ბირთვული ფიზიკა: რა არის ეს, ვინ აღმოაჩინა იგი და რატომ არის მნიშვნელოვანი?

1896 წელს პარიზში რამდენიმე ღრუბლიანმა დღეს "ჩაშალა" ანრი ბეკერელის ექსპერიმენტი, მაგრამ ამ პროცესში ბირთვული ფიზიკის დარგი დაიბადა. ბეკერელი გამოცხადდა ჰიპოთეზის დასამტკიცებლად, რომ ურანმა შთანთქა მზის სინათლე და ხელახლა ასხია იგი რენტგენის სახით, რომელიც წინა წელს იქნა აღმოჩენილი.

ბეკერელის გეგმა იყო კალიუმის ურანილის სულფატის შემოტანა მზის შუქზე და შემდეგ კონტაქტში მოყვანა ფოტოგრაფიული ფირფიტებით შავ ქაღალდში გახვეული, რადგან ხილული სინათლე არ ახერხებს მას, რენტგენის სხივებს ნეტავ. მზის სუსტის მიუხედავად, მან გადაწყვიტა პროცესის გავლა მაინც და შოკირებული იყო, როდესაც ფოტოგრაფიულ ფირფიტაზე ჯერ კიდევ ჩაწერილი სურათები აღმოაჩინა.

შემდგომმა ტესტირებამ აჩვენა, რომ ეს სულაც არ იყო რენტგენი, მიუხედავად მისი ვარაუდისა. სინათლის გზა არ არის გადახრილი მაგნიტური ველით, არამედ ურანის გამოსხივება გადაიხარა ერთმა და ეს, პირველ შედეგთან ერთად, იყო ის, თუ როგორ აღმოაჩინეს რადიაცია. მარი კიურიმ გამოიყენა ტერმინი რადიოაქტიურობა და მის მეუღლეს პიერთან ერთად პოლონიუმი და რადიუმი აღმოაჩინა, რაც რადიოაქტივობის ზუსტ წყაროებს უყრის.

მოგვიანებით, ერნესტ რეზერფორდმა მოიგონა ტერმინები ალფა ნაწილაკები, ბეტა ნაწილაკები და გამა ნაწილაკები გამოსხივებული მასალისთვის და ველი ბირთვული ფიზიკა ნამდვილად მიდიოდა.

რა თქმა უნდა, ადამიანებმა ახლა ბევრად მეტი იციან ბირთვული ფიზიკის შესახებ, ვიდრე მე -20 საუკუნის დასაწყისში და ეს არის გადამწყვეტი თემა, რომლის გაგება და სწავლა ფიზიკის ნებისმიერი სტუდენტისთვის არის. გსურთ გააცნობიეროთ ბირთვული ენერგიის ხასიათი, ძლიერი და სუსტი ბირთვული ძალები ან შეიტანოთ წვლილი ისეთ სფეროებში, როგორიცაა ბირთვული მედიცინა, საფუძვლების შესწავლა აუცილებელია.

ბირთვული ფიზიკა არსებითად წარმოადგენს ბირთვის ფიზიკას, ატომის ნაწილს, რომელიც შეიცავს ორ ყველაზე ცნობილ "ადრონები" პროტონები და ნეიტრონები.

კერძოდ, ის მიმოიხილავს ძალებს, რომლებიც მოქმედებენ ბირთვი (ძლიერი ურთიერთქმედება, რომელიც აერთიანებს პროტონებსა და ნეიტრონებს ბირთვში, აგრეთვე იკავებს მათ კომპონენტს კვარკები და რადიოაქტიულ დაშლასთან დაკავშირებული სუსტი ურთიერთქმედება) და ბირთვების ურთიერთქმედება სხვათან ნაწილაკები.

ბირთვული ფიზიკა მოიცავს თემებს, როგორიცაა ბირთვული შერწყმა (რომელიც ეხება სხვადასხვა ელემენტის სავალდებულო ენერგიას), ბირთვული განხეთქილება ( ენერგიის წარმოქმნისთვის მძიმე ელემენტების გაყოფა), ასევე რადიოაქტიური დაშლა და ძირითადი სტრუქტურა და ძალები ბირთვი.

ამ სფეროში მრავალი პრაქტიკული პროგრამაა, მათ შორის (მაგრამ არ შემოიფარგლება) ბირთვულ ენერგიაში, ბირთვულ მედიცინასა და მაღალენერგეტიკულ ფიზიკაში მუშაობით.

ან ატომი შედგება ბირთვისგან, რომელიც შეიცავს დადებითად დამუხტულ პროტონებს და დატვირთულ ნეიტრონებს, რომლებიც ძლიერ ბირთვულ ძალას აერთიანებს. ეს გარშემორტყმულია უარყოფითად დამუხტული ელექტრონებით, რომლებიც ქმნიან მას, რასაც ”ღრუბელს” უწოდებენ ბირთვის გარშემო, და ელექტრონების რაოდენობა ემთხვევა ნეიტრალურ ატომში პროტონის რაოდენობას.

ფიზიკის მთელი ისტორიის განმავლობაში შემოთავაზებული იყო ატომის უამრავი მოდელი, მათ შორის ტომსონის ”ქლიავი” პუდინგის ”მოდელი, რეზერფორდისა და ბორის” პლანეტარული ”მოდელი და თანამედროვე, კვანტური მექანიკური მოდელი ზემოთ

ბირთვი პატარაა, დაახლოებით 10⁻¹⁵ მ, შეიცავს ატომის მასის დიდ ნაწილს, ხოლო მთელი ატომი 10-ის რიგზეა⁻¹⁰ მ ნუ აღნიშვნით მოგატყუებთ - ეს ნიშნავს, რომ ბირთვი დაახლოებით 100,000 ჯერ მცირეა, ვიდრე ატომი, მაგრამ ის შეიცავს მატერიის აბსოლუტურ უმრავლესობას. ასე რომ, ატომი უპირატესად არის ცარიელი ადგილი!

ატომის მასა ზუსტად არ არის იგივე, რაც შემადგენელი ნაწილების მასა: თუ დაამატებთ მასების მასებს პროტონები და ნეიტრონები, ეს უკვე აჭარბებს ატომის მასას, მანამდე კი ელექტრონი.

ამას ატომის "მასის დეფექტს" უწოდებენ და თუ ამ განსხვავებას ენერგიად აქცევთ აინშტაინის ცნობილი განტოლების გამოყენებით ე = mc², თქვენ მიიღებთ ბირთვის "სავალდებულო ენერგიას".

ეს არის ენერგია, რომელიც სისტემაში უნდა ჩადოთ, რომ ბირთვი გაყოთ მის შემადგენელ პროტონებად და ნეიტრონებად. ეს ენერგიები გაცილებით ბევრად აღემატება ენერგიას, რომელიც საჭიროა ბირთვის გარშემო "ორბიტიდან" ელექტრონის ამოსაღებად.

ორი ტიპის ნუკლეონი (ე.ი. ბირთვის ნაწილაკი) არის პროტონი და ნეიტრონი და ისინი მჭიდროდ არიან შეკრული ატომის ბირთვში.

მიუხედავად იმისა, რომ ეს ზოგადად არის ნუკლეონები, რომელთა შესახებაც მოისმენთ, ისინი სინამდვილეში არ არიან ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტული მოდელის ფუნდამენტური ნაწილაკები. პროტონი და ნეიტრონი ორივე შედგება ფუნდამენტური ნაწილაკებისგან, რომლებსაც ე.წ. კვარკები, რომლებიც ექვს "არომატს" შეიცავს და თითოეული მათგანი პროტონის ან ელექტრონის მუხტის ნაწილს ატარებს.

Up კვარკს აქვს 2/3 ე დააკისროს, სად ე არის ელექტრონის მუხტი, ხოლო ქვემოთ კვარკს აქვს −1/3 ე მუხტი. ეს ნიშნავს, რომ ორი ზემო კვარკი და ქვემო კვარკი ერთად წარმოქმნის ნაწილაკს დადებითი მუხტის სიდიდით ე, რომელიც არის პროტონი. მეორე მხრივ, ზემოთ კვარკი და ორი ქვეკვარკი აწარმოებენ ნაწილაკს, რომელსაც არ გააჩნია საერთო მუხტი, ნეიტრონი.

სტანდარტული მოდელი ასახავს ამჟამად ცნობილი ყველა ფუნდამენტური ნაწილაკის და აჯგუფებს მათ ორ მთავარ ჯგუფად: ფერმიონებად და ბოზონებად. ფერმიონები იყოფა კვარკებად (რომლებიც თავის მხრივ წარმოქმნიან ადრონებს, როგორიცაა პროტონები და ნეიტრონები) და ლეპტონები (რომელშიც შედის ელექტრონები და ნეიტრინები) და ბოზონები იყოფა ლიანდაგების და სკალარული ბოზონებად.

ჰიგზ ბოზონი არის ერთადერთი სკალარული ბოზონი, რომელიც ჯერჯერობით ცნობილია, დანარჩენი ბოზონებით - ფოტონი, გლუონი, ზ-ბოზონები და ვ ბოზონები - ლიანდაგიანი ბოზონები.

ფერმიონები, ბოზონებისგან განსხვავებით, ემორჩილებიან "რიცხვების შენარჩუნების კანონს". მაგალითად, ლეპტონის რიცხვის შენარჩუნების კანონი არსებობს, რომელიც განმარტავს ისეთ რამეებს, როგორიცაა ბირთვული დაშლის ნაწილაკები პროცესები (რადგან ლეპტონის 1 ნომერიანი ელექტრონის შექმნა, მაგალითად, უნდა იყოს დაბალანსებული ლეპტონის number1 სხვა ნაწილაკის შექმნით, მაგალითად, ელექტრონის საწინააღმდეგო ნეიტრინო).

კვარკის ნომერი ასევე დაცულია და არის სხვა კონსერვირებული რაოდენობაც.

ბოზონები ძალის მატარებელი ნაწილაკებია და ამიტომ ფუნდამენტური ნაწილაკების ურთიერთქმედება ხდება ბოზონების საშუალებით. მაგალითად, კვარკების ურთიერთქმედება ხდება გლუონის შუამავლობით, ხოლო ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება ფოტონების საშუალებით.

მიუხედავად იმისა, რომ ელექტრომაგნიტური ძალა მოქმედებს ბირთვში, ძირითადი ძალები, რომელთა გათვალისწინებაც გჭირდებათ, არის ძლიერი და სუსტი ბირთვული ძალები. ძლიერ ბირთვულ ძალას ატარებენ გლუონები, ხოლო სუსტ ბირთვულ ძალას ვ^± და ზ⁰ ბოზონები.

როგორც სახელიდან ჩანს, ძლიერი ბირთვული ძალა ყველაზე ძლიერია ყველა ფუნდამენტალური ძალებისგან, რასაც მოსდევს ელექტრომაგნეტიზმი (10)² ჯერ უფრო სუსტია), სუსტი ძალა (10⁶ ჯერ უფრო სუსტია) და მიზიდულობა (10⁴⁰ ჯერ უფრო სუსტია). უზარმაზარი განსხვავება გრავიტაციასა და დანარჩენ ძალებს შორის არის ის, რომ ფიზიკოსები არსებითად უგულებელყოფენ მას ატომურ დონეზე მატერიის განხილვისას.

ძლიერი ძალა საჭიროებებს იყოს ძლიერი იმისათვის, რომ გადავლახოთ ელექტრომაგნიტური მოგერიება ბირთვში დადებითად დამუხტულ პროტონებს შორის - თუ მას ჰქონდა უფრო სუსტი იყო ვიდრე ელექტრომაგნიტური ძალა, ვერ შეძლებდა ბირთვში ერთზე მეტ პროტონის მქონე ატომს ფორმა თუმცა, ძლიერი ძალა აქვს ძალიან მოკლე დიაპაზონი.

ეს მნიშვნელოვანია, რადგან ის გვიჩვენებს, თუ რატომ არ არის ძალა შესამჩნევი მთლიანი ატომების მასშტაბითაც ან მოლეკულები, მაგრამ ეს ასევე ნიშნავს, რომ ელექტრომაგნიტური მოგერიება უფრო აქტუალური ხდება მძიმე ბირთვებისთვის (ე.ი. უფრო დიდი ატომები). ეს არის ერთ – ერთი მიზეზი იმისა, რომ არასტაბილური ბირთვები ხშირად არის მძიმე ელემენტები.

სუსტ ძალას ასევე აქვს ძალიან მოკლე დიაპაზონი და ეს არსებითად იწვევს კვარკების არომატის შეცვლას. ამან შეიძლება პროტონი გახდეს ნეიტრონი და პირიქით, და ამიტომ იგი შეიძლება განვიხილოთ, როგორც მიზეზი ბირთვული დაშლა პროცესები, როგორიცაა ბეტა პლუსი და მინუს დაშლა.

არსებობს რადიოაქტიური დაშლის სამი ტიპი: ალფა, ბეტა და გამა გამაფუჭება. ალფა დაშლა არის, როდესაც ატომი იშლება "ალფა ნაწილაკის" გამოყოფით, რაც ჰელიუმის ბირთვის კიდევ ერთი ტერმინია.

არსებობს ბეტა დაშლის სამი ქვეტიპი, მაგრამ ყველა მათგანი მოიცავს პროტონის ნეიტრონად გადაქცევას ან პირიქით. ბეტა მინუს დაშლა არის, როდესაც ნეიტრონი ხდება პროტონი და ამ პროცესში გამოყოფს ელექტრონსა და ელექტრონს ანტი-ნეიტრინოს, ხოლო ბეტა პლუს დაშლაში, პროტონი ხდება ნეიტრონი და ათავისუფლებს პოზიტრონს (ანუ ანტიეკტრონს) და ელექტრონს ნეიტრინო.

ელექტრონის ხელში ჩაგდებისას, ატომის გარე ნაწილებიდან ელექტრონი შეიწოვება ბირთვში და პროტონი გარდაიქმნება ნეიტრონად, ხოლო პროცესისაგან გამოიყოფა ნეიტრინო.

გამა დაშლა არის დაშლა, სადაც ენერგია გამოიყოფა, მაგრამ ატომში არაფერი იცვლება. ეს არის ფოტონის გამოყოფის ანალოგი, როდესაც ელექტრონი გადადის მაღალი ენერგიიდან დაბალენერგეტიკულ მდგომარეობაში. აღგზნებული ბირთვი ახდენს გადასვლას დაბალი ენერგიის მდგომარეობაში და გამოყოფს გამა სხივს.

Ბირთვული fusion არის, როდესაც ორი ბირთვი ერწყმის და ქმნის უფრო მძიმე ბირთვს. ეს არის ენერგიის გამომუშავების გზა მზეზე და დედამიწაზე ენერგიის გამომუშავების პროცესის წარმოება ერთ – ერთი ყველაზე დიდი მიზანია ექსპერიმენტული ფიზიკისთვის.

პრობლემა ისაა, რომ ის მოითხოვს უკიდურესად მაღალ ტემპერატურასა და წნევას და, შესაბამისად, ენერგიის ძალიან მაღალ დონეს. ამასთან, თუ ამას მეცნიერები მიაღწევენ, შერწყმა შეიძლება გახდეს ენერგიის სასიცოცხლო წყარო, რადგან საზოგადოება განაგრძობს ზრდას და ჩვენ ვზრუნავთ ენერგიის მზარდ რაოდენობაზე.

Ბირთვული დაშლა არის მძიმე ელემენტის გაყოფა ორ მსუბუქ ბირთვად და სწორედ ეს მოქმედებს ამჟამინდელი თაობის ბირთვული რეაქტორებით.

განხეთქილება ასევე არის ბირთვული იარაღის მოქმედების პრინციპი, რაც ერთ – ერთი მთავარი მიზეზია ის სადავო სფეროა. პრაქტიკაში, განხეთქილება მუშაობს მთელი რიგი ჯაჭვური რეაქციების მეშვეობით. ნეიტრონი, რომელიც ქმნის თავდაპირველ გაყოფას მძიმე ელემენტში, როგორიცაა ურანი, წარმოქმნის შემდგომ თავისუფალ ნეიტრონს რეაქციის შემდეგ, რომელიც შემდეგ შეიძლება გამოიწვიოს სხვა გაყოფა და ა.შ.

არსებითად, ორივე ეს პროცესი ენერგიას იძენს ე = mc² მიმართება, რადგან ატომების შერწყმა ან გაყოფა გულისხმობს ენერგიის გამოყოფას "დაკარგული მასისგან".

ბირთვული ფიზიკის გამოყენების უზარმაზარი სპექტრია. აღსანიშნავია, რომ ბირთვული რეაქტორები და ბირთვული ელექტროსადგურები მოქმედებს მსოფლიოს მრავალ ქვეყანაში და მრავალი ფიზიკოსი მუშაობს ახალ და უსაფრთხო კონსტრუქციებზე.

მაგალითად, ბირთვული რეაქტორის ზოგიერთი პროექტი მიზნად ისახავს იმის უზრუნველყოფას, რომ არ მოხდეს გამოყენებული იქნას წყარო მასალა ბირთვული იარაღის შექმნა, რომელიც მოითხოვს ურანის ბევრად უფრო გამდიდრებულ წყაროს (ე.ი. "უფრო სუფთა" ურანი) მოქმედება

Ბირთვული მედიცინა ბირთვული ფიზიკის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი სფეროა. ბირთვული მედიცინა გულისხმობს ძალიან მცირე რაოდენობის რადიოაქტიური მასალის შეყვანას პაციენტზე, შემდეგ კი დეტექტორები იყენებენ გამოცემული გამოსხივებისგან სურათების გადაღებას. ეს ექიმებს ეხმარება თირკმლის, ფარისებრი ჯირკვლის, გულისა და სხვა პირობების დიაგნოზირებაში.

რა თქმა უნდა, არსებობს მრავალი სხვა სფერო, სადაც არსებითად არის ბირთვული ფიზიკა, მათ შორის მაღალი ენერგიის ფიზიკა და ნაწილაკები ამაჩქარებლები, როგორიცაა CERN და ასტროფიზიკა, სადაც ვარსკვლავებში მრავალი დომინანტი პროცესია ძლიერ დამოკიდებული ბირთვზე ფიზიკა