrone. Te su energije puno, puno veće od energije potrebne za uklanjanje elektrona iz njegove "orbite" oko jezgre.
Nuklearna tvar i nuklearna struktura
Dvije vrste nukleon (tj. čestica jezgre) su proton i neutron, a oni su čvrsto povezani u jezgri atoma.
Iako su to općenito nukleoni o kojima ćete čuti, oni zapravo nisu temeljne čestice u standardnom modelu fizike čestica. I proton i neutron sastoje se od temeljnih čestica tzv kvarkovi, koji dolaze u šest "okusa" i svaki nosi djelić naboja protona ili elektrona.
Gornji kvark ima 2/3 e naboj, gdje e je naboj elektrona, dok donji kvark ima −1/3 e naplatiti. To znači da bi dva gornja kvarka i donji kvark zajedno stvorili česticu s pozitivnim nabojem veličine e, koji je proton. S druge strane, gornji kvark i dva donja kvarka stvaraju česticu bez ukupnog naboja, neutron.
Standardni model fizike čestica
Standardni model katalogizira sve temeljne čestice koje su trenutno poznate i grupira ih u dvije glavne skupine: fermioni i bozoni. Fermioni podijeljeni su na kvarkove (koji zauzvrat proizvode hadrone poput protona i neutrona) i leptone (koji uključuju elektrone i neutrine), i bozoni podijeljeni su na mjerne i skalarne bozone.
Higgsov bozon je jedini skalarni bozon zasad poznat, s ostalim bozonima - fotonom, gluonom, Z-bosoni i W bozoni - biti mjerni bozoni.
Fermioni, za razliku od bozona, poštuju "zakone o očuvanju broja". Na primjer, postoji zakon očuvanja leptonskog broja, koji objašnjava stvari poput čestica nastalih kao dio nuklearnog raspada procese (jer stvaranje elektrona s leptonskim brojem 1, na primjer, mora biti uravnoteženo stvaranjem druge čestice s leptonskim brojem -1, poput elektronskog anti-neutrina).
Očuvan je i broj kvarkova, a postoje i druge očuvane količine.
Bozoni su čestice koje nose silu, pa interakcija osnovnih čestica posreduje bozoni. Primjerice, interakcija kvarkova posreduje se gluonima, a elektromagnetska interakcija fotonima.
Jaka nuklearna sila i slaba nuklearna sila
Iako se elektromagnetska sila primjenjuje u jezgri, glavne sile koje trebate uzeti u obzir su jake i slabe nuklearne sile. Jaku nuklearnu silu nose gluoni, a slabu nuklearnu silu W± i Z0 bozoni.
Kao što i samo ime govori, jaka nuklearna sila najjača je od svih temeljnih sila, nakon čega slijedi elektromagnetizam (102 puta slabija), slaba sila (106 puta slabija) i gravitacija (1040 puta slabiji). Ogromna je razlika između gravitacije i ostatka sila zašto je fizičari u osnovi zanemaruju kada raspravljaju o materiji na atomskoj razini.
Jaka sila potrebe biti jak za prevladavanje elektromagnetske odbojnosti između pozitivno nabijenih protona u jezgri - ako je imala bili slabiji od elektromagnetske sile, niti jedan atom s više od jednog protona u jezgri ne bi mogao oblik. Međutim, jaka sila ima vrlo kratak domet.
To je važno jer pokazuje zašto sila nije uočljiva ni na skali cijelih atoma ili molekula, ali to također znači da elektromagnetska odbojnost postaje relevantnija za teške jezgre (tj. veći atomi). To je jedan od razloga zašto su nestabilne jezgre često one teških elemenata.
Slaba sila također ima vrlo mali domet i u osnovi uzrokuje promjenu okusa kvarkova. To može uzrokovati da proton postane neutron i obrnuto, pa se na njega može gledati kao na uzrok nuklearni raspad procesi poput beta plus i minus propadanja.
Radioaktivni raspad
Postoje tri vrste radioaktivnog raspada: alfa raspad, beta raspad i gama raspad. Alfa raspad je kada se atom raspada oslobađanjem "alfa čestice", što je drugi izraz za jezgru helija.
Postoje tri podvrste beta propadanja, ali sve uključuju proton koji se pretvara u neutron ili obrnuto. Beta minus raspad je kada neutron postane proton i u tom procesu oslobodi elektron i elektronski anti-neutrino, dok je u beta plus raspadu, proton postaje neutron i oslobađa pozitron (tj. antielektron) i elektron neutrino.
Pri hvatanju elektrona, elektron iz vanjskih dijelova atoma apsorbira se u jezgru i proton se pretvara u neutron, a neutrino se oslobađa iz procesa.
Gama raspad je raspad u kojem se oslobađa energija, ali ništa se u atomu ne mijenja. To je analogno načinu puštanja fotona kada elektron napravi prijelaz iz visokoenergetskog u niskoenergetsko stanje. Uzbuđena jezgra čini prijelaz u stanje niske energije i emitira gama zraku kao što to čini.
Nuklearna fisija i nuklearna fuzija
Nuklearna fuzija je kada se dvije jezgre stope i stvaraju težu jezgru. To je način na koji se energija generira na suncu, a postizanje procesa na Zemlji za proizvodnju električne energije jedan je od najvećih ciljeva eksperimentalne fizike.
Problem je što zahtijeva izuzetno visoke temperature i pritiske, a samim tim i vrlo visoku razinu energije. Međutim, ako ga znanstvenici postignu, fuzija bi mogla postati vitalni izvor energije kako društvo nastavlja rasti, a mi trošimo sve veće količine energije.
Nuklearna fizija je cijepanje teškog elementa na dvije lakše jezgre, a to je ono što pokreće trenutnu generaciju nuklearnih reaktora.
Fisija je također princip djelovanja nuklearnog oružja, što je jedan od glavnih razloga što je kontroverzno područje. U praksi fisija djeluje kroz niz lančanih reakcija. Neutron koji stvara početni rascjep u teškom elementu poput urana, generira daljnji slobodni neutron nakon reakcije, koji zatim može prouzročiti novi razdor i tako dalje.
U osnovi, oba ova procesa dobivaju energiju kroz E = mc2 relacija, budući da stapanje ili cijepanje atoma uključuje oslobađanje energije iz „nedostajuće mase“.
Primjene nuklearne fizike
Nuklearna fizika ima ogroman spektar primjena. Značajno je da nuklearni reaktori i nuklearne elektrane rade u mnogim zemljama svijeta, a mnogi fizičari rade na novim i sigurnijim projektima.
Na primjer, neki projekti nuklearnih reaktora imaju za cilj osigurati da se izvorni materijal ne može koristiti stvoriti nuklearno oružje, koje zahtijeva mnogo obogaćeniji izvor urana (tj. "čistiji" uran) operirati.
Nuklearna medicina je drugo važno područje za nuklearnu fiziku. Nuklearna medicina uključuje vrlo male količine radioaktivnog materijala koji se daju pacijentu, a zatim se detektori koriste za hvatanje slika od odašiljanog zračenja. To pomaže liječnicima u dijagnozi bubrega, štitnjače, srca i drugih stanja.
Naravno, postoje mnoga druga područja u kojima je u osnovi nuklearna fizika, uključujući fiziku visokih energija i čestice akceleratori poput CERN-a i astrofizike, gdje mnogi od dominantnih procesa u zvijezdama snažno ovise o nuklearnoj fizika.