1896-ban Párizsban több felhős nap "tönkretette" Henri Becquerel kísérletét, de közben megszületett az atomfizika területe. Becquerel azon volt, hogy bebizonyítsa hipotézisét, miszerint az urán elnyelte a napfényt, és újból sugározta röntgen formájában, amelyet az előző évben fedeztek fel.
Nukleáris fizika alapjai: Történelem és felfedezés
Becquerel terve az volt, hogy a kálium-uranil-szulfátot a napfénybe hozza, majd érintkezésbe hozza fekete papírba csomagolt fényképes lemezekkel, mert bár a látható fény nem jutna át, a röntgensugarak lenne. A napfény hiánya ellenére úgy döntött, hogy mégis végigcsinálja a folyamatot, és megdöbbent, amikor felfedezte a fényképes lemezre még rögzített képeket.
A további tesztek azt mutatták, hogy feltételezései ellenére egyáltalán nem röntgen. A fény útját nem egy mágneses tér hajlítja, hanem a az urán sugárzása egy eltérítette, és az első eredménnyel együtt fedezték fel a sugárzást. Marie Curie találta ki a radioaktivitás kifejezést, és férjével, Pierre-lel együtt felfedezte a polóniumot és a rádiumot, rögzítve a radioaktivitás pontos forrásait.
Később Ernest Rutherford előállította az alfa részecskék, a béta részecskék és a gamma részecskék kifejezéseket a kisugárzott anyagra és a magfizika tényleg elindult.
Természetesen az emberek sokkal többet tudnak az atomfizikáról, mint a 20. század elején, és ez egy döntő téma, amelyet meg kell érteni és meg kell tanulni minden fizikus hallgató számára. Akár meg akarja érteni az atomenergia természetét, az erős és gyenge nukleáris erőket, akár hozzájárul az olyan területekhez, mint a nukleáris orvoslás, elengedhetetlen az alapok megtanulása.
Mi az atomfizika?
Az atomfizika lényegében a mag fizikája, az atom azon része, amely a két legismertebbet tartalmazza „Hadronok” protonok és neutronok.
Különösen a atommag (az erős kölcsönhatás, amely összeköti a protonokat és a neutronokat a magban, valamint megtartja azok összetevőjét kvarkok együtt, és a radioaktív bomlással kapcsolatos gyenge kölcsönhatás), valamint a magok kölcsönhatása másokkal részecskék.
Az atomfizika olyan témákat ölel fel, mint a magfúzió (amely a különböző elemek kötési energiájához kapcsolódik), a maghasadás (amely a nehéz elemek hasadása energia előállítása céljából), valamint a radioaktív bomlás, valamint a atommag.
Számos gyakorlati alkalmazás létezik a területen, beleértve (de nem kizárólagosan) az atomenergiában, a nukleáris orvostudományban és a nagyenergiájú fizikában való munkát.
Az Atom felépítése
An atom egy olyan magból áll, amely a pozitív töltésű protonokat és a töltés nélküli neutronokat tartalmazza, amelyeket az erős nukleáris erő tart össze. Ezeket negatív töltésű elektronok veszik körül, amelyek az úgynevezett „felhő” -et alkotják a mag körül, és az elektronok száma megegyezik a semleges atom protonjainak számával.
A fizika története során számos atommodellt javasoltak, beleértve Thomson „szilvaját” puding ”modell, Rutherford és Bohr„ bolygó ”modellje és a leírt modern, kvantummechanikai modell felett.
A mag apró, 10 körül van−15 m, amely az atom tömegének nagy részét tartalmazza, míg az egész atom 10-es nagyságrendű−10 m. Ne hagyja, hogy a jelölés becsapjon - ez azt jelenti, hogy a mag körülbelül 100 000-szer kisebb, mint az atom, de az anyag túlnyomó részét tartalmazza. Tehát az atom túlnyomórészt üres tér!
Az atom tömege azonban nem teljesen azonos az alkotórészek tömegével: Ha összeadjuk az protonok és neutronok, ez már meghaladja az atom tömegét, még mielőtt az a sokkal kisebb tömegét is figyelembe venné elektron.
Ezt nevezzük az atom „tömeghibájának”, és ha ezt a különbséget energiává alakítjuk, Einstein híres egyenlete alapján E = mc2, megkapja a mag „kötési energiáját”.
Ez az az energia, amelyet be kellene raknia a rendszerbe ahhoz, hogy a magot alkotó protonjaivá és neutronjává hasítsa. Ezek az energiák sokkal-sokkal nagyobbak, mint az az energia, amely ahhoz szükséges, hogy egy elektron eltávolítható legyen a mag körüli „pályájáról”.
Nukleáris anyag és nukleáris szerkezet
A kétféle nukleon (vagyis a mag részecskéje) a proton és a neutron, és ezek szorosan kötődnek egymáshoz az atom magjában.
Bár ezek általában azok a nukleonok, amelyekről hallani fog, valójában nem részecskék a részecskefizika standard modelljében. A proton és a neutron egyaránt nevezett alapvető részecskékből áll kvarkok, amelyek hat „ízben” érkeznek, és mindegyik egy proton vagy egy elektron töltésének töredékét hordozza.
Egy fel kvarknak 2/3-a van e töltés, hol e az elektron töltése, míg a lefelé kvark −1/3 e díj. Ez azt jelenti, hogy két felfelé kvark és egy lefelé kvark együttesen pozitív nagyságú töltést eredményezne e, amely egy proton. Másrészt egy felfelé kvark és két lefelé kvark egy teljes töltés nélküli részecskét, a neutront eredményez.
A részecskefizika standard modellje
A standard modell az összes jelenleg ismert alapvető részecskét katalogizálja, és két fő csoportba sorolja őket: a fermionok és a bozonok. Fermionok kvarkokra (amelyek viszont olyan hadronokat termelnek, mint a protonok és a neutronok) és a leptonokra (amelyek elektronokat és neutrínókat tartalmaznak), és bozonok szelvényekre és skaláris bozonokra vannak felosztva.
A Higgs Boson az egyetlen eddig ismert skaláris bozon, a többi bozonnal együtt - a foton, a gluon, Z-bosonok és W bozonok - lévén mérő bozonok.
A bermákkal ellentétben a fermionok betartják a „számmegőrzési törvényeket”. Például létezik a leptonszám megőrzésének törvénye, amely olyan dolgokat magyaráz meg, mint a magbomlás részeként keletkező részecskék folyamatok (mivel például az 1-es leptonszámú elektron létrehozását egyensúlyba kell hozni egy másik, -1-leptonszámú részecske létrehozásával, például egy elektron-anti-neutrino-val).
A kvarkszám szintén konzervált, és vannak más konzervált mennyiségek is.
A boszonok erőhordozó részecskék, ezért az alapvető részecskék kölcsönhatásait a bozonok közvetítik. Például a kvarkok kölcsönhatását a gluonok, az elektromágneses kölcsönhatásokat pedig a fotonok közvetítik.
Erős és gyenge atomerő
Bár az elektromágneses erő a magban érvényesül, a fő erők, amelyeket figyelembe kell venni, az erős és gyenge atomerők. Az erős atomerőt gluonok, a gyenge atomerőt pedig a W± és a Z0 bozonok.
Ahogy a neve is mutatja, az erős nukleáris erő a legerősebb az összes alapvető erő közül, amelyet az elektromágnesesség követ (102 szer gyengébb), a gyenge erő (106 szer gyengébb) és a gravitáció (1040 alkalommal gyengébb). A gravitáció és a többi erő közötti hatalmas különbség miatt a fizikusok lényegében elhanyagolják, amikor az anyag atomi szinten tárgyalnak.
Az erős erő igények erős legyőzni az elektromágneses taszítást a pozitív töltésű protonok között a magban - ha ez megtörtént volna gyengébb volt, mint az elektromágneses erő, egyetlen atom sem volt képes a magban egynél több protonnal rendelkezni forma. Az erős erő azonban nagyon rövidtávú.
Ez azért fontos, mert megmutatja, hogy az erő miért nem észlelhető még az egész atomok skáláján vagy molekulák, de ez azt is jelenti, hogy az elektromágneses taszítás relevánsabbá válik a nehéz magok (azaz nagyobb atomok). Ez az egyik oka annak, hogy az instabil magok gyakran a nehéz elemeké.
A gyenge erőnek nagyon rövid a hatótávolsága, és ez lényegében a kvarkok ízét változtatja meg. Ez azt eredményezheti, hogy egy proton neutronná válik, és fordítva, és így felfogható annak okaként nukleáris bomlás olyan folyamatok, mint a béta plusz és a mínusz bomlás.
Radioaktív bomlás
A radioaktív bomlásnak három típusa van: alfa, béta és gamma bomlás. Az alfa-bomlás az, amikor az atom lebomlik egy „alfa-részecske” felszabadításával, amely egy másik kifejezés a héliummagra.
A béta-bomlásnak három altípusa van, de mindegyikben egy proton vált neutronná vagy fordítva. A béta mínusz bomlás az, amikor egy neutron protonná válik, és közben felszabadít egy elektront és egy elektron anti-neutrínót, míg a béta és a bomlás során a proton neutronrá válik, és egy pozitron (azaz egy anti-elektron) és egy elektron szabadul fel. neutrino.
Az elektron befogásában az atom külső részeiből származó elektron felszívódik a sejtmagba, és egy protont neutronná alakít át, és egy neutrino felszabadul a folyamatból.
A gamma-bomlás olyan bomlás, ahol az energia felszabadul, de az atomban semmi sem változik. Ez analóg a foton felszabadulásának módjával, amikor az elektron áttér egy nagy energiájú állapotból egy alacsony energiájú állapotba. A gerjesztett mag áttér egy alacsony energiájú állapotra, és gamma-sugárzást bocsát ki, ahogyan teszi.
Atommaghasadás és magfúzió
Nukleáris fúzió az, amikor két mag összeolvad és nehezebb magot hoz létre. Így keletkezik az energia a napon, és az, hogy az energiatermeléshez a Földön bekövetkező folyamat bekapcsolódjon, a kísérleti fizika egyik legnagyobb célja.
A probléma az, hogy rendkívül magas hőmérsékletet és nyomást, és ezért nagyon magas energiaszintet igényel. Ha azonban a tudósok elérték, akkor a fúzió létfontosságú áramforrássá válhat, mivel a társadalom folyamatosan növekszik, és egyre nagyobb mennyiségű energiát fogyasztunk.
Nukleáris maghasadás egy nehéz elem felosztása két könnyebb magra, és ez hajtja végre az atomreaktorok jelenlegi generációját.
A hasadás a nukleáris fegyverek működési elve is, ami az egyik fő oka annak, hogy ellentmondásos területről van szó. A gyakorlatban a hasadás láncreakciók sorozatán keresztül működik. Az a neutron, amely létrehozza a kezdeti hasadást egy olyan nehéz elemben, mint az urán, a reakció után további szabad neutront generál, amely ezután újabb hasadást okozhat stb.
Lényegében mindkét folyamat energiát nyer a E = mc2 kapcsolatban, mivel az atomok összeolvadása vagy hasítása energia felszabadulást jelent a „hiányzó tömegből”.
A nukleáris fizika alkalmazásai
A nukleáris fizika alkalmazásainak óriási köre van. Különösen az atomreaktorok és az atomerőművek működnek a világ számos országában, és sok fizikus dolgozik új és biztonságosabb terveken.
Például egyes atomreaktorok célja annak biztosítása, hogy a nyersanyagot ne lehessen használni készítsen nukleáris fegyvereket, amelyekhez sokkal dúsítottabb uránforrás (azaz „tisztább” urán) szükséges működtet.
Nukleáris gyógyszer a nukleáris fizika másik fontos területe. A nukleáris gyógyászatban nagyon kis mennyiségű radioaktív anyagot kell beadni a betegnek, majd detektorokat használnak a leadott sugárzás képeinek rögzítésére. Ez segít az orvosoknak a vese, pajzsmirigy, szív és egyéb állapotok diagnosztizálásában.
Természetesen sok más olyan terület van, ahol a magfizika lényegében szerepel, ideértve a nagyenergiás fizikát és a részecskéket is olyan gyorsítók, mint a CERN, és az asztrofizika, ahol a csillagokban uralkodó folyamatok közül sok erősen függ az atomtól fizika.