1896 년 파리의 흐린 날은 Henri Becquerel의 실험을“망 쳤지 만”그 과정에서 핵 물리학 분야가 탄생했습니다. 베크렐은 우라늄이 햇빛을 흡수하여 작년에 발견 된 X 선 형태로 다시 조사했다는 가설을 증명하기 위해 나섰습니다.
핵 물리학 기초: 역사와 발견
Becquerel의 계획은 칼륨 우라 닐 설페이트를 햇빛으로 가져 와서 접촉시키는 것이 었습니다. 가시 광선은 통과하지 못하지만 X- 레이는 할 것이다. 햇빛이 부족함에도 불구하고 그는 어쨌든 과정을 거치기로 결정했고 사진 판에 여전히 기록 된 이미지를 발견했을 때 충격을 받았습니다.
추가 테스트를 통해 그의 가정에도 불구하고 X 선이 전혀 아니었다는 사실이 밝혀졌습니다. 빛의 경로는 자기장에 의해 구부러지지 않습니다. 우라늄의 방사능 첫 번째 결과와 함께 방사능이 발견되었습니다. Marie Curie는 방사능이라는 용어를 만들었고 남편 Pierre와 함께 폴로늄과 라듐을 발견하여 방사능의 정확한 소스를 찾아 냈습니다.
나중에 Ernest Rutherford는 방사 된 물질에 대한 알파 입자, 베타 입자 및 감마 입자라는 용어와 핵 물리학 정말 시작되었습니다.
물론, 사람들은 20 세기 초에했던 것보다 핵 물리에 대해 훨씬 더 많이 알고 있으며, 모든 물리학 학생을 위해 이해하고 배우는 것이 중요한 주제입니다. 원자력의 본질을 이해하고 싶든, 강하고 약한 원자력을 이해하고 싶든, 핵 의학과 같은 분야에 기여하고 싶든, 기초를 배우는 것은 필수적입니다.
핵 물리학이란?
핵 물리학은 본질적으로 가장 잘 알려진 두 가지를 포함하는 원자의 일부인 핵의 물리학입니다. "하드론" 양성자와 중성자.
특히, 그것은 핵 (핵에서 양성자와 중성자를 결합하고 구성 요소를 유지하는 강력한 상호 작용 쿼크, 방사능 붕괴와 관련된 약한 상호 작용), 핵과 다른 핵의 상호 작용 입자.
핵 물리학은 핵융합 (다른 원소의 결합 에너지와 관련된), 핵분열 (즉, 에너지를 생산하기위한 무거운 원소의 분리)뿐만 아니라 방사성 붕괴와 기본 구조 및 힘 핵.
핵 에너지, 핵 의학 및 고 에너지 물리학 분야의 작업을 포함하여 (이에 국한되지 않음)이 분야의 많은 실제 응용 프로그램이 있습니다.
원자의 구조
안 원자 양전하를 띤 양성자와 하전되지 않은 중성자를 포함하는 핵으로 구성되어 있으며 강한 핵력에 의해 결합됩니다. 이것들은 음전하를 띤 전자로 둘러싸여 핵 주위에 "구름"을 형성하며 전자의 수는 중성 원자의 양성자 수와 일치합니다.
Thomson의 "매화"를 포함하여 물리학의 역사를 통해 제안 된 원자의 수많은 모델이 있습니다. 푸딩 "모델, Rutherford 및 Bohr의"행성 "모델 및 설명 된 현대적인 양자 기계 모델 위.
핵은 약 10으로 작습니다.−15 m, 원자 질량의 대부분을 포함하고 전체 원자는 10 정도입니다.−10 미디엄. 표기법에 속지 마십시오. 이것은 핵이 전체 원자보다 약 100,000 배 더 작지만 대부분의 물질을 포함하고 있음을 의미합니다. 그래서 원자는 주로 빈 공간!
원자의 질량은 구성 부분의 질량과 정확히 같지는 않습니다. 양성자와 중성자는 훨씬 더 작은 질량을 설명하기 전에 이미 원자의 질량을 초과합니다. 전자.
이것을 원자의“질량 결함”이라고합니다. 아인슈타인의 유명한 방정식을 사용하여이 차이를 에너지로 변환하면 이자형 = mc2, 당신은 핵의 "결합 에너지"를 얻습니다.
이것은 핵을 구성하는 양성자와 중성자로 분리하기 위해 시스템에 넣어야하는 에너지입니다. 이러한 에너지는 핵 주위의 "궤도"에서 전자를 제거하는 데 필요한 에너지보다 훨씬 더 큽니다.
핵 물질과 핵 구조
두 가지 유형 핵 (즉, 핵의 입자)는 양성자와 중성자이며, 이들은 원자의 핵에서 단단히 결합되어 있습니다.
이들은 일반적으로들을 수있는 핵이지만 입자 물리학의 표준 모델에서 실제로는 기본 입자가 아닙니다. 양성자와 중성자는 모두 쿼크, 6 가지 "향기"가 있으며 각각은 양성자 또는 전자 전하의 일부를 운반합니다.
업 쿼크는 2/3 이자형 충전, 어디서 이자형 전자의 전하이고, 다운 쿼크는 -1/3 이자형 요금. 이것은 두 개의 업 쿼크와 다운 쿼크가 결합되어 양전하를 가진 입자를 생성한다는 것을 의미합니다 이자형, 이것은 양성자입니다. 반면에 업 쿼크와 두 개의 다운 쿼크는 전체 전하가없는 중성자 입자를 생성합니다.
입자 물리학의 표준 모델
표준 모델은 현재 알려진 모든 기본 입자를 분류하고 페르미온과 보손의 두 가지 주요 그룹으로 그룹화합니다. Fermions 쿼크 (양성자 및 중성자와 같은 하드론 생성)와 렙톤 (전자 및 중성미자 포함)으로 세분됩니다. Bosons 게이지와 스칼라 보손으로 세분됩니다.
힉스 보손은 지금까지 알려진 유일한 스칼라 보손입니다. 광자, 글루온, 지-bosons 및 W bosons – 게이지 bosons입니다.
페르미온은 bosons와 달리 "숫자 보존법"을 따릅니다. 예를 들어, 핵 붕괴의 일부로 생성되는 입자와 같은 것을 설명하는 렙톤 수 보존 법칙이 있습니다. (예를 들어, 렙톤 번호가 1 인 전자의 생성은 전자 반 중성미자 같은 렙톤 번호 -1을 가진 다른 입자의 생성과 균형을 이루어야하기 때문입니다).
Quark 수도 보존되며 다른 보존 수량도 있습니다.
보손은 힘을 전달하는 입자이므로 기본 입자의 상호 작용은 보손에 의해 매개됩니다. 예를 들어 쿼크의 상호 작용은 글루온에 의해 매개되고 전자기 상호 작용은 광자에 의해 매개됩니다.
강한 핵력과 약한 핵력
전자기력이 핵에 적용되지만 고려해야 할 주요 힘은 강하고 약한 핵력입니다. 강한 핵력은 글루온에 의해, 약한 핵력은 W± 그리고 지0 bosons.
이름에서 알 수 있듯이 강력한 핵력은 모든 기본 힘 중에서 가장 강하며 전자기학 (102 약한 시간), 약한 힘 (106 약한 배)와 중력 (1040 약한 배). 중력과 나머지 힘의 큰 차이는 물리학 자들이 원자 수준에서 물질을 논의 할 때 본질적으로 그것을 무시하는 이유입니다.
강력한 힘 필요 핵에서 양으로 하전 된 양성자 사이의 전자기 반발을 극복하기 위해 강해 져야합니다. 전자기력보다 약했다. 핵에 하나 이상의 양성자를 가진 원자는 형태. 그러나 강한 힘은 매우 짧은 범위.
이것은 전체 원자 또는 전체 원자의 규모에서도 힘이 눈에 띄지 않는 이유를 보여주기 때문에 중요합니다. 분자이지만 이는 또한 전자기 반발이 무거운 핵 (즉, 더 큰 원자). 이것이 불안정한 핵이 종종 무거운 원소의 핵인 이유 중 하나입니다.
약한 힘은 또한 매우 짧은 범위를 가지며 본질적으로 쿼크가 풍미를 변화시킵니다. 이것은 양성자가 중성자가 될 수 있고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 그래서 그것은 원인으로 생각할 수 있습니다. 핵 붕괴 베타 플러스 및 마이너스 붕괴와 같은 프로세스.
방사성 붕괴
방사성 붕괴에는 알파 붕괴, 베타 붕괴 및 감마 붕괴의 세 가지 유형이 있습니다. 알파 붕괴는 헬륨 핵의 또 다른 용어 인 "알파 입자"를 방출하여 원자가 붕괴하는 것을 말합니다.
베타 붕괴에는 세 가지 하위 유형이 있지만 모두 양성자가 중성자로 바뀌거나 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 베타 마이너스 붕괴는 중성자가 양성자가되어 그 과정에서 전자와 전자 반 중성미자를 방출하는 것입니다. 베타 + 붕괴 상태에서는 양성자가 중성자가되어 양전자 (즉, 반 전자)와 전자를 방출합니다. 중성 미자.
전자 포획에서는 원자 외부의 전자가 핵으로 흡수되고 양성자가 중성자로 변환되고 그 과정에서 중성미자가 방출됩니다.
감마 붕괴는 에너지가 방출되지만 원자에서 아무것도 변하지 않는 붕괴입니다. 이것은 전자가 고 에너지 상태에서 저에너지 상태로 전환 할 때 광자가 방출되는 방식과 유사합니다. 여기 된 핵은 저에너지 상태로 전환하고 감마선을 방출합니다.
핵분열과 핵융합
핵융합 두 개의 핵이 융합되어 더 무거운 핵을 만들 때입니다. 이것이 태양에서 에너지가 생성되는 방식이며, 발전을 위해 지구에서 발생하는 과정을 얻는 것이 실험 물리학의 가장 큰 목표 중 하나입니다.
문제는 극도로 높은 온도와 압력이 필요하므로 매우 높은 에너지 수준이 필요하다는 것입니다. 그러나 과학자들이 그것을 달성한다면, 사회가 계속 성장하고 우리가 점점 더 많은 양의 에너지를 소비함에 따라 융합은 중요한 동력원이 될 수 있습니다.
핵분열 무거운 원소를 두 개의 가벼운 핵으로 나누는 것입니다. 이것이 현재의 원자로 세대에 동력을 공급하는 것입니다.
핵분열은 핵무기의 작동 원리이기도하는데 이것이 논란의 여지가있는 주요 이유 중 하나입니다. 실제로 핵분열은 일련의 연쇄 반응을 통해 작동합니다. 우라늄과 같은 무거운 원소에서 초기 분할을 생성하는 중성자는 반응 후에 추가로 자유 중성자를 생성하며, 이는 계속해서 또 다른 분할 등을 일으킬 수 있습니다.
기본적으로이 두 프로세스 모두 이자형 = mc2 관계, 원자를 융합하거나 분할하는 것은 "누락 된 질량"으로부터의 에너지 방출을 포함하기 때문입니다.
핵 물리의 응용
핵 물리학에는 엄청난 범위의 응용이 있습니다. 특히 원자로와 원자력 발전소는 전 세계 여러 국가에서 운영되고 있으며 많은 물리학 자들이 새롭고 안전한 설계를 연구하고 있습니다.
예를 들어, 일부 원자로 설계는 원재료가 다음 용도로 사용될 수 없도록 보장하는 것을 목표로합니다. 훨씬 더 풍부한 우라늄 공급원 (즉, "순수한"우라늄)을 필요로하는 핵무기 생성 작동합니다.
핵 의학 핵 물리학의 또 다른 중요한 영역입니다. 핵 의학은 극소량의 방사성 물질을 환자에게 투여하고 탐지기를 사용하여 방출 된 방사선에서 이미지를 캡처합니다. 이것은 의사가 신장, 갑상선, 심장 및 기타 상태를 진단하는 데 도움이됩니다.
물론, 고 에너지 물리학과 입자를 포함하여 핵 물리학이 본질적으로 존재하는 다른 많은 영역이 있습니다. CERN과 같은 가속기, 천체 물리학, 별에서 지배적 인 많은 과정이 핵에 강하게 의존합니다. 물리학.