原子核物理学：それは何であり、誰がそれを発見し、なぜそれが重要なのか？

1896年のパリでの数日間の曇りの日は、アンリベクレルの実験を「台無し」にしましたが、その過程で、核物理学の分野が生まれました。 ベクレルは、ウランが太陽光を吸収し、それを前年に発見されたX線の形で再放射したという彼の仮説を証明するために出かけました。

ベクレルの計画は、硫酸ウラニルカリウムを日光に当ててから接触させることでした。 写真乾板を黒い紙で包んだ場合、可視光は通過しませんが、X線は通過しません。 だろう。 日光が足りないにもかかわらず、彼はとにかくプロセスを実行することを決心し、写真乾板にまだ記録されている画像を発見したときにショックを受けました。

さらなるテストでは、彼の仮定にもかかわらず、それはX線ではないことが示されました。 光の経路は磁場によって曲がっていませんが、 ウランからの放射線 これは、最初の結果とともに、放射線が発見された方法でした。 マリー・キュリーは放射能という用語を作り出し、夫のピエールと一緒にポロニウムとラジウムを発見し、放射能の正確な発生源を突き止めました。

その後、アーネスト・ラザフォードは、放射された物質のアルファ粒子、ベータ粒子、ガンマ粒子という用語を思いついた。 原子核物理学 本当に始めました。

もちろん、人々は20世紀の変わり目よりも原子核物理学について多くのことを知っています。これは、物理学の学生にとって理解し、学ぶことが重要なトピックです。 原子力の性質、強い核力と弱い核力、核医学などの分野に貢献したいのであれば、基礎を学ぶことが不可欠です。

原子核物理学は本質的に原子核の物理学であり、原子の中で最もよく知られている2つを含む部分です。 「ハドロン」 陽子と中性子。

特に、それはで動作している力に注目します 核 （陽子と中性子を原子核内で結合し、それらの成分を保持する強い相互作用 一緒にクォークし、放射性崩壊に関連する弱い相互作用）、および原子核と他の原子核との相互作用 粒子。

原子核物理学は、核融合（さまざまな元素の結合エネルギーに関連する）、核分裂（ エネルギーを生成するための重元素の分裂）、放射性崩壊、および基本的な構造と力 核。

原子力、核医学、高エネルギー物理学での作業を含む（ただしこれらに限定されない）この分野の多くの実用的なアプリケーションがあります。

アン

トムソンの「プラム」を含む、物理学の歴史を通して提案された原子のモデルは数多くあります。 プリン」モデル、ラザフォードとボーアの「惑星」モデル、および記述された最新の量子力学モデル 上記。

核は小さく、10前後です。⁻¹⁵ m、原子の質量の大部分を含み、原子全体は10のオーダーです⁻¹⁰ m。 表記に惑わされないでください。これは、原子核が原子全体の約100,000分の1であることを意味しますが、問題の大部分が含まれています。 したがって、原子は主に 空きスペース!

ただし、原子の質量は構成部品の質量とまったく同じではありません。 陽子と中性子、それはあなたがはるかに小さい質量を説明する前に、すでに原子の質量を超えています 電子。

これは原子の「質量欠損」と呼ばれ、アインシュタインの有名な方程式を使用してこの差をエネルギーに変換すると E = mc²、あなたは核の「結合エネルギー」を手に入れます。

これは、原子核をその構成要素である陽子と中性子に分割するためにシステムに投入しなければならないエネルギーです。 これらのエネルギーは、原子核の周りの「軌道」から電子を取り除くために必要なエネルギーよりもはるかに大きいです。

2種類の 核子 （つまり、原子核の粒子）は陽子と中性子であり、これらは原子核内で緊密に結合されています。

これらは一般的に耳にする核子ですが、実際には素粒子物理学の標準モデルの基本的な粒子ではありません。 陽子と中性子は両方ともと呼ばれる基本的な粒子で構成されています クォーク、 これらは6つの「フレーバー」で提供され、それぞれが陽子または電子の電荷の一部を運びます。

アップクォークは2/3です e 充電、ここで e は電子の電荷ですが、ダウンクォークは-1/3です。 e 充電。 これは、2つのアップクォークとダウンクォークを組み合わせると、正の電荷を持つ粒子が生成されることを意味します。 e、陽子です。 一方、アップクォークと2つのダウンクォークは、全体的な電荷を持たない中性子という粒子を生成します。

標準模型は、現在知られているすべての基本粒子をカタログ化し、それらをフェルミ粒子とボソンの2つの主要なグループにグループ化します。 フェルミ粒子 クォーク（陽子や中性子のようなハドロンを生成する）とレプトン（電子やニュートリノを含む）に細分され、 ボソン ゲージボソンとスカラーボソンに細分されます。

ヒッグスボソンはこれまでに知られている唯一のスカラーボソンであり、他のボソン–光子、グルーオン、 Z-ボソンと W ボソン–ゲージボソンであること。

フェルミ粒子は、ボソンとは異なり、「数の保存則」に従います。 たとえば、核崩壊の一部として生成された粒子のようなものを説明するレプトン数の保存則があります プロセス（たとえば、レプトン数1の電子の作成は、電子反ニュートリノなど、レプトン数-1の別の粒子の作成とバランスを取る必要があるため）。

クォーク数も保存されており、他にも保存量があります。

ボソンは力を運ぶ粒子であるため、基本粒子の相互作用はボソンによって媒介されます。 たとえば、クォークの相互作用はグルーオンによって媒介され、電磁相互作用は光子によって媒介されます。

電磁力は核に適用されますが、考慮する必要がある主な力は強い核力と弱い核力です。 強い核力はグルーオンによって運ばれ、弱い核力はによって運ばれます W^± そしてその Z⁰ ボソン。

名前が示すように、強い核力はすべての基本的な力の中で最も強く、電磁気学がそれに続きます（10² 弱い倍）、弱い力（10⁶ 倍弱）と重力（10⁴⁰ 倍弱）。 重力と他の力との大きな違いは、物理学者が原子レベルで物質を議論するときに本質的に重力を無視する理由です。

強い力 ニーズ 原子核内の正に帯電した陽子間の電磁反発を克服するために強力である- 電磁力よりも弱かったので、原子核に複数の陽子を持つ原子はできなかったでしょう。 形。 しかし、強い力は非常に 短距離。

これは、原子全体のスケールでも力が目立たない理由を示しているため、または 分子ですが、それはまた、電磁反発が重い原子核により関連するようになることを意味します（すなわち、 より大きな原子）。 これが、不安定な原子核がしばしば重元素の原子核である理由の1つです。

弱い力も範囲が非常に短く、本質的にクォークのフレーバーを変化させます。 これにより陽子が中性子になり、逆もまた同様であるため、次の原因と考えることができます。 核崩壊 ベータプラスおよびマイナス崩壊のようなプロセス。

放射性崩壊には、アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊の3種類があります。 アルファ崩壊とは、ヘリウム原子核の別名である「アルファ粒子」を放出することによって原子が崩壊することです。

ベータ崩壊には3つのサブタイプがありますが、それらはすべて陽子が中性子に変わるか、またはその逆になります。 ベータマイナス崩壊とは、中性子が陽子になり、その過程で電子と電子反ニュートリノを放出することです。 ベータプラス崩壊では、陽子は中性子になり、陽電子（つまり反電子）と電子を放出します ニュートリノ。

電子捕獲では、原子の外側の部分からの電子が原子核に吸収され、陽子が中性子に変換され、ニュートリノがプロセスから放出されます。

ガンマ崩壊は、​​エネルギーが放出されるが原子内の何も変化しない崩壊です。 これは、電子が高エネルギー状態から低エネルギー状態に遷移するときに光子が放出される方法に類似しています。 励起された原子核は低エネルギー状態に遷移し、ガンマ線を放出します。

核融合 2つの核が融合してより重い核を作るときです。 これが太陽でエネルギーを生成する方法であり、発電のために地球上でプロセスを発生させることは、実験物理学の最大の目標の1つです。

問題は、それが非常に高い温度と圧力を必要とし、したがって非常に高いエネルギーレベルを必要とすることです。 しかし、科学者がそれを達成すれば、社会が成長し続け、私たちがますます多くのエネルギーを消費するので、融合は重要な動力源になる可能性があります。

核分裂 重元素を2つの軽い原子核に分割することであり、これが現世代の原子炉に動力を供給するものです。

分裂は核兵器の動作原理でもあり、これが物議を醸している分野である主な理由の1つです。 実際には、核分裂は一連の連鎖反応を通じて機能します。 ウランのような重元素に最初の分裂を起こす中性子は、反応後にさらに自由中性子を生成し、それがさらに分裂を引き起こす可能性があります。

基本的に、これらのプロセスは両方とも、 E = mc² なぜなら、原子を融合または分裂させることは、「失われた質量」からのエネルギーの放出を伴うからです。

原子核物理学の応用には非常に幅広いものがあります。 特に、原子炉と原子力発電所は世界中の多くの国で稼働しており、多くの物理学者が新しくより安全な設計に取り組んでいます。

たとえば、一部の原子炉の設計は、原料を使用できないようにすることを目的としています。 核兵器を作成します。核兵器は、はるかに豊富なウラン源（つまり、「より純粋な」ウラン）を必要とします。 動作します。

核医学 原子核物理学のもう一つの重要な分野です。 核医学では、患者に非常に少量の放射性物質を投与し、その後、検出器を使用して、放出された放射線から画像を取得します。 これは、医師が腎臓、甲状腺、心臓、その他の状態を診断するのに役立ちます。

もちろん、原子核物理学が本質的にある他の多くの分野があります、高エネルギー物理学と素粒子を含みます CERNのような加速器、および星の支配的なプロセスの多くが核に強く依存する天体物理学 物理。