原子物理学と原子核物理学はどちらも非常に小さな物理学を表しています。 このような小さなオブジェクトを操作する場合、古典力学の理解から構築された直感は失敗することがよくあります。 これは、量子力学、短距離核力、電磁放射、素粒子物理学の標準モデルの領域です。
原子物理学とは何ですか？
原子物理学は、原子の構造、関連するエネルギー状態、および原子と粒子および場との相互作用を扱う物理学の一分野です。 対照的に、原子核物理学は、原子核内での出来事に特に焦点を当てています。これについては、次のセクションで詳しく説明します。
素粒子物理学にはいくつかの研究項目があります。 何よりもまず、原子自体の構造です。 原子は、陽子と中性子を含むしっかりと結合した原子核と、拡散した電子雲で構成されています。
核が通常10のオーダーであることを考えると-15 10まで-14 直径はmで、原子自体は10のオーダーです。-10 直径m（そして電子のサイズはごくわずかです）、原子はほとんど空の空間であることがわかります。 もちろん、それらはそうであるようには見えませんし、原子でできているすべての物質は確かに物質のように感じます。
原子がほとんど空の空間であるように見えない理由は、あなたも原子でできており、すべての原子が電磁エネルギーと相互作用するからです。 ほとんど空の空間の原子で構成されているあなたの手がテーブルを押しているにもかかわらず、ほとんどがほとんどで構成されている 空のスペース、原子が入ってくるときに原子間の電磁力のためにテーブルを通過しません 連絡先。
しかし、電磁力と相互作用しない粒子であるニュートリノは、ほとんどの原子物質を事実上検出されずに通過することができます。 実際、100兆個のニュートリノが毎秒あなたの体を通過します！
原子分類
原子は周期表の原子番号で分類されています。 原子番号は、原子がその原子核に含む陽子の数です。 この番号は要素を定義します。
特定の元素は常に同じ数の陽子を持ちますが、異なる数の中性子を含むことができます。 元素の異なる同位体には、異なる数の中性子が含まれています。 一部の同位体は他の同位体よりも安定しており（つまり、自発的に他の何かに崩壊する可能性が低い）、この安定性 通常、中性子の数に依存します。そのため、ほとんどの元素では、原子の大部分が1つの特定の原子である傾向があります。 アイソトープ。
原子に含まれる電子の数によって、原子がイオン化されているか、帯電しているかが決まります。 中性原子には陽子と同じ数の電子が含まれていますが、原子が電子を獲得または喪失して帯電する場合があります。 原子がどれだけ簡単に電子を獲得または喪失するかは、その電子軌道構造に依存します。
水素原子は最も単純な原子であり、原子核に陽子が1つだけ含まれています。 水素の3つの最も安定した同位体は、プロチウム（中性子を含まない）、重水素（1つの中性子を含む）、およびトリチウム（2つの中性子を含む）であり、プロチウムが最も豊富です。
原子のさまざまなモデルが何年にもわたって提案されており、現在のモデルにつながっています。 初期の作業は、アーネスト・ラザフォード、ニールス・ボーアなどによって行われました。
吸収および発光スペクトル
前述のように、原子は電磁力と相互作用します。 原子内の陽子は正電荷を帯び、電子は負電荷を帯びます。 原子内の電子は、電磁放射を吸収して結果としてより高いエネルギー状態を達成するか、または放射を放出してより低いエネルギー状態に移動することができます。
この放射線の吸収と放出の重要な特性の1つは、原子が非常に特定の量子化された値でのみ放射線を吸収および放出することです。 そして、原子の種類ごとに、それらの特定の値は異なります。
原子物質の高温ガスは、非常に特定の波長の放射線を放出します。 このガスから来る光が分光器を通過すると、分光器は光を波長ごとのスペクトルに広げます（虹のように）、明確な輝線が現れます。 ガスから来る輝線のセットは、ガスに含まれる原子を正確に示すバーコードのように読み取ることができます。
同様に、連続スペクトルの光が冷たいガスに入射し、そのガスを通過する光が 分光器を通過すると、ガスが特定の波長で暗いギャップを持つ連続スペクトルが表示されます 吸収された。 この吸収スペクトルは、発光スペクトルの逆のように見え、同じガスの明るい線があった場所に暗い線が表示されます。 そのため、ガスの組成を示すバーコードのように読み取ることもできます。 天文学者はこれを常に使用して、宇宙の物質の組成を決定します。
原子核物理学とは何ですか？
原子核物理学は、原子核、核反応、および原子核と他の粒子との相互作用に焦点を当てています。 とりわけ、放射性崩壊、核融合と核分裂、結合エネルギーを探求します。
原子核には、陽子と中性子の緊密に結合した塊が含まれています。 ただし、これらは基本的な粒子ではありません。 陽子と中性子は、と呼ばれるさらに小さな粒子でできています クォーク.
クォークは分数電荷を持つ粒子であり、ややばかげた名前です。 それらは6つのいわゆるフレーバーで来ます：上、下、上、下、奇妙で魅力的です。 陽子は2つのダウンクォークと1つのアップクォークで構成され、陽子は2つのアップクォークと1つのダウンクォークで構成されます。 各核子のクォークは強い核力によってしっかりと束縛されています。
強い核力はと呼ばれる粒子によって媒介されます グルーオン. テーマを感じていますか？ 科学者たちはこれらの粒子に名前を付けるのをとても楽しんでいました！ もちろん、グルーオンはクォークを「接着」します。 強い核力は非常に短い範囲でのみ作用します–平均的なサイズの核の直径に匹敵する距離です。
結合エネルギー
すべての孤立した中性子の質量は1.6749275×10です。-27 kg、そしてすべての孤立した陽子は1.6726219×10の質量を持っています-27 kg; ただし、原子核内で結合されている場合、結合エネルギーと呼ばれるものがあるため、原子質量はその構成要素の合計ではありません。
核子は緊密に結合することにより、個々の粒子がエネルギーに変換されるときに持っていた総質量の一部の結果として、より低いエネルギー状態を達成します。 エネルギーに変換されるこの質量差は、原子核の結合エネルギーと呼ばれます。 与えられた質量にどれだけのエネルギーが対応するかを表す関係は、アインシュタインの有名なものです E = mc2 ここで方程式 m 質量です、 c 光速であり、 E エネルギーです。
関連する概念は、核子あたりの結合エネルギーです。これは、核子の構成部分全体で平均化された結合エネルギーの合計です。 核子あたりの結合エネルギーは、原子核がどれだけ安定しているかを示す良い指標です。 核子あたりの結合エネルギーが低いということは、そのために総エネルギーが低いというより好ましい状態が存在する可能性があることを示しています。 特定の核、つまり、適切な核の下で分裂するか、別の核と融合する可能性が高いことを意味します 条件。
一般に、鉄の原子核よりも軽い原子核は、核融合によって、より低いエネルギー状態と核子あたりのより高い結合エネルギーを達成する傾向があります。 他の原子核では、鉄より重い原子核は、より軽い原子核に分解することによって、より低いエネルギー状態を達成する傾向があります。 核。 これらの変更が発生するプロセスについては、次のセクションで説明します。
核分裂、核融合および放射性崩壊
原子核物理学の主な焦点は、原子核の核分裂、核融合、崩壊の研究にあります。 これらのプロセスはすべて、すべての粒子がより低いエネルギー状態を好むという基本的な概念によって推進されています。
核分裂は、重い原子核が小さな原子核に分裂するときに発生します。 非常に重い原子核は、核子あたりの結合エネルギーが小さいため、これを行う傾向があります。 覚えているかもしれませんが、原子核で何が起こっているかを支配する力がいくつかあります。 強い核力は核子をしっかりと結合しますが、それは非常に短距離の力です。 したがって、非常に大きな原子核の場合、効果は低くなります。
原子核内の正に帯電した陽子も、電磁力を介して互いに反発します。 この反発は強い核力によって克服されなければならず、また十分な中性子を周囲に持つことによって媒介されることもあります。 しかし、核が大きいほど、力のバランスは安定性にとって不利になります。
したがって、より大きな原子核は、放射性崩壊プロセスを介して、または原子炉や核分裂爆弾で発生するような核分裂反応を介して分解したいと思う傾向があります。
核融合は、2つの軽い原子核が結合して重い原子核になることにより、より好ましいエネルギー状態を達成するときに発生します。 しかし、核分裂が起こるためには、問題の原子核が互いに十分に接近して、強い核力が引き継ぐことができるようにする必要があります。 これは、電気的反発を克服できるように、十分に速く動いている必要があることを意味します。
原子核は極端な温度で素早く動き回るので、この条件がしばしば必要になります。 これが、核融合が太陽の非常に熱い核の中で起こることができる方法です。 今日まで、科学者たちは常温核融合、つまり常温核融合を起こさせる方法を模索している。 エネルギーは核融合過程で放出され、核分裂炉のように放射性廃棄物を残さないので、達成されれば信じられないほどのエネルギー資源になるでしょう。
放射性崩壊は、原子核が変化してより安定する一般的な手段です。 崩壊には、アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊の3つの主要なタイプがあります。
アルファ崩壊では、放射性核がアルファ粒子（ヘリウム4核）を放出し、その結果、より安定します。 ベータ崩壊にはいくつかの種類がありますが、本質的には、中性子が陽子になるか、陽子が中性子になって放出するかのいずれかから生じます。 β- または β+ 粒子（電子または陽電子）。 ガンマ崩壊は、励起状態の原子核がガンマ線の形でエネルギーを放出するときに発生しますが、中性子と陽子の総数は維持されます。
素粒子物理学の標準模型
原子核物理学の研究は、すべての基本的な粒子の働きを理解することを目的とした素粒子物理学のより広い分野にまで及びます。 標準模型は粒子をフェルミ粒子とボソンに分類し、さらにフェルミ粒子をクォークとレプトンに分類し、ボソンをゲージボソンとスカラーボソンに分類します。
ボソンは数保存則に従わないが、フェルミ粒子は従う。 他の保存量に加えて、レプトン数とクォーク数の両方の保存則もあります。 基本粒子の相互作用は、エネルギーを運ぶボソンによって媒介されます。
原子核物理学と原子物理学の応用
原子核物理学と原子物理学の応用は豊富です。 原子力発電所の原子炉は、核分裂過程で放出されるエネルギーを利用してクリーンエネルギーを生み出します。 核医学は、画像化のために放射性同位元素を利用します。 天体物理学者は、分光法を使用して、遠方の星雲の組成を決定します。 磁気共鳴画像法により、医師は患者の内部の詳細な画像を作成できます。 X線技術でさえ核物理学を利用しています。