פיזיקה גרעינית: מה זה, מי גילה את זה ולמה זה חשוב?

כמה ימים מעוננים בפריז בשנת 1896 "הרסו" את הניסוי של אנרי בקרל, אך תוך כדי כך נולד תחום הפיזיקה הגרעינית. בקרל יצא להוכיח את השערתו שאורניום סופג אור שמש והקרין אותו מחדש בצורת צילומי רנטגן, שהתגלתה בשנה הקודמת.

תוכניתו של בקרל הייתה להביא את אשלגן האורניל סולפט לאור השמש ואז להביא אותו למגע עם לוחות צילום עטופים בנייר שחור, כי בעוד שאור נראה לעין לא יעבור דרך, צילומי רנטגן היה. למרות היעדר אור השמש, הוא החליט לעבור את התהליך בכל זאת, והיה המום כשגילה תמונות שעדיין תועדו על לוח הצילום.

בדיקות נוספות הראו שזה בכלל לא צילומי רנטגן, למרות ההנחות שלו. נתיב האור אינו כפוף על ידי שדה מגנטי, אלא ה קרינה מהאורניום הוסט על ידי אחד, וכך - יחד עם התוצאה הראשונה - התגלתה קרינה. מארי קירי טבעה את המונח רדיואקטיביות, ויחד עם בעלה פייר גילתה פולוניום ורדיום, והצמידה את המקורות המדויקים של הרדיואקטיביות.

מאוחר יותר העלה ארנסט רתרפורד את המונחים חלקיקי אלפא, חלקיקי בטא וחלקיקי גמא עבור החומר המוקרן, ושדה פיזיקה גרעינית באמת יצא לדרך.

כמובן, אנשים יודעים הרבה יותר על פיסיקה גרעינית עכשיו מאשר בתחילת המאה העשרים, וזה נושא מכריע שיש להבין וללמוד עליו עבור כל סטודנט לפיזיקה. בין אם אתה רוצה להבין את מהותה של אנרגיה גרעינית, את הכוחות הגרעיניים החזקים והחלשים או לתרום לתחומים כמו רפואה גרעינית, לימוד היסודות הוא חיוני.

פיזיקה גרעינית היא למעשה הפיזיקה של הגרעין, החלק של האטום המכיל את השניים הידועים ביותר "הדרונים," פרוטונים ונויטרונים.

בפרט, הוא מסתכל על הכוחות הפועלים ב גַרעִין (האינטראקציה החזקה הקושרת פרוטונים ונייטרונים יחד בגרעין, כמו גם מחזיקה את מרכיבם קווארקים יחדיו, והאינטראקציה החלשה המתייחסת לריקבון רדיואקטיבי), והאינטראקציה של גרעינים עם אחרים חלקיקים.

פיזיקה גרעינית מכסה נושאים כמו היתוך גרעיני (המתייחס לאנרגיה המחייבת של אלמנטים שונים), ביקוע גרעיני (שהוא פיצול היסודות הכבדים לייצור אנרגיה) כמו גם ריקבון רדיואקטיבי והמבנה הבסיסי והכוחות המשחקים ב גַרעִין.

קיימים יישומים מעשיים רבים בתחום, כולל (אך לא רק) עבודה בתחום האנרגיה הגרעינית, הרפואה הגרעינית והפיזיקה באנרגיה גבוהה.

An אָטוֹם מורכב מגרעין, המכיל פרוטונים טעונים חיובי ונויטרונים נטענים, המוחזקים בידי הכוח הגרעיני החזק. אלה מוקפים באלקטרונים טעונים שלילית, היוצרים את מה שמכונה "ענן" סביב הגרעין, ומספר האלקטרונים תואם את מספר הפרוטונים באטום ניטרלי.

היו מודלים רבים של האטום המוצעים לאורך ההיסטוריה של הפיזיקה, כולל "שזיף" של תומסון מודל פודינג ", המודל ה"פלנטרי" של רתרפורד ובוהר והמודל המכני הקוונטי המודרני שתואר מֵעַל.

הגרעין הוא זעיר, בסביבות 10⁻¹⁵ מ ', המכיל את עיקר המסה של האטום, בעוד שהאטום כולו בסדר גודל של 10⁻¹⁰ M. אל תתנו לסימון להטעות אתכם - זה אומר שהגרעין קטן בערך פי 100,000 מהאטום הכללי, אבל הוא מכיל את הרוב המכריע של העניין. אז האטום הוא בעיקר חלל ריק!

המסה של האטום אינה זהה למסת החלקים המרכיבים, אם כי: אם אתה מוסיף את המסה של פרוטונים ונויטרונים, זה כבר חורג ממסת האטום, לפני שאתה בכלל מסביר את המסה הקטנה בהרבה של אֶלֶקטרוֹן.

זה נקרא "פגם המוני" של האטום, ואם אתה ממיר את ההבדל הזה לאנרגיה באמצעות המשוואה המפורסמת של איינשטיין ה = מק², אתה מקבל את "האנרגיה המחייבת" של הגרעין.

זו האנרגיה שתצטרך להכניס למערכת כדי לפצל את הגרעין לפרוטונים המרכיבים אותה ואת הנויטרונים. אנרגיות אלו גדולות בהרבה, הרבה יותר מהאנרגיה הדרושה להוצאת אלקטרון מ"מסלולו "סביב הגרעין.

שני הסוגים של גרעין (כלומר חלקיק הגרעין) הם הפרוטון והנויטרון, ואלה קשורים זה לזה היטב בגרעין האטום.

למרות שאלו הם בדרך כלל הגרעינים שתשמע עליהם, הם אינם למעשה חלקיקים בסיסיים במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. הפרוטון והנויטרון מורכבים שניהם מחלקיקים בסיסיים הנקראים קווארקים, המגיעים בשישה "טעמים" וכל אחד מהם נושא חלק ממטען הפרוטון או האלקטרון.

לקווארק למעלה יש 2/3 ה תשלום, היכן ה הוא המטען של אלקטרון, ואילו לקווארק למטה יש −1/3 ה לחייב. משמעות הדבר היא ששני קווארקים מעלים וקווארק למטה יחד יצרו חלקיק בעל מטען חיובי בעוצמה ה, שהוא פרוטון. מצד שני, קווארק למעלה ושני קווארקים למטה מייצרים חלקיק ללא מטען כולל, הנויטרון.

המודל הסטנדרטי מקטלג את כל חלקיקי היסוד הידועים כיום, ומקבץ אותם לשתי קבוצות עיקריות: פרמיונים ובוזונים. פרמיונים מחולקים לקווארקים (אשר בתורם מייצרים הדרונים כמו פרוטונים ונויטרונים) ולפטונים (הכוללים אלקטרונים וניוטרינו), ו בוזונים מחולקים לבוזונים מדיים וסקלריים.

בוזון היגס הוא הבוזון הסקלרי היחיד שהיה ידוע עד כה, עם שאר הבוזונים - הפוטון, הגלון, ז-בונים ו W בוזונים - להיות בוזונים מד.

פרמיונים, בניגוד לבוזונים, מצייתים ל"חוקי שימור המספרים ". לדוגמא, יש חוק של שימור מספר הליפטון, שמסביר דברים כמו החלקיקים המיוצרים כחלק מהתפוררות גרעינית תהליכים (מכיוון שיצירת אלקטרון עם מספר לפטון 1, למשל, צריכה להיות מאוזנת עם יצירת חלקיק אחר עם מספר לפטון -1, כגון אנטי-נייטרינו אלקטרוני).

מספר הקווארק נשמר גם כן, ויש גם כמויות משומרות אחרות.

בוזונים הם חלקיקים נושאי כוח, ולכן אינטראקציות של חלקיקי היסוד מתווכות על ידי הבוזונים. לדוגמא, אינטראקציה של קווארקים מתווכת על ידי גלואונים, ואינטראקציות אלקטרומגנטיות מתווכות על ידי פוטונים.

למרות שהכוח האלקטרומגנטי אכן חל בגרעין, הכוחות העיקריים שעליך לקחת בחשבון הם הכוחות הגרעיניים החזקים והחלשים. הכוח הגרעיני החזק נישא על ידי גלואונים, והכוח הגרעיני החלש נישא על ידי W^± וה ז⁰ בוזונים.

כפי שהשם מרמז, הכוח הגרעיני החזק הוא החזק ביותר מכל כוחות היסוד, ואחריו אלקטרומגנטיות (10² פעמים חלש יותר), הכוח החלש (10⁶ פעמים חלשות יותר וכוח הכבידה (10⁴⁰ פעמים חלש יותר). ההבדל העצום בין כוח הכבידה לשאר הכוחות הוא הסיבה שהפיזיקאים בעצם מזניחים אותו כאשר הם דנים בחומר ברמה האטומית.

הכוח החזק צרכי להיות חזק כדי להתגבר על הדחייה האלקטרומגנטית בין הפרוטונים הטעונים באופן חיובי בגרעין - אם היה היו חלשים יותר מהכוח האלקטרומגנטי, שום אטומים עם יותר מפרוטון אחד בגרעין לא היו מסוגלים טופס. עם זאת, לכוח החזק יש מאוד טווח קצר.

זה חשוב מכיוון שהוא מראה מדוע הכוח אינו מורגש אפילו בסולם האטומים השלמים או מולקולות, אבל זה גם אומר שהדחייה האלקטרומגנטית הופכת להיות רלוונטית יותר עבור גרעינים כבדים (כלומר אטומים גדולים יותר). זו אחת הסיבות שגרעינים לא יציבים הם לעתים קרובות אלה של היסודות הכבדים.

לכוח החלש יש גם טווח קצר מאוד, והוא בעצם גורם לקווארקים לשנות טעם. זה יכול לגרום לפרוטון להפוך לנויטרון ולהיפך, ולכן אפשר לחשוב עליו כגורם ריקבון גרעיני תהליכים כמו בטא פלוס ומינוס ריקבון.

ישנם שלושה סוגים של ריקבון רדיואקטיבי: ריקבון אלפא, ריקבון בטא וריקבון גמא. ריקבון אלפא הוא כאשר אטום מתפורר על ידי שחרור "חלקיק אלפא", שהוא מונח נוסף לגרעין הליום.

ישנם שלושה תת-סוגים של ריקבון בטא, אך כולם כוללים פרוטון שהופך לנויטרון או להיפך. בטא מינוס ריקבון הוא כאשר נויטרון הופך לפרוטון ומשחרר אלקטרון ואלקטרון נגד נייטרינו בתהליך, בעוד שבבטא פלוס ריקבון, פרוטון הופך לנויטרון ומשחרר פוזיטרון (כלומר אנטי-אלקטרון) ואלקטרון נייטרינו.

בלכידת אלקטרונים, אלקטרון מהחלקים החיצוניים של האטום נקלט בגרעין ופרוטון הופך לנויטרון, ונייטרינו משתחרר מהתהליך.

ריקבון גמא הוא ריקבון שבו משתחררת אנרגיה אך שום דבר באטום לא משתנה. זה מקביל לאופן שבו פוטון משתחרר כאשר אלקטרון מבצע מעבר מאנרגיה גבוהה למצב אנרגיה נמוכה. גרעין נרגש עובר למצב עם אנרגיה נמוכה ופולט קרן גמא כפי שהוא עושה.

היתוך גרעיני הוא כאשר שני גרעינים מתמזגים ויוצרים גרעין כבד יותר. זו הדרך בה נוצרת אנרגיה בשמש, וקבלת התהליך להתרחש על פני כדור הארץ לייצור חשמל היא אחת המטרות הגדולות ביותר בפיסיקה ניסיונית.

הבעיה היא שזה דורש טמפרטורות ולחצים גבוהים במיוחד, ולכן רמות אנרגיה גבוהות מאוד. עם זאת, אם מדענים משיגים זאת, היתוך יכול להפוך למקור כוח חיוני כאשר החברה ממשיכה לגדול ואנחנו צורכים כמויות גדלות והולכות של אנרגיה.

ביקוע גרעיני הוא פיצול של אלמנט כבד לשני גרעינים קלים יותר, וזה מה שמניע את הדור הנוכחי של כורים גרעיניים.

ביקוע הוא גם עיקרון ההפעלה של נשק גרעיני, וזו אחת הסיבות העיקריות שזהו אזור שנוי במחלוקת. בפועל ביקוע פועל באמצעות סדרה של תגובות שרשרת. נויטרון שיוצר את הפיצול הראשוני באלמנט כבד כמו אורניום, מייצר לאחר התגובה נויטרון חופשי נוסף, אשר יכול להמשיך ולגרום לפיצול נוסף וכן הלאה.

בעיקרו של דבר, שני התהליכים הללו צוברים אנרגיה דרך ה- ה = מק² היחס, מכיוון שמיזוג או פיצול אטומים כרוך בשחרור אנרגיה מ"המסה החסרה ".

יש מגוון עצום של יישומים של פיזיקה גרעינית. יש לציין שכורים גרעיניים ותחנות כוח גרעיניות פועלים במדינות רבות ברחבי העולם, ופיזיקאים רבים עובדים על תכנון חדש ובטוח יותר.

למשל, כמה מתכנני כורים גרעיניים מכוונים להבטיח שלא ניתן יהיה להשתמש בחומר המקור ליצור נשק גרעיני, הדורש מקור אורניום מועשר הרבה יותר (כלומר אורניום "טהור" יותר) לְהַפְעִיל.

תרופה גרעינית הוא תחום חשוב נוסף לפיזיקה גרעינית. הרפואה הגרעינית כוללת כמויות קטנות מאוד של חומר רדיואקטיבי המועבר לחולה, ואז משתמשים בגלאים כדי ללכוד תמונות מהקרינה שניתנה. זה עוזר לרופאים לאבחן כליות, בלוטת התריס, לב ומצבים אחרים.

כמובן, ישנם תחומים רבים אחרים בהם פיזיקה גרעינית היא למעשה, כולל פיזיקה וחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מאיצים כמו CERN, ואסטרופיזיקה, שבה רבים מהתהליכים הדומיננטיים בכוכבים תלויים מאוד בגרעין פיזיקה.