Fisica nucleare: cos'è, chi l'ha scoperta e perché è importante?

Diversi giorni nuvolosi a Parigi nel 1896 "rovinarono" l'esperimento di Henri Becquerel, ma nel processo nacque il campo della fisica nucleare. Becquerel voleva dimostrare la sua ipotesi che l'uranio assorbisse la luce solare e la riirradiasse sotto forma di raggi X, scoperta l'anno precedente.

Il piano di Becquerel era di portare il solfato di uranile di potassio alla luce del sole e poi metterlo in contatto con lastre fotografiche avvolte in carta nera, perché mentre la luce visibile non ce la farebbe, i raggi X voluto. Nonostante la mancanza di luce solare, ha deciso di eseguire comunque il processo ed è rimasto scioccato quando ha scoperto le immagini ancora registrate sulla lastra fotografica.

Ulteriori test hanno mostrato che non si trattava affatto di raggi X, nonostante le sue ipotesi. Il percorso della luce non è piegato da un campo magnetico, ma dal radiazioni dall'uranio è stato deviato da uno, e questo, insieme al primo risultato, è stato il modo in cui è stata scoperta la radiazione. Marie Curie coniò il termine radioattività e, insieme a suo marito Pierre, scoprì il polonio e il radio, individuando le fonti precise della radioattività.

Più tardi, Ernest Rutherford ha inventato i termini particelle alfa, particelle beta e particelle gamma per il materiale irradiato e il campo di fisica Nucleare davvero andato.

Naturalmente, le persone sanno molto di più sulla fisica nucleare ora di quanto non ne sapessero all'inizio del XX secolo, ed è un argomento cruciale da comprendere e conoscere per qualsiasi studente di fisica. Sia che tu voglia comprendere la natura dell'energia nucleare, le forze nucleari forti e deboli o contribuire a campi come la medicina nucleare, l'apprendimento delle basi è essenziale.

La fisica nucleare è essenzialmente la fisica del nucleo, la parte dell'atomo che contiene i due più noti "adroni", protoni e neutroni.

In particolare, esamina le forze che operano nel operating nucleo (l'interazione forte che lega insieme protoni e neutroni nel nucleo, oltre a trattenere i loro componenti quark insieme, e l'interazione debole relativa al decadimento radioattivo), e l'interazione dei nuclei con altri particelle.

La fisica nucleare copre argomenti come la fusione nucleare (che riguarda l'energia di legame di diversi elementi), la fissione nucleare (che è la scissione di elementi pesanti per produrre energia), così come il decadimento radioattivo e la struttura di base e le forze in gioco nel nucleo.

Ci sono molte applicazioni pratiche del campo, incluso (ma non limitato a) lavorare nell'energia nucleare, nella medicina nucleare e nella fisica delle alte energie.

Un atomo è composto da un nucleo, che contiene i protoni con carica positiva e i neutroni senza carica, tenuti insieme dalla forza nucleare forte. Questi sono circondati da elettroni con carica negativa, che formano quella che viene chiamata una "nube" attorno al nucleo, e il numero di elettroni corrisponde al numero di protoni in un atomo neutro.

Ci sono stati numerosi modelli dell'atomo proposti nel corso della storia della fisica, compreso il "prugna" di Thomson budino", il modello "planetario" di Rutherford e Bohr e il moderno modello di meccanica quantistica descritto sopra.

Il nucleo è minuscolo, a circa 10⁻¹⁵ m, contenente il grosso della massa dell'atomo, mentre l'intero atomo è dell'ordine di 10⁻¹⁰ m. Non lasciarti ingannare dalla notazione: questo significa che il nucleo è circa 100.000 volte più piccolo dell'atomo in generale, ma contiene la stragrande maggioranza della materia. Quindi l'atomo è prevalentemente spazio vuoto!

La massa dell'atomo non è esattamente la stessa della massa delle parti costituenti però: se si sommano le masse dei protoni e neutroni, supera già la massa dell'atomo, prima ancora che si tenga conto della massa molto più piccola dell'atomo. elettrone.

Questo è chiamato il "difetto di massa" dell'atomo, e se converti questa differenza in energia usando la famosa equazione di Einstein E = mc², si ottiene l'"energia di legame" del nucleo.

Questa è l'energia che dovresti mettere nel sistema per dividere il nucleo nei suoi costituenti protoni e neutroni. Queste energie sono molto, molto più grandi dell'energia necessaria per rimuovere un elettrone dalla sua "orbita" attorno al nucleo.

I due tipi di nucleone (cioè particella del nucleo) sono il protone e il neutrone, e questi sono strettamente legati insieme nel nucleo dell'atomo.

Sebbene questi siano generalmente i nucleoni di cui sentirete parlare, in realtà non sono particelle fondamentali nel modello standard della fisica delle particelle. Il protone e il neutrone sono entrambi composti da particelle fondamentali chiamate quark, che sono disponibili in sei "sapori" e ciascuno trasporta una frazione della carica di un protone o di un elettrone.

Un quark up ha 2/3 e carica, dove e è la carica di un elettrone, mentre un quark down ha -1/3 e caricare. Ciò significa che due quark up e un quark down combinati produrrebbero una particella con una carica positiva di grandezza e, che è un protone. D'altra parte, un quark up e due quark down producono una particella senza carica complessiva, il neutrone.

Il modello standard cataloga tutte le particelle fondamentali attualmente conosciute e le raggruppa in due gruppi principali: fermioni e bosoni. fermioni sono suddivisi in quark (che a loro volta producono adroni come protoni e neutroni) e leptoni (che includono elettroni e neutrini), e bosoni sono suddivisi in bosoni di gauge e scalari.

Il bosone di Higgs è l'unico bosone scalare conosciuto finora, insieme agli altri bosoni: il fotone, il gluone, Z-bosoni e W bosoni – essendo bosoni di gauge.

I fermioni, a differenza dei bosoni, obbediscono alle "leggi di conservazione del numero". Ad esempio, esiste una legge di conservazione del numero di leptoni, che spiega cose come le particelle prodotte come parte del decadimento nucleare processi (perché la creazione di un elettrone con numero leptone 1, ad esempio, deve essere bilanciata con la creazione di un'altra particella con numero leptone -1, come un antineutrino elettronico).

Anche il numero di quark è conservato e ci sono anche altre quantità conservate.

I bosoni sono particelle portatrici di forza, quindi le interazioni delle particelle fondamentali sono mediate dai bosoni. Ad esempio, l'interazione dei quark è mediata dai gluoni e le interazioni elettromagnetiche sono mediate dai fotoni.

Sebbene la forza elettromagnetica si applichi nel nucleo, le forze principali che devi considerare sono le forze nucleari forti e deboli. La forza nucleare forte è trasportata dai gluoni e la forza nucleare debole è trasportata da W^± e il Z⁰ bosoni.

Come suggerisce il nome, la forza nucleare forte è la più forte di tutte le forze fondamentali, seguita dall'elettromagnetismo (10² volte più debole), la forza debole (10⁶ volte più debole) e gravità (10⁴⁰ volte più debole). L'enorme differenza tra la gravità e il resto delle forze è il motivo per cui i fisici essenzialmente la trascurano quando discutono della materia a livello atomico.

La forza forte esigenze essere forte per vincere la repulsione elettromagnetica tra i protoni caricati positivamente nel nucleo – se lo avesse fatto stato più debole della forza elettromagnetica, nessun atomo con più di un protone nel nucleo sarebbe stato in grado di modulo. Tuttavia, la forza forte ha un carattere molto corto raggio.

Questo è importante perché mostra perché la forza non è percepibile nemmeno sulla scala di interi atomi o molecole, ma significa anche che la repulsione elettromagnetica diventa più rilevante per i nuclei pesanti (es. atomi più grandi). Questo è uno dei motivi per cui i nuclei instabili sono spesso quelli degli elementi pesanti.

La forza debole ha anche un intervallo molto breve e sostanzialmente fa sì che i quark cambino sapore. Questo può far diventare un protone un neutrone e viceversa, e quindi può essere pensato come la causa di the decadimento nucleare processi come il decadimento beta più e meno.

Esistono tre tipi di decadimento radioattivo: decadimento alfa, decadimento beta e decadimento gamma. Il decadimento alfa è quando un atomo decade rilasciando una "particella alfa", che è un altro termine per un nucleo di elio.

Esistono tre sottotipi di decadimento beta, ma tutti coinvolgono un protone che si trasforma in un neutrone o viceversa. Un decadimento beta meno è quando un neutrone diventa un protone e rilascia un elettrone e un antineutrino elettronico nel processo, mentre in beta più decadimento, un protone diventa un neutrone e rilascia un positrone (cioè un anti-elettrone) e un elettrone neutrino.

Nella cattura di elettroni, un elettrone dalle parti esterne dell'atomo viene assorbito nel nucleo e un protone viene convertito in neutrone e dal processo viene rilasciato un neutrino.

Il decadimento gamma è un decadimento in cui l'energia viene rilasciata ma non cambia nulla nell'atomo. Questo è analogo al modo in cui un fotone viene rilasciato quando un elettrone effettua una transizione da uno stato ad alta energia a uno stato a bassa energia. Un nucleo eccitato fa una transizione verso uno stato di bassa energia ed emette un raggio gamma mentre lo fa.

Fusione nucleare è quando due nuclei si fondono e creano un nucleo più pesante. Questo è il modo in cui l'energia viene generata nel sole, e far sì che il processo avvenga sulla Terra per la generazione di energia è uno dei più grandi obiettivi per la fisica sperimentale.

Il problema è che richiede temperature e pressioni estremamente elevate, e quindi livelli energetici molto elevati. Tuttavia, se gli scienziati lo realizzassero, la fusione potrebbe diventare una fonte di energia vitale poiché la società continua a crescere e consumiamo quantità crescenti di energia.

Fissione nucleare è la scissione di un elemento pesante in due nuclei più leggeri, e questo è ciò che alimenta l'attuale generazione di reattori nucleari.

La fissione è anche il principio di funzionamento delle armi nucleari, che è uno dei motivi principali per cui è un'area controversa. In pratica, la fissione funziona attraverso una serie di reazioni a catena. Un neutrone che crea la scissione iniziale in un elemento pesante come l'uranio, genera un ulteriore neutrone libero dopo la reazione, che può poi continuare a provocare un'altra scissione e così via.

In sostanza, entrambi questi processi guadagnano energia attraverso il E = mc² relazione, poiché la fusione o la scissione degli atomi comporta un rilascio di energia dalla "massa mancante".

C'è una vasta gamma di applicazioni della fisica nucleare. In particolare, reattori nucleari e centrali nucleari sono operativi in ​​molti paesi del mondo e molti fisici stanno lavorando a progetti nuovi e più sicuri.

Ad esempio, alcuni progetti di reattori nucleari mirano a garantire che il materiale sorgente non possa essere utilizzato per creare armi nucleari, che richiedono una fonte di uranio molto più arricchita (cioè un uranio "più puro") per operare.

Medicina nucleare è un'altra area importante per la fisica nucleare. La medicina nucleare prevede la somministrazione al paziente di quantità molto piccole di materiale radioattivo, quindi i rivelatori vengono utilizzati per catturare immagini dalle radiazioni emesse. Questo aiuta i medici a diagnosticare reni, tiroide, cuore e altre condizioni.

Naturalmente, ci sono molte altre aree in cui la fisica nucleare è essenzialmente, inclusa la fisica delle alte energie e le particelle acceleratori come il CERN e l'astrofisica, dove molti dei processi dominanti nelle stelle dipendono fortemente dal nucleare fisica.