원자력 및 원자 (물리): 학생을위한 초보자 안내서

원자 물리학과 핵 물리학은 모두 매우 작은 물리학을 설명합니다. 이러한 작은 물체로 작업 할 때 고전 역학에 대한 이해로 구축 된 직관은 종종 실패합니다. 이것은 양자 역학, 단거리 핵력, 전자기 복사 및 입자 물리학의 표준 모델의 영역입니다.

원자 물리학은 원자의 구조, 관련 에너지 상태 및 원자와 입자 및 장의 상호 작용을 다루는 물리학의 한 분야입니다. 대조적으로, 핵 물리학은 특히 원자핵 내부의 진행에 초점을 맞추고 있으며, 이에 대해서는 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.

입자 물리학에는 몇 가지 연구 항목이 있습니다. 가장 중요한 것은 원자 자체의 구조입니다. 원자는 양성자와 중성자를 포함하는 단단히 결합 된 핵과 확산 전자 구름으로 구성됩니다.

핵이 일반적으로 10 정도라고 가정하면^-15 ~ 10^-14 직경 m이고 원자 자체는 약 10^-10 m 직경 (및 전자의 크기는 무시할 수 있음)에서 원자는 대부분 빈 공간입니다. 물론 그들은 그렇게 보이지 않고 원자로 이루어진 모든 물질은 확실히 물질처럼 느껴집니다.

원자가 대부분 빈 공간처럼 보이지 않는 이유는 여러분도 원자로 구성되어 있고 모든 원자가 전자기 에너지와 상호 작용하기 때문입니다. 대부분 빈 공간 원자로 구성된 손이 대부분으로 구성된 테이블을 누르더라도 빈 공간, 원자가 들어올 때 원자 사이의 전자기력 때문에 테이블을 통과하지 못합니다. 접촉.

그러나 전자기력과 상호 작용하지 않는 입자 인 중성미자는 거의 감지되지 않은 상태로 대부분의 원자 물질을 통과 할 수 있습니다. 실제로 1 초마다 100 조 개의 중성미자가 몸을 통과합니다!

원자는 주기율표에서 원자 번호로 분류됩니다. 원자 번호는 원자가 핵에 포함하는 양성자의 수입니다. 이 숫자는 요소를 정의합니다.

주어진 원소는 항상 같은 수의 양성자를 가지지 만 다른 수의 중성자를 포함 할 수 있습니다. 원소의 다른 동위 원소는 서로 다른 수의 중성자를 포함합니다. 일부 동위 원소는 다른 동위 원소보다 더 안정적이며 (즉, 자연적으로 다른 것으로 붕괴 될 가능성이 적음)이 안정성 일반적으로 중성자의 수에 따라 달라 지므로 대부분의 원소에서 대부분의 원자는 하나의 특정 원자를 갖는 경향이 있습니다. 동위 원소.

원자에 포함 된 전자의 수는 원자가 이온화되었는지 또는 충전되었는지를 결정합니다. 중성 원자는 양성자와 같은 수의 전자를 포함하지만 때로는 원자가 전자를 얻거나 잃고 하전 될 수 있습니다. 원자가 얼마나 쉽게 전자를 얻거나 잃는지는 전자 궤도 구조에 달려 있습니다.

수소 원자는 핵에 양성자를 하나만 포함하는 가장 단순한 원자입니다. 수소의 가장 안정적인 3 개의 동위 원소는 프로 튬 (중성자를 포함하지 않음), 중수소 (중성자 1 개 포함) 및 삼중 수소 (중성자 2 개 포함)이며 프로 튬이 가장 풍부합니다.

수년에 걸쳐 다양한 원자 모델이 제안되어 현재 모델로 이어졌습니다. 초기 작업은 Ernest Rutherford, Niels Bohr 등이 수행했습니다.

언급했듯이 원자는 전자기력과 상호 작용합니다. 원자의 양성자는 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띠고 있습니다. 원자의 전자는 전자기 복사를 흡수하여 결과적으로 더 높은 에너지 상태를 달성하거나 복사를 방출하여 더 낮은 에너지 상태로 이동할 수 있습니다.

이러한 방사선의 흡수 및 방출의 주요 특성 중 하나는 원자가 매우 특정한 양자화 된 값에서만 방사선을 흡수하고 방출한다는 것입니다. 그리고 각각의 다른 유형의 원자에 대해 이러한 특정 값이 다릅니다.

원자 물질의 뜨거운 가스는 매우 특정한 파장에서 방사선을 방출합니다. 이 가스에서 나오는 빛이 파장 (무지개처럼)에 따라 스펙트럼으로 빛을 확산시키는 분광기를 통과하면 뚜렷한 방출 선이 나타납니다. 가스에서 나오는 일련의 방출 선은 가스에있는 원자가 정확히 무엇인지 알려주는 바코드처럼 거의 읽을 수 있습니다.

유사하게, 연속적인 빛의 스펙트럼이 차가운 가스에 입사하고 그 가스를 통과하는 빛은 분광기를 통과하면 특정 파장에서 어두운 틈이있는 연속 스펙트럼을 볼 수 있습니다. 흡수. 이 흡수 스펙트럼은 방출 스펙트럼의 반대처럼 보일 것이며, 동일한 가스에 대한 밝은 선이 있었던 곳에 어두운 선이 나타납니다. 따라서 가스 구성을 알려주는 바코드처럼 읽을 수도 있습니다. 천문학 자들은 항상 이것을 사용하여 우주에서 물질의 구성을 결정합니다.

핵 물리학은 원자핵, 핵반응 및 핵과 다른 입자의 상호 작용에 중점을 둡니다. 다른 주제들 중에서 방사성 붕괴, 핵융합 및 핵분열, 결합 에너지를 탐구합니다.

핵은 단단히 결합 된 양성자와 중성자 덩어리를 포함합니다. 그러나 이들은 기본 입자가 아닙니다. 양성자와 중성자는 쿼크.

Quark는 분수 전하를 가진 입자이며 다소 어리석은 이름입니다. 소위 6 가지 맛: 위, 아래, 위, 아래, 이상하고 매력적입니다. 중성자는 두 개의 다운 쿼크와 하나의 업 쿼크로 구성되며 양성자는 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 구성됩니다. 각 핵의 쿼크는 강력한 핵력에 의해 단단히 묶여 있습니다.

강한 핵력은 글루온. 테마를 느끼고 있습니까? 과학자들은이 입자들의 이름을 짓는 것을 아주 재미있게했습니다! 물론 글루온은 쿼크를 함께 "접착"합니다. 강한 핵력은 평균 크기의 핵의 직경에 필적하는 거리에서 매우 짧은 범위에서만 작용합니다.

고립 된 모든 중성자는 1.6749275 × 10의 질량을가집니다.^-27 kg이고, 고립 된 모든 양성자는 1.6726219 × 10의 질량을가집니다.^-27 킬로그램; 그러나 원자핵에서 함께 결합 될 때, 원자 질량은 결합 에너지라고하는 무언가로 인해 구성 부분의 합이 아닙니다.

단단히 결합 됨으로써 핵은 개별 입자가 에너지로 변환되는 총 질량의 일부의 결과로 더 낮은 에너지 상태를 달성합니다. 에너지로 변환되는이 질량 차이를 핵의 결합 에너지라고합니다. 주어진 질량에 해당하는 에너지의 양을 설명하는 관계는 아인슈타인의 유명합니다 E = mc² 방정식 어디에 미디엄 질량, 씨 빛의 속도이고 이자형 에너지입니다.

관련 개념은 핵당 결합 에너지로, 구성 부분에 대해 평균을 낸 핵의 총 결합 에너지입니다. 핵당 결합 에너지는 핵이 얼마나 안정적인지에 대한 좋은 지표입니다. 핵당 결합 에너지가 낮 으면 총 에너지가 더 낮은 상태가 더 유리할 수 있음을 나타냅니다. 특정 핵, 즉 적절한 핵 아래에서 분리되거나 다른 핵과 융합되기를 원할 것입니다. 정황.

일반적으로 철핵보다 가벼운 핵은 융합에 의해 더 낮은 에너지 상태와 더 높은 핵당 결합 에너지를 달성하는 경향이 있습니다. 철보다 무거운 핵은 더 가벼운 상태로 분해되어 더 낮은 에너지 상태를 달성하는 경향이 있습니다. 핵. 이러한 변경이 발생하는 프로세스는 다음 섹션에서 설명합니다.

핵 물리학의 주요 초점은 원자핵의 핵분열, 융합 및 붕괴를 연구하는 것입니다. 이러한 프로세스는 모든 입자가 낮은 에너지 상태를 선호한다는 기본 개념에 의해 구동됩니다.

핵분열은 무거운 핵이 더 작은 핵으로 분리 될 때 발생합니다. 매우 무거운 핵은 핵당 결합 에너지가 더 작기 때문에 이렇게하기 쉽습니다. 기억 하시겠지만 원자핵에서 일어나는 일을 지배하는 몇 가지 힘이 있습니다. 강한 핵력은 핵을 단단히 묶지 만 매우 짧은 범위의 힘입니다. 따라서 매우 큰 핵의 경우 덜 효과적입니다.

핵에서 양전하를 띤 양성자는 전자기력을 통해 서로를 밀어냅니다. 이 반발은 강력한 핵력으로 극복해야하며 주변에 충분한 중성자를 보유함으로써 매개 될 수도 있습니다. 그러나 핵이 클수록 힘 균형이 안정성에 유리하지 않습니다.

따라서 더 큰 핵은 방사능 붕괴 과정을 통해 또는 원자로 또는 핵분열 폭탄에서 발생하는 것과 같은 핵분열 반응을 통해 분리되기를 원하는 경향이 있습니다.

융합은 두 개의 가벼운 핵이 더 무거운 핵으로 결합하여 더 유리한 에너지 상태를 달성 할 때 발생합니다. 그러나 핵분열이 일어나기 위해서는 문제의 핵이 서로 충분히 가까워 야 강한 핵력이 장악 할 수 있습니다. 이는 전기적 반발을 극복 할 수 있도록 충분히 빠르게 움직여야 함을 의미합니다.

핵은 극한의 온도에서 빠르게 움직이므로이 조건이 종종 필요합니다. 이것이 핵융합이 태양의 극도로 뜨거운 핵에서 일어나는 방법입니다. 오늘날까지 과학자들은 저온 융합, 즉 저온에서의 융합을 발생시키는 방법을 찾고 있습니다. 핵융합 과정에서 에너지가 방출되고 핵분열 원자로처럼 방사성 폐기물을 남기지 않기 때문에 달성된다면 엄청난 에너지 자원이 될 것입니다.

방사성 붕괴는 핵이 더 안정되기 위해 변화를 겪는 일반적인 수단입니다. 붕괴에는 세 가지 주요 유형이 있습니다: 알파 붕괴, 베타 붕괴 및 감마 붕괴.

알파 붕괴에서 방사성 핵은 알파 입자 (헬륨 -4 핵)를 방출하여 결과적으로 더 안정적이됩니다. 베타 붕괴는 몇 가지 종류가 있지만 본질적으로 중성자가 양성자가되거나 양성자가 중성자가되어 β^- 또는 β⁺ 입자 (전자 또는 양전자). 감마 붕괴는 여기 상태의 핵이 감마선의 형태로 에너지를 방출하지만 전체 중성자와 양성자의 수를 유지할 때 발생합니다.

핵 물리학의 연구는 모든 기본 입자의 작용을 이해하는 것을 목표로하는 입자 물리학의 더 큰 분야로 확장됩니다. 표준 모델은 입자를 페르미온과 보손으로 분류 한 다음 페르미온을 쿼크와 렙톤으로, 보손을 게이지와 스칼라 보손으로 추가로 분류합니다.

Bosons는 수 보존법을 준수하지 않지만 fermions는 준수합니다. 또한 다른 보존 수량 외에도 렙톤 및 쿼크 수 모두에 대한 보존 법칙이 있습니다. 기본 입자의 상호 작용은 에너지를 운반하는 보손에 의해 매개됩니다.

핵 및 원자 물리학의 응용이 풍부합니다. 원자력 발전소의 원자로는 핵분열 과정에서 방출되는 에너지를 활용하여 청정 에너지를 생성합니다. 핵 의학은 영상화를 위해 방사성 동위 원소를 사용합니다. 천체 물리학 자들은 분광법을 사용하여 먼 성운의 구성을 결정합니다. 자기 공명 영상을 통해 의사는 환자 내부의 상세한 이미지를 만들 수 있습니다. X 선 기술조차도 핵 물리학을 사용합니다.