ატომური და ბირთვული ფიზიკა აღწერს ძალიან მცირე ფიზიკის. ასეთ პატარა ობიექტებთან მუშაობისას, თქვენი ინტუიცია, რომელიც აგებულია კლასიკური მექანიკის გაგებით, ხშირად ვერ ხერხდება. ეს არის კვანტური მექანიკის, მოკლე დიაპაზონის ბირთვული ძალების, ელექტრომაგნიტური გამოსხივების და ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტული მოდელი.
რა არის ატომური ფიზიკა?
ატომური ფიზიკა არის ფიზიკის ის დარგი, რომელიც ეხება ატომის სტრუქტურას, მასთან დაკავშირებულ ენერგეტიკულ მდგომარეობებს და ატომის ურთიერთქმედებას ნაწილაკებთან და ველებთან. ამის საპირისპიროდ, ბირთვული ფიზიკა ყურადღებას ამახვილებს ატომური ბირთვის შიგნით მიმდინარე მოვლენებზე, რაც შემდეგ ნაწილში უფრო დეტალურად არის აღწერილი.
ნაწილაკების ფიზიკაში შესასწავლია რამდენიმე საკითხი. უპირველესი და მთავარია თავად ატომის სტრუქტურა. ატომები შედგება მჭიდროდ შეკრული ბირთვისგან, რომელიც შეიცავს პროტონებსა და ნეიტრონებს და დიფუზური ელექტრონული ღრუბელიდან.
იმის გათვალისწინებით, რომ ბირთვი, როგორც წესი, 10-ის რიგისაა-15 10-მდე-14 მ დიამეტრით, ხოლო თვითონ ატომები 10-ის რიგისაა-10 მ დიამეტრით (და ელექტრონების ზომა უმნიშვნელოა), აღმოჩნდება, რომ ატომები ძირითადად ცარიელი სივრცეა. რა თქმა უნდა, ისინი, როგორც ჩანს, არ არიან და ატომებისგან დამზადებული ყველა მასალა, რა თქმა უნდა, გრძნობს როგორც ნივთიერება.
მიზეზი, რომ ატომები, როგორც ჩანს, ძირითადად ცარიელი სივრცე არ არის, არის ის, რომ თქვენც ატომებისგან ხართ და ყველა ატომი ურთიერთქმედებს ელექტრომაგნიტურ ენერგიასთან. მიუხედავად იმისა, რომ თქვენი ხელი, რომელიც ძირითადად ცარიელი სივრცის ატომებისაგან შედგება, მაგიდას ეწევა, ასევე ძირითადად შედგება ცარიელი სივრცე, ის მაგიდაზე არ გადის ატომებს შორის ელექტრომაგნიტური ძალების შემოსვლისას კონტაქტი
ნეიტრინო, ნაწილაკი, რომელიც არ ურთიერთქმედებს ელექტრომაგნიტურ ძალასთან, შეუძლია ატომური მასალის უმეტესი ნაწილის გავლა პრაქტიკულად დაუდგენლად. სინამდვილეში, თქვენს სხეულში ყოველ წამს 100 ტრილიონი ნეიტრინო გადის!
ატომის კლასიფიკაცია
ატომები კლასიფიცირებულია ატომური რიცხვის მიხედვით პერიოდულ ცხრილში. ატომური რიცხვი არის პროტონის რაოდენობა, რომელსაც ატომი შეიცავს მის ბირთვში. ეს რიცხვი განსაზღვრავს ელემენტს.
მიუხედავად იმისა, რომ მოცემულ ელემენტს ყოველთვის ექნება პროტონის იგივე რაოდენობა, მასში შეიძლება შეიცავდეს სხვადასხვა რაოდენობის ნეიტრონების. ელემენტის სხვადასხვა იზოტოპები შეიცავს ნეიტრონების განსხვავებულ რაოდენობას. ზოგიერთი იზოტოპი უფრო სტაბილურია, ვიდრე სხვები (ეს ნიშნავს, რომ ნაკლებად სავარაუდოა, რომ სპონტანურად დაიშალონ სხვა რამე) და ეს სტაბილურობაა როგორც წესი, დამოკიდებულია ნეიტრონების რაოდენობაზე, ამიტომ, უმეტეს ელემენტთათვის, ატომების უმრავლესობა ერთი სპეციფიკურია იზოტოპი.
ელექტრონის რაოდენობა, რომელსაც ატომი შეიცავს, განსაზღვრავს იონიზირებულია თუ დამუხტული. ნეიტრალური ატომი შეიცავს იმავე რაოდენობის ელექტრონებს, როგორც პროტონები, მაგრამ ზოგჯერ ატომებს შეუძლიათ მოიპოვონ ან დაკარგონ ელექტრონები და გახდნენ დამუხტული. რამდენად ადვილად მოიპოვებს ან კარგავს ატომი ელექტრონებს, ეს დამოკიდებულია მის ელექტრონულ ორბიტალურ სტრუქტურაზე.
წყალბადის ატომი ყველაზე მარტივი ატომია, რომელიც თავის ბირთვში შეიცავს მხოლოდ ერთ პროტონს. წყალბადის სამი ყველაზე სტაბილური იზოტოპია პროტიუმი (არ შეიცავს ნეიტრონებს), დეიტერიუმი (შეიცავს ერთ ნეიტრონს) და ტრიტიუმი (შეიცავს ორ ნეიტრონს), პროტიუმი ყველაზე უხვადაა.
წლების განმავლობაში შემოთავაზებულია ატომის სხვადასხვა მოდელები, რაც ახლანდელ მოდელს მიჰყავს. ადრეული სამუშაოები შეასრულეს ერნესტ რეზერფორდმა, ნილს ბორმა და სხვებმა.
შთანთქმის და ემისიის სპექტრები
როგორც აღვნიშნეთ, ატომები ურთიერთქმედებენ ელექტრომაგნიტურ ძალასთან. ატომის პროტონები ატარებენ დადებით მუხტს, ხოლო ელექტრონებს აქვთ უარყოფითი მუხტი. ელექტრონებს ატომში შეუძლიათ შეიწოვონ ელექტრომაგნიტური გამოსხივება და მიაღწიონ უფრო მაღალ ენერგეტიკულ მდგომარეობას, ან გამოსხივდნენ და გადავიდნენ ქვედა ენერგიულ მდგომარეობაში.
რადიაციის ამ შთანთქმის და გამოსხივების ერთი მთავარი თვისებაა ის, რომ ატომები ითვისებენ და ასხივებენ რადიაციას მხოლოდ ძალიან სპეციფიკური კვანტიზირებული მნიშვნელობებით. და თითოეული განსხვავებული ტიპის ატომისთვის, ეს კონკრეტული მნიშვნელობები განსხვავებულია.
ატომური მასალის ცხელი გაზი გამოსხივებას გამოყოფს ძალიან სპეციფიკურ ტალღის სიგრძეზე. თუ ამ გაზიდან მომავალი სინათლე გაივლის სპექტროსკოპს, რომელიც ავრცელებს სინათლეს სპექტრში ტალღის სიგრძით (ცისარტყელას მსგავსად), გამოჩნდება გამონაბოლქვის მკაფიო ხაზები. გაზზე მომდინარე ემისიის ხაზების ნაკრები შეიძლება წაიკითხოთ შტრიხ-კოდის მსგავსად, რომელიც ზუსტად გეუბნებათ რა ატომებია გაზში.
ანალოგიურად, თუ სინათლის უწყვეტი სპექტრი მაგარ გაზზე ხდება, ხოლო სინათლე, რომელიც ამ გაზში გადის, მაშინ არის სპექტროსკოპის გავლით დაინახავდით უწყვეტ სპექტრს მუქი უფსკრულით სპეციფიკურ ტალღურ სიგრძეებზე შეიწოვება. ეს შთანთქმის სპექტრი ჰგავს გამონაბოლქვის სპექტრის შებრუნებულ მხარეს, მუქი ხაზები გამოჩნდება იქ, სადაც ნათელი ხაზები იყო იგივე გაზისთვის. როგორც ასეთი, ის ასევე შეიძლება წაიკითხოს შტრიხ-კოდის მსგავსად, რომელიც აჩვენებს გაზის შემადგენლობას. ასტრონომები ამას მუდმივად იყენებენ სივრცეში მასალის შემადგენლობის დასადგენად.
რა არის ბირთვული ფიზიკა?
ბირთვული ფიზიკა ყურადღებას ამახვილებს ატომურ ბირთვზე, ბირთვულ რეაქციებზე და ბირთვის ურთიერთქმედებაზე სხვა ნაწილაკებთან. იგი სხვა თემებთან ერთად იკვლევს რადიოაქტიულ დაშლას, ბირთვულ შერწყმასა და ბირთვულ განხეთქილებას და სავალდებულო ენერგიას.
ბირთვი შეიცავს პროტონებისა და ნეიტრონების მჭიდროდ შეკრულ გროვას. ამასთან, ეს არ არის ფუნდამენტური ნაწილაკები. პროტონები და ნეიტრონები მზადდება კიდევ უფრო მცირე ნაწილაკებისგან, რომლებსაც ეწოდება კვარკები.
კვარკები არის ნაწილაკები, რომლებსაც აქვთ ფრაქციული მუხტი და გარკვეულწილად სულელური სახელები. ისინი ექვს ე.წ. ნეიტრონი შედგება ორი ქვეკვარკისა და ზემო კვარკისგან, ხოლო პროტონი - ორი ზემოთ კვარკისაგან და ქვემო კვარკისგან. თითოეულ ნუკლეონში კვარკები მჭიდროდ არის შეკრული ძლიერი ბირთვული ძალით.
ძლიერ ბირთვულ ძალას შუამავლობენ ნაწილაკები, რომლებსაც ეწოდება გლუონები. გრძნობ თემას? მეცნიერებს ძალიან გაერთო ამ ნაწილაკების დასახელება! წებოები, რა თქმა უნდა, კვარკებს ერთმანეთთან "წებოვს". ძლიერი ბირთვული ძალა მოქმედებს მხოლოდ ძალიან მოკლე დიაპაზონში - საშუალო ზომის ბირთვის დიამეტრის შესადარებლად.
სავალდებულო ენერგია
ყველა იზოლირებულ ნეიტრონს აქვს 1,6749275 × 10 მასა-27 კგ, ხოლო ყველა იზოლირებულ პროტონს აქვს 1,6726219 × 10 მასა-27 კგ; ამასთან, ატომურ ბირთვში შეერთებისას, ატომური მასა არ არის მისი შემადგენელი ნაწილების ჯამი, რასაც უკავშირდება ენერგიის კავშირი.
მჭიდროდ შეკავშირებით, ნუკლეონები მიაღწევენ უფრო დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობას, რადგან მათ ჰქონდათ მთლიანი მასა, როგორც ცალკეული ნაწილაკები ენერგიად გადაკეთებული. ამ მასობრივ სხვაობას, რომელიც ენერგიად გარდაიქმნება, ბირთვის სავალდებულო ენერგიას უწოდებენ. ურთიერთობა, რომელშიც აღწერილია, თუ რამდენად ენერგია შეესაბამება მასის მოცემულ რაოდენობას, აინშტაინის ცნობილია E = mc2 განტოლება სად მ არის მასა, გ არის სინათლის სიჩქარე და ე არის ენერგია.
დაკავშირებული კონცეფცია არის სავალდებულო ენერგია თითო ბირთვზე, რაც წარმოადგენს ბირთვის მთლიანი სავალდებულო ენერგიას, რომლის საშუალო ნაწილია მის შემადგენელ ნაწილებზე. თითო ბირთვზე სავალდებულო ენერგია კარგი მაჩვენებელია იმისა, თუ რამდენად სტაბილურია ბირთვი. დაბალი სავალდებულო ენერგია თითო ბირთვზე მიუთითებს იმაზე, რომ ამისათვის შეიძლება არსებობდეს უფრო დაბალი საერთო ენერგიის უფრო ხელსაყრელი მდგომარეობა კონკრეტული ბირთვი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მას სურს ან დაშლა ან სხვა ბირთვთან დაიმუშაოს სათანადო პირობებში პირობები
ზოგადად, რკინის ბირთვებზე მსუბუქი ბირთვები მიაღწევენ უფრო დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობებს და უფრო მაღალ სავალდებულო ენერგიას თითო ბირთვზე, შერწყმით სხვა ბირთვებთან, ხოლო ბირთვები, რომლებიც უფრო მძიმეა, ვიდრე რკინა, მიაღწევენ უფრო დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობებს მსუბუქად დაშლით ბირთვები. პროცესები, რომლითაც ეს ცვლილებები ხდება, აღწერილია შემდეგ ნაწილში.
გახლეჩა, შერწყმა და რადიოაქტიური დაშლა
ბირთვული ფიზიკის ძირითადი მიმართულებაა ატომური ბირთვების გახლეჩის, შერწყმისა და დაშლის შესწავლა. ეს პროცესები განპირობებულია ფუნდამენტური მოსაზრებით, რომ ყველა ნაწილაკი ამჯობინებს დაბალი ენერგიის მდგომარეობებს.
განხეთქილება ხდება მაშინ, როდესაც მძიმე ბირთვი იშლება პატარა ბირთვებად. ძალიან მძიმე ბირთვები უფრო მეტად არიან მიდრეკილნი ამის გაკეთებისთვის, რადგან მათ აქვთ უფრო მცირე სავალდებულო ენერგია თითო ბირთვზე. როგორც შეგახსენებთ, რამდენიმე ძალა მოქმედებს, რაც ატომურ ბირთვში ხდება. ძლიერი ბირთვული ძალა მჭიდროდ აკავშირებს ნუკლეონებს ერთმანეთთან, მაგრამ ეს არის ძალიან მოკლე მოქმედების ძალა. ასე რომ, ძალიან დიდი ბირთვებისთვის, ეს ნაკლებად ეფექტურია.
ბირთვში დადებითად დამუხტული პროტონები ასევე აგერიებენ ერთმანეთს ელექტრომაგნიტური ძალის საშუალებით. ეს მოგერიება უნდა გადალახოს ძლიერმა ბირთვულმა ძალამ და მას ასევე შეუძლია შუამავლობით საკმარისი ნეიტრონების არსებობით. მაგრამ რაც უფრო დიდია ბირთვი, მით უფრო ხელსაყრელია ძალთა ბალანსი სტაბილურობისთვის.
ამრიგად, უფრო დიდ ბირთვებს სურს დაშლა ან რადიოაქტიური დაშლის პროცესების საშუალებით, ან გახლეჩის რეაქციების საშუალებით, როგორიცაა ბირთვულ რეაქტორებში ან გახლეჩილ ბომბებში.
შერწყმა ხდება მაშინ, როდესაც ორი მსუბუქი ბირთვი მიაღწევს უფრო ხელსაყრელ ენერგეტიკულ მდგომარეობას უფრო მძიმე ბირთვში გაერთიანების გზით. ამასთან, გახლეჩის მოხდენის მიზნით, მოცემული ბირთვები საკმარისად უნდა მიუახლოვდნენ ერთმანეთს, რომ ძლიერმა ბირთვულმა ძალამ შეძლოს მისი აღება. ეს ნიშნავს, რომ ისინი საკმარისად სწრაფად უნდა მოძრაობდნენ, რომ შეძლონ ელექტრული მოგერიების დაძლევა.
ბირთვები ექსტრემალურ ტემპერატურაზე სწრაფად მოძრაობენ, ამიტომ ეს მდგომარეობა ხშირად საჭიროა. ასე ხდება ბირთვული შერწყმა მზის უკიდურესად ცხელ ბირთვში. დღემდე, მეცნიერები კვლავ ცდილობენ იპოვონ გზა, რომ მოხდეს ცივი შერწყმა - ეს არის შერწყმა დაბალ ტემპერატურაზე. მას შემდეგ, რაც ენერგია გამოიყოფა შერწყმის პროცესში და არ ტოვებს რადიოაქტიურ ნარჩენებს, როგორიცაა ტენდენციის რეაქტორები, ამის მიღწევა წარმოუდგენელი ენერგიის რესურსი იქნება.
რადიოაქტიური დაშლა არის საერთო საშუალება, რომლის საშუალებითაც ხდება ბირთვების ცვლილებები, რომ გახდეს უფრო სტაბილური. არსებობს დაშლის სამი ძირითადი ტიპი: ალფა დაშლა, ბეტა დაშლა და გამა დაშლა.
ალფა დაშლის დროს, რადიოაქტიური ბირთვი გამოყოფს ალფა ნაწილაკს (ჰელიუმ -4 ბირთვი) და შედეგად უფრო სტაბილური ხდება. ბეტა დაშლა რამდენიმე ჯიშისაა, მაგრამ არსებითად ან ნეიტრონი ხდება პროტონი ან პროტონი ხდება ნეიტრონი და გამოყოფს β- ან β+ ნაწილაკი (ელექტრონი ან პოზიტრონი). გამა დაშლა ხდება მაშინ, როდესაც აღგზნებულ მდგომარეობაში არსებული ბირთვი გამოყოფს ენერგიას გამა სხივების სახით, მაგრამ ინარჩუნებს ნეიტრონებისა და პროტონების საერთო რაოდენობას.
ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტული მოდელი
ბირთვული ფიზიკის შესწავლა ვრცელდება ნაწილაკების ფიზიკის უფრო დიდ სფეროში, რომლის მიზანია ყველა ფუნდამენტური ნაწილაკის მუშაობის გაგება. სტანდარტული მოდელის კლასიფიკაცია ხდება ნაწილაკებად ფერმიონებად და ბოზონებად, შემდეგ კი კლასიფიცირდება ფერმიონებად კვარკებად და ლეპტონებად, ხოლო ბოზონებად განზომილებულ და სკალარულ ბოზონებად.
ბოზონები არ ემორჩილებიან რიცხვების შენარჩუნების კანონს, მაგრამ ფერმიონები ამას ასრულებენ. ასევე არსებობს კანონი, როგორც ლეპტონის, ისე კვარკის ნომრების შესახებ, სხვა საკონსერვაციო რაოდენობების გარდა. ფუნდამენტური ნაწილაკების ურთიერთქმედება ხდება ენერგიის მატარებელი ბოზონების საშუალებით.
ბირთვული ფიზიკისა და ატომური ფიზიკის პროგრამები
ბირთვული და ატომური ფიზიკის გამოყენება უხვადაა. ბირთვული რეაქტორები ბირთვულ ელექტროსადგურებში ქმნიან სუფთა ენერგიას დანაწევრების პროცესების დროს გამოყოფილი ენერგიის აღებით. ბირთვული მედიცინა იყენებს რადიოაქტიურ იზოტოპებს ვიზუალიზაციისთვის. ასტროფიზიკოსები იყენებენ სპექტროსკოპიას შორეული ნისლეულების შემადგენლობის დასადგენად. მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფია ექიმებს საშუალებას აძლევს შექმნან დეტალური სურათები მათი პაციენტების შინაგანი ნაწილის შესახებ. რენტგენის ტექნოლოგიაც კი იყენებს ბირთვულ ფიზიკას.
