Az atom- és a magfizika egyaránt leírja a nagyon kicsi fizikáját. Amikor ilyen kicsi tárgyakkal dolgozik, a klasszikus mechanika megértéséből kiinduló intuíciója gyakran kudarcot vall. Ez a kvantummechanika, a kis hatótávolságú atomerők, az elektromágneses sugárzás és a részecskefizika standard modellje.
Mi az atomfizika?
Az atomfizika a fizika azon ága, amely az atom felépítésével, a kapcsolódó energiaállapotokkal, valamint az atom részecskékkel és mezőkkel való kölcsönhatásával foglalkozik. Ezzel szemben a magfizika kifejezetten az atommag belsejében zajló folyamatokra összpontosít, amelyet a következő szakasz részletesen leír.
A részecskefizikában több tanulmány is szerepel. Első és legfontosabb maga az atom szerkezete. Az atomok egy szorosan kötött magból állnak, amely protonokat és neutronokat tartalmaz, valamint egy diffúz elektronfelhőből.
Tekintettel arra, hogy a mag általában 10-es nagyságrendű-15 10-ig-14 m átmérőjű, és maguk az atomok 10 nagyságrendűek-10 m átmérőjű (és az elektronok mérete elhanyagolható), kiderül, hogy az atomok többnyire üres tér. Természetesen nem tűnnek olyanoknak, mint amilyenek, és az atomokból készült anyag minden bizonnyal szubsztanciának tűnik.
Annak oka, hogy az atomok nem tűnnek többnyire üres térnek, az az, hogy Ön is atomokból áll, és minden atom kölcsönhatásba lép az elektromágneses energiával. Annak ellenére, hogy a kezed, amely többnyire üres helyű atomokból áll, nekinyomódik egy asztalnak, amely szintén többnyire üres tér, az atomok közötti elektromágneses erők miatt nem lép át az asztalon, amikor bejönnek kapcsolatba lépni.
A neutrino, az elektromágneses erővel nem kölcsönhatásba lépő részecske azonban gyakorlatilag észrevétlenül képes áthaladni a legtöbb atomi anyagon. Valójában másodpercenként 100 billió neutrinó halad át a testeden!
Atom osztályozás
Az atomokat atomszám szerint osztályozzuk a periódusos rendszerben. Az atomszám az atom magjában lévő protonok száma. Ez a szám határozza meg az elemet.
Míg egy adott elemnek mindig ugyanannyi protonja lesz, különböző számú neutronot tartalmazhat. Egy elem különböző izotópjai eltérő számú neutronot tartalmaznak. Egyes izotópok stabilabbak, mint mások (vagyis kevésbé valószínű, hogy spontán bomlik valamivé), és ez a stabilitás tipikusan a neutronok számától függ, ezért az atomok többsége esetében az atomok többsége általában egy adott izotóp.
Az atomok által tartalmazott elektronok száma meghatározza, hogy ionizált vagy töltött-e. A semleges atom ugyanannyi elektronot tartalmaz, mint a protonok, de néha az atomok megszerezhetik vagy elveszíthetik az elektronokat, és feltöltődhetnek. Az, hogy az atom milyen könnyen nyer vagy veszít elektronokat, annak elektronpálya-szerkezetétől függ.
A hidrogénatom a legegyszerűbb atom, csak egy protont tartalmaz a magjában. A hidrogén három legstabilabb izotópja a protium (neutronokat nem tartalmaz), a deutérium (egy neutront tartalmaz) és a trícium (két neutronot tartalmaz), a protium a legelterjedtebb.
Az évek során az atom különböző modelljeit javasolták, amelyek a jelenlegi modellhez vezettek. A korai munkát Ernest Rutherford, Niels Bohr és mások végezték.
Abszorpciós és emissziós spektrumok
Mint említettük, az atomok kölcsönhatásba lépnek az elektromágneses erővel. Az atom protonjai pozitív töltést, az elektronok pedig negatív töltést hordoznak. Az atomban lévő elektronok képesek elnyelni az elektromágneses sugárzást és ennek eredményeként magasabb energiaállapotot elérni, vagy sugárzást bocsáthatnak ki és alacsonyabb energiaállapotba mozoghatnak.
A sugárzás elnyelésének és kibocsátásának egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy az atomok csak nagyon specifikus kvantált értékeken veszik fel és bocsátják ki a sugárzást. És minden más típusú atom esetében ezek a specifikus értékek különböznek.
Forró atom anyagú gáz nagyon specifikus hullámhosszakon bocsát ki sugárzást. Ha az ebből a gázból származó fény áthalad egy spektroszkópon, amely a fényt hullámhosszon (mint egy szivárvány) egy spektrumban terjeszti, különálló emissziós vonalak jelennek meg. A gázból származó emissziós vezetékek halmaza szinte vonalkódként olvasható, amely pontosan megmondja, hogy milyen atomok vannak a gázban.
Hasonlóképpen, ha egy hűvös gázon folyamatos fényspektrum fordul elő, és az a gáz, amely ezen a gázon áthalad, az spektroszkópon áthaladva, folyamatos spektrumot látni sötét résekkel a gáz meghatározott hullámhosszain elnyelt. Ez az abszorpciós spektrum úgy fog kinézni, mint az emissziós spektrum fordítottja, a sötét vonalak ott jelennek meg, ahol a fényes vonalak ugyanahhoz a gázhoz tartoznak. Mint ilyen, úgy is olvasható, mint egy vonalkód, amely megmondja a gáz összetételét. A csillagászok ezt folyamatosan használják az anyag összetételének meghatározására az űrben.
Mi az atomfizika?
Az atomfizika az atommagra, a magreakciókra és a mag és más részecskék kölcsönhatására összpontosít. Többek között a radioaktív bomlást, a magfúziót és a maghasadást, valamint a kötőenergiát kutatja.
A mag tartalmaz egy szorosan kötött proton- és neutroncsomót. Ezek azonban nem alapvető részecskék. A protonok és a neutronok még kisebb részecskékből, ún kvarkok.
A kvarkok részleges töltésűek és kissé ostoba nevűek. Hat úgynevezett ízben kaphatók: fel, le, fent, lent, furcsán és bájosan. A neutron két lefelé és egy fel kvarkból áll, a proton pedig két fel és egy kvarkból áll. Az egyes nukleonokban lévő kvarkokat szorosan megköti az erős nukleáris erő.
Az erős nukleáris erőt az úgynevezett részecskék közvetítik ragasztók. Érzékelsz egy témát? A tudósok nagyon szórakoztatóan nevezték meg ezeket a részecskéket! A glükonok természetesen „ragasztják” össze a kvarkokat. Az erős atomerő csak nagyon rövid hatótávolságon hat - az átlagos méretű mag átmérőjéhez hasonló távolságban.
Kötési energia
Minden izolált neutron tömege 1,6749275 × 10-27 kg, és minden izolált proton tömege 1,6726219 × 10-27 kg; az atommagban összekötve azonban az atomtömeg nem az alkotórészeinek összege valamilyen kötési energiának köszönhető.
Azáltal, hogy szorosan kötődnek, a nukleonok alacsonyabb energiaállapotot érnek el, mivel az egyes részecskék részleges energiájává alakulnak. Ezt az energiává átalakuló tömegkülönbséget a mag kötési energiájának nevezzük. Az a kapcsolat, amely leírja, hogy mennyi energia felel meg egy adott tömegmennyiségnek, Einstein híres E = mc2 egyenlet hol m a tömeg, c a fénysebesség és E az energia.
Kapcsolódó fogalom a nukleononkénti kötési energia, amely egy mag teljes kötési energiája az alkotórészekre átlagolva. A nukleononkénti kötési energia jól jelzi, hogy a mag mennyire stabil. Az egy nukleonra jutó alacsony kötési energia azt jelzi, hogy az alacsonyabb összenergia kedvezőbb állapota létezhet ehhez adott mag, vagyis valószínűleg szét akar széthúzódni, vagy összeolvad egy másik maggal a megfelelő alatt körülmények.
Általánosságban elmondható, hogy a vasmagnál könnyebb magok általában alacsonyabb energiaállapotokat és egy kötési más magokkal, míg a vasnál nehezebb magok hajlamosak alacsonyabb energiaállapotokat elérni, ha könnyebbekre szakadnak magok. A folyamatokat, amelyeken keresztül ezek a változások bekövetkeznek, a következő szakasz ismerteti.
Hasadás, fúzió és radioaktív bomlás
A magfizika fő célja az atommagok hasadásának, fúziójának és bomlásának tanulmányozása. Ezeket a folyamatokat az az alapvető elképzelés vezérli, hogy minden részecske az alacsonyabb energiaállapotokat részesíti előnyben.
A hasadás akkor következik be, amikor egy nehéz mag kisebb magokra bomlik. A nagyon nehéz magok hajlamosabbak erre, mert nukleononként kisebb a kötési energiájuk. Mint emlékszel, néhány erő irányítja az atommagban zajló eseményeket. Az erős nukleáris erő szorosan összeköti a nukleonokat, de ez nagyon rövid hatótávolságú erő. Tehát nagyon nagy magok esetében kevésbé hatékony.
A pozitív töltésű protonok a magban az elektromágneses erő révén is taszítják egymást. Ezt az taszítást az erős nukleáris erőnek kell leküzdenie, és az is közvetíthető, ha elegendő neutron van körülötte. De minél nagyobb a mag, annál kevésbé kedvező az erőegyensúly a stabilitás szempontjából.
Ezért a nagyobb magok hajlamosak szétszakadni akár radioaktív bomlási folyamatok révén, akár olyan hasadási reakciók révén, amelyek atomreaktorokban vagy hasadási bombákban fordulnak elő.
A fúzió akkor következik be, amikor két könnyebb mag elér egy kedvezőbb energiaállapotot egy nehezebb maggá egyesülve. Ahhoz azonban, hogy a hasadás létrejöjjön, a szóban forgó magoknak elég közel kell lenniük egymáshoz ahhoz, hogy az erős nukleáris erő átvehesse. Ez azt jelenti, hogy elég gyorsan kell mozogniuk ahhoz, hogy legyőzzék az elektromos taszítást.
Az atommagok szélsőséges hőmérsékleten gyorsan mozognak, ezért erre az állapotra gyakran szükség van. Így képes a magfúzió a nap rendkívül forró magjában végbemenni. A tudósok a mai napig még mindig megpróbálják megtalálni a hidegfúzió - vagyis alacsonyabb hőmérsékleten történő fúzió - megvalósításának módját. Mivel az energia felszabadul a fúziós folyamat során, és nem hagy radioaktív hulladékot, mint általában a hasadási reaktorok, hihetetlen energiaforrás lenne, ha megvalósulna.
A radioaktív bomlás egy általános eszköz, amellyel a magok változásokon mennek keresztül, hogy stabilabbá váljanak. A bomlásnak három fő típusa van: alfa-bomlás, béta-bomlás és gamma-bomlás.
Alfa-bomlás során egy radioaktív mag felszabadít egy alfa-részecskét (egy hélium-4 mag), és ennek következtében stabilabbá válik. A béta-bomlás néhány változatban létezik, de lényegében abból adódik, hogy a neutron proton lesz, vagy a proton neutron lesz, és egy β- vagy β+ részecske (elektron vagy pozitron). A gamma bomlása akkor következik be, amikor egy gerjesztett állapotú sejtmag energiát szabadít fel gamma sugarak formájában, de megtartja a neutronok és protonok teljes számát.
A részecskefizika standard modellje
A magfizika tanulmánya kiterjed a részecskefizika nagyobb területére, amelynek célja az összes alapvető részecske működésének megértése. A standard modell a részecskéket fermionokba és bozonokba sorolja, majd a fermionokat kvarkokba és leptonokba, a bozonokat pedig nyomtávú és skaláris bozonokba sorolja.
A boszonok nem tartják be a számmegőrzési törvényeket, de a fermionok. Van egy megőrzési törvény mind a lepton, mind a kvark számok mellett, a többi konzervált mennyiség mellett. Az alapvető részecskék kölcsönhatásait az energiát hordozó bozonok közvetítik.
A nukleáris fizika és az atomfizika alkalmazásai
A nukleáris és atomfizikai alkalmazások bőségesek. Az atomerőművek atomreaktorai tiszta energiát hoznak létre a hasadási folyamatok során felszabaduló energia felhasználásával. A nukleáris orvoslás radioaktív izotópokat használ a képalkotáshoz. Az asztrofizikusok spektroszkópiával határozzák meg a távoli ködök összetételét. A mágneses rezonancia képalkotás lehetővé teszi az orvosok számára, hogy részletes képeket készítsenek a betegek belsejéről. Még a röntgentechnika is felhasználja a magfizikát.