פיזיקה אטומית וגרעינית מתארים שניהם את הפיזיקה של הקטנים מאוד. כשעובדים עם חפצים קטנים כל כך, האינטואיציה שלך שנבנתה מהבנתך את המכניקה הקלאסית לרוב נכשלת. זהו תחום מכניקת הקוונטים, כוחות גרעיניים קצרי טווח, קרינה אלקטרומגנטית והמודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.
מהי פיזיקה אטומית?
פיזיקה אטומית היא הענף של הפיזיקה העוסק במבנה האטום, במצבי אנרגיה הקשורים ובאינטראקציה של האטום עם חלקיקים ושדות. לעומת זאת, הפיזיקה הגרעינית מתמקדת באופן ספציפי בנעשה בתוך גרעין האטום, המתואר ביתר פירוט בחלק הבא.
ישנם מספר פריטי לימוד בפיזיקת החלקיקים. בראש ובראשונה הוא מבנה האטום עצמו. אטומים מורכבים מגרעין קשור היטב, המכיל פרוטונים ונויטרונים, וענן אלקטרונים מפוזר.
בהתחשב בכך שהגרעין הוא בדרך כלל בסדר גודל של 10-15 עד 10-14 קוטר מ ', והאטומים עצמם הם בסדר גודל של 10-10 מ 'בקוטר (וגודל האלקטרונים זניח), מתברר שהאטומים הם בעיקר שטח ריק. כמובן שהם לא נראים כמו שהם וכל העניין עשוי אטומים בהחלט מרגיש כמו חומר.
הסיבה שהאטומים לא נראים כאילו הם בעיקר שטח ריק היא שאתה עשוי גם מאטומים, וכל האטומים מקיימים אינטראקציה עם אנרגיה אלקטרומגנטית. למרות שהיד שלך, שמורכבת בעיקר מאטומי שטח ריק, נלחצת על שולחן, מורכבת גם בעיקר חלל ריק, הוא לא עובר דרך השולחן בגלל הכוחות האלקטרומגנטיים בין האטומים כשהם נכנסים איש קשר.
הנייטרינו, חלקיק שאינו מתקשר עם הכוח האלקטרומגנטי, מסוגל לעבור דרך רוב החומר האטומי כמעט ללא גילוי. למעשה, 100 טריליון נייטרינים עוברים בגופך בכל שנייה!
סיווג אטום
האטומים מסווגים לפי מספר אטומי בטבלה המחזורית. המספר האטומי הוא מספר הפרוטונים שהאטום מכיל בגרעין שלו. מספר זה מגדיר את האלמנט.
בעוד שלאלמנט נתון תמיד יהיה מספר זהה של פרוטונים, הוא יכול להכיל מספרים שונים של נויטרונים. איזוטופים שונים של יסוד מכילים מספר שונה של נויטרונים. איזוטופים מסוימים יציבים יותר מאחרים (כלומר פחות סיכוי להירקב באופן ספונטני למשהו אחר), ויציבות זו תלוי בדרך כלל במספר הנייטרונים, ולכן עבור רוב האלמנטים רוב האטומים נוטים להיות ספציפיים אִיזוֹטוֹפּ.
מספר האלקטרונים שיש באטום קובע אם הוא מיונן, או טעון. אטום ניטרלי מכיל מספר אלקטרונים זהה לזה של פרוטונים, אך לעיתים אטומים יכולים לצבור או לאבד אלקטרונים ולהיות טעונים. באיזו קלות אטום צובר או מאבד אלקטרונים תלוי במבנה מסלול האלקטרונים שלו.
אטום המימן הוא האטום הפשוט ביותר, המכיל רק פרוטון אחד בגרעין שלו. שלושת האיזוטופים היציבים ביותר של מימן הם פרוטיום (שאינו מכיל נויטרונים), דאוטריום (המכיל נויטרון אחד) וטריטיום (המכיל שני נויטרונים) כאשר הפרוטיום הוא השכיח ביותר.
במהלך השנים הוצעו מודלים שונים של האטום, מה שהוביל למודל הנוכחי. עבודה מוקדמת נעשתה על ידי ארנסט רתרפורד, נילס בוהר ואחרים.
ספקטרום קליטה ופליטה
כאמור, אטומים מתקשרים עם הכוח האלקטרומגנטי. הפרוטונים באטום נושאים מטען חיובי והאלקטרונים נושאים מטען שלילי. האלקטרונים באטום יכולים לספוג קרינה אלקטרומגנטית ולהשיג מצב אנרגיה גבוה יותר כתוצאה מכך, או לפלוט קרינה ולעבור למצב אנרגיה נמוך יותר.
מאפיין מרכזי זה של קליטה ופליטה של קרינה הוא שאטומים סופגים ופולטים קרינה רק בערכים מכמתים ספציפיים מאוד. ולכל סוג אחר של אטום, ערכים ספציפיים אלה שונים.
גז חם של חומר אטומי יפלוט קרינה באורכי גל מאוד ספציפיים. אם האור המגיע מגז זה יועבר דרך ספקטרוסקופ, המפיץ את האור החוצה בספקטרום באורך גל (כמו קשת), יופיעו קווי פליטה מובהקים. מערך קווי הפליטה המגיעים מהגז יכול להיקרא כמעט כמו ברקוד המספר בדיוק מהם האטומים בגז.
באופן דומה, אם ספקטרום אור מתמשך מתרחש על גז קריר, והאור שעובר דרך הגז הוא אז עברו דרך ספקטרוסקופ, תראו ספקטרום רציף עם פערים כהים באורכי הגל הספציפיים שיש לגז ספג. ספקטרום קליטה זה ייראה כמו ההפוך מספקטרום הפליטה, הקווים הכהים מופיעים במקום בו היו הקווים הבהירים לאותו גז. ככזה, ניתן לקרוא אותו כמו ברקוד המספר לכם את הרכב הגז. אסטרונומים משתמשים בזה כל הזמן כדי לקבוע את הרכב החומר בחלל.
מהי פיזיקה גרעינית?
פיזיקה גרעינית מתמקדת בגרעין האטום, בתגובות גרעיניות ובאינטראקציה של הגרעין עם חלקיקים אחרים. הוא בוחן ריקבון רדיואקטיבי, היתוך גרעיני וביקוע גרעיני ואנרגיה מחייבת, בין היתר.
הגרעין מכיל גוש מאוגד היטב של פרוטונים ונויטרונים. עם זאת, אלה אינם חלקיקים בסיסיים. פרוטונים ונייטרונים עשויים חלקיקים קטנים עוד יותר הנקראים קווארקים.
הקווארקים הם חלקיקים עם מטען חלקי, ושמות טיפשיים במקצת. הם באים בשישה טעמים כביכול: למעלה, למטה, למעלה, למטה, מוזר וקסם. נויטרון מורכב משני קווארקים למטה וקווארק למעלה, ופרוטון עשוי משני קווארקים מעלים וקוורק למטה. הקווארקים בכל גרעין קשורים היטב בכוח הגרעיני החזק.
הכוח הגרעיני החזק מתווך על ידי חלקיקים הנקראים גלונים. האם אתה חש נושא? המדענים נהנו מאוד בכינוי שמות החלקיקים האלה! גלונים, כמובן, "מדביקים" את הקווארקים יחד. הכוח הגרעיני החזק פועל בטווח קצר בלבד - במרחק השווה לקוטר הגרעין הממוצע.
אנרגיה מחייבת
לכל נויטרון מבודד יש מסה של 1.6749275 × 10-27 ק"ג, ולכל פרוטון מבודד יש מסה של 1.6726219 × 10-27 ק"ג; עם זאת, כאשר הם קשורים זה לזה בגרעין אטומי, מסת האטום אינה סכום החלקים המרכיבים אותה בשל דבר הנקרא אנרגיה מחייבת.
על ידי היותם קשורים היטב, הגרעינים משיגים מצב אנרגיה נמוך יותר כתוצאה מכמה ממסתם הכוללת שהייתה להם כחלקיקים בודדים שהומרו לאנרגיה. הפרש מסה זה המומר לאנרגיה נקרא אנרגיית הקישור של הגרעין. היחסים המתארים כמה אנרגיה מתאימה לכמות מסה מסוימת הם המפורסמים של איינשטיין E = mc2 משוואה איפה M האם המסה, ג היא מהירות האור ו ה היא האנרגיה.
מושג קשור הוא אנרגיית הקישור לכל גרעין, שהיא אנרגיית הקישור הכוללת של גרעין הממוצע על חלקיו המרכיבים. אנרגיית הקישור לכל גרעין היא אינדיקטור טוב לאופן הימצאות גרעין. אנרגיה מחייבת נמוכה לכל גרעין מצביעה על כך שמצב נוח יותר של אנרגיה כוללת נמוכה יותר עשוי להתקיים לשם כך גרעין מסוים, כלומר סביר להניח שהוא ירצה להתפצל או להתמזג עם גרעין אחר תחת המתאים תנאים.
באופן כללי, גרעינים קלים יותר מגרעיני ברזל נוטים להשיג מצבי אנרגיה נמוכים יותר, ואנרגיה מחייבת גבוהה יותר לכל גרעין, על ידי היתוך עם גרעינים אחרים, בעוד גרעינים כבדים יותר מברזל נוטים להשיג מצבי אנרגיה נמוכים יותר על ידי התפרקות למצב קל יותר גרעינים. התהליכים שבהם מתרחשים שינויים אלה מתוארים בסעיף הבא.
ביקוע, היתוך וריקבון רדיואקטיבי
המוקד העיקרי של הפיזיקה הגרעינית הוא בחקר ביקוע, היתוך וריקבון גרעיני אטום. תהליכים אלה מונעים על ידי תפיסה בסיסית לפיה כל החלקיקים מעדיפים מצבי אנרגיה נמוכים יותר.
ביקוע מתרחש כאשר גרעין כבד מתפרק לגרעינים קטנים יותר. גרעינים כבדים מאוד נוטים יותר לעשות זאת מכיוון שיש להם אנרגיית קישור קטנה יותר לכל גרעין. כזכור, ישנם כמה כוחות השולטים במתרחש בגרעין אטום. הכוח הגרעיני החזק קושר היטב את הגרעינים, אך זהו כוח לטווח קצר מאוד. אז לגבי גרעינים גדולים מאוד, זה פחות יעיל.
הפרוטונים הטעונים באופן חיובי בגרעין דוחים זה את זה באמצעות הכוח האלקטרומגנטי. את הדחייה הזו צריך להתגבר על ידי הכוח הגרעיני החזק, וניתן לתווך גם על ידי כך שיש מספיק נויטרונים בסביבה. אך ככל שהגרעין גדול יותר, איזון הכוח פחות נוח ליציבות.
מכאן שגרעינים גדולים יותר נוטים לרצות להתפרק באמצעות תהליכי ריקבון רדיואקטיביים, או באמצעות תגובות ביקוע כמו אלו המתרחשים בכורים גרעיניים או בפצצות ביקוע.
היתוך מתרחש כאשר שני גרעינים קלים יותר משיגים מצב אנרגיה חיובי יותר על ידי שילוב לגרעין כבד יותר. עם זאת, על מנת שיתרחש ביקוע, על הגרעינים המדוברים להתקרב מספיק זה לזה כדי שהכוח הגרעיני החזק יוכל להשתלט עליו. המשמעות היא שהם חייבים לנוע מספיק מהר כדי שיוכלו להתגבר על דחייה חשמלית.
גרעינים מסתובבים במהירות בטמפרטורות קיצוניות, ולכן מצב זה נדרש לעיתים קרובות. כך היתוך גרעיני מסוגל להתרחש בליבת השמש החמה ביותר. עד היום מדענים עדיין מנסים למצוא דרך לגרום להתמזגות קרה - כלומר היתוך בטמפרטורות נמוכות יותר. מכיוון שאנרגיה משתחררת בתהליך ההיתוך ואינה משאירה פסולת רדיואקטיבית כמו שכורי ביקוע נוטים לעשות, זה יהיה משאב אנרגיה מדהים אם יושג.
ריקבון רדיואקטיבי הוא אמצעי נפוץ שבאמצעותו הגרעינים עוברים שינויים כדי להיות יציבים יותר. ישנם שלושה סוגים עיקריים של ריקבון: ריקבון אלפא, ריקבון בטא וריקבון גמא.
בריקבון אלפא, גרעין רדיואקטיבי משחרר חלקיק אלפא (גרעין הליום -4) ונעשה יציב יותר כתוצאה מכך. ריקבון בטא מגיע בכמה זנים, אך במהותו נובע מכך שנויטרון הופך לפרוטון או פרוטון הופך לנויטרון ומשחרר β- אוֹ β+ חלקיק (אלקטרון או פוזיטרון). ריקבון גמא מתרחש כאשר גרעין במצב נרגש משחרר אנרגיה בצורת קרני גמא, אך שומר על המספר הכולל של נויטרונים ופרוטונים.
המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים
חקר הפיזיקה הגרעינית משתרע על התחום הגדול יותר של פיזיקת החלקיקים, שמטרתו להבין את פעולתם של כל חלקיקי היסוד. המודל הסטנדרטי מסווג חלקיקים לפרמיונים ובוזונים, ואז מסווג פרמיונים לקווארקים ולפטונים, ובוזונים לבוזונים מדיים וסקלריים.
בוזונים לא מצייתים לחוקי שימור המספרים, אך פרמיונים כן. יש גם חוק שימור עבור מספרים של לפטון וגם של קווארקים בנוסף לכמויות משומרות אחרות. אינטראקציות של החלקיקים הבסיסיים מתווכות על ידי הבוזונים נושאי האנרגיה.
יישומים של פיזיקה גרעינית ופיזיקה אטומית
יישומים של פיזיקה גרעינית ואטומית נמצאים בשפע. כורים גרעיניים בתחנות כוח גרעיניות יוצרים אנרגיה נקייה על ידי רתימת האנרגיה המשתחררת בתהליכי ביקוע. הרפואה הגרעינית עושה שימוש באיזוטופים רדיואקטיביים לצורך הדמיה. אסטרופיזיקאים משתמשים בספקטרוסקופיה כדי לקבוע את הרכב הערפיליות הרחוקות. הדמיית תהודה מגנטית מאפשרת לרופאים ליצור תמונות מפורטות של פנים המטופלים שלהם. אפילו טכנולוגיית רנטגן עושה שימוש בפיזיקה גרעינית.
