Atominė ir branduolinė fizika apibūdina labai mažų fizikų fiziką. Dirbant su tokiais mažais daiktais, jūsų intuicija, sukurta suprantant klasikinę mechaniką, dažnai nepavyksta. Tai yra kvantinės mechanikos, mažo nuotolio branduolinių jėgų, elektromagnetinės spinduliuotės ir standartinio dalelių fizikos modelio sritis.
Kas yra atominė fizika?
Atominė fizika yra fizikos šaka, nagrinėjanti atomo struktūrą, susijusias energijos būsenas ir atomo sąveiką su dalelėmis ir laukais. Priešingai, branduolinė fizika ypatingą dėmesį skiria atomo branduolio viduje vykstantiems veiksmams, kurie išsamiau aprašyti kitame skyriuje.
Yra keletas dalelių fizikos studijų dalykų. Visų pirma yra paties atomo struktūra. Atomai susideda iš sandariai sujungto branduolio, kuriame yra protonai ir neutronai, ir difuzinio elektronų debesies.
Atsižvelgiant į tai, kad branduolys paprastai būna 10-15 iki 10-14 m skersmens, o patys atomai yra maždaug 10-10 m skersmens (o elektronų dydis yra nereikšmingas), paaiškėja, kad atomai dažniausiai yra tuščia erdvė. Žinoma, jie neatrodo tokie, kokie yra, ir visas dalykas, pagamintas iš atomų, tikrai jaučiasi esmė.
Panašu, kad atomai dažniausiai nėra tuščia erdvė, todėl, kad jūs taip pat esate sudaryti iš atomų, o visi atomai sąveikauja su elektromagnetine energija. Nors jūsų ranka, kurią sudaro daugiausia tuščios erdvės atomai, prispaudžia prie stalo, kurį taip pat sudaro daugiausia tuščia erdvė, ji nepraeina pro stalą dėl elektromagnetinių jėgų tarp atomų, kai jie patenka kontaktas.
Neutrino - dalelė, kuri nesąveikauja su elektromagnetine jėga, tačiau praktiškai nepastebėta gali praeiti per daugumą atominių medžiagų. Tiesą sakant, per jūsų kūną kiekvieną sekundę praeina 100 trilijonų neutrinų!
Atomų klasifikacija
Atomai periodinėje lentelėje klasifikuojami pagal atominį skaičių. Atomo skaičius yra protonų, kuriuos atomas turi savo branduolyje, skaičius. Šis skaičius apibrėžia elementą.
Nors tam tikrame elemente visada bus vienodas protonų skaičius, jame gali būti skirtingas neutronų skaičius. Skirtinguose elemento izotopuose yra skirtingas neutronų skaičius. Kai kurie izotopai yra stabilesni nei kiti (ty rečiau spontaniškai suyra į ką nors kita), ir šis stabilumas paprastai priklauso nuo neutronų skaičiaus, todėl daugumai elementų dauguma atomų dažniausiai būna vieno specifinio izotopas.
Elektronų, kuriuos sudaro atomas, skaičius lemia, ar jis jonizuotas, ar įkrautas. Neutraliame atome yra tiek pat elektronų, kiek ir protonuose, tačiau kartais atomai gali įgyti ar prarasti elektronus ir įkrauti. Tai, kaip lengvai atomas gauna ar praranda elektronus, priklauso nuo jo elektronų orbitos struktūros.
Vandenilio atomas yra paprasčiausias atomas, kurio branduolyje yra tik vienas protonas. Trys stabiliausi vandenilio izotopai yra protiumas (be neutronų), deuteris (kuriame yra vienas neutronas) ir tritis (kuriame yra du neutronai), o protium yra gausiausia.
Metams bėgant buvo siūlomi skirtingi atomo modeliai, vedantys prie dabartinio modelio. Ankstyvą darbą atliko Ernestas Rutherfordas, Nielsas Bohras ir kiti.
Absorbcijos ir emisijos spektrai
Kaip minėta, atomai sąveikauja su elektromagnetine jėga. Atomo protonai turi teigiamą krūvį, o elektronai - neigiamą. Atome esantys elektronai gali sugerti elektromagnetinę spinduliuotę ir dėl to pasiekti aukštesnę energijos būseną arba skleisti spinduliuotę ir pereiti į žemesnės energijos būseną.
Viena pagrindinių šios sugeriančios ir spinduliuojančios spinduliuotės savybių yra ta, kad atomai sugeria ir skleidžia radiaciją tik esant labai specifinėms kiekybiškai įvertintoms vertėms. Kiekvienam skirtingam atomo tipui tos konkrečios vertės yra skirtingos.
Karštos atominės medžiagos dujos spinduliuos labai specifiniais bangos ilgiais. Jei iš šių dujų sklindanti šviesa bus praleista per spektroskopą, kuris skleidžia šviesą spektro bangos ilgiu (kaip vaivorykštė), atsiras aiškios spinduliuotės linijos. Iš dujų išmetamų linijų rinkinį galima perskaityti beveik kaip brūkšninį kodą, tiksliai nurodantį, kokie atomai yra dujose.
Panašiai, jei nenutrūkstamas šviesos spektras sklinda ant vėsių dujų, o pro jas praeina šviesa praeinant pro spektroskopą, matytumėte nenutrūkstamą spektrą su tamsiomis spragomis tam tikruose bangų ilgiuose, kuriuos dujos absorbuojamas. Šis absorbcijos spektras atrodys kaip atvirkštinis emisijos spektras, tamsios linijos atsiranda ten, kur ryškios tos pačios dujos. Tai taip pat gali būti skaitoma kaip brūkšninis kodas, nurodantis dujų sudėtį. Astronomai visą laiką tai naudoja medžiagos sudėčiai kosmose nustatyti.
Kas yra branduolinė fizika?
Branduolinė fizika orientuota į atomo branduolį, branduolines reakcijas ir branduolio sąveiką su kitomis dalelėmis. Be kitų temų, jame nagrinėjamas radioaktyvus skilimas, branduolio sintezė ir branduolio dalijimasis bei privaloma energija.
Branduolyje yra glaudžiai susietas protonų ir neutronų grumstas. Tačiau tai nėra pagrindinės dalelės. Protonai ir neutronai gaminami iš dar mažesnių dalelių, vadinamų kvarkai.
Kvarkai yra dalelės su daliniu krūviu ir šiek tiek kvailais pavadinimais. Jų būna šešių vadinamųjų skonių: aukštyn, žemyn, viršuje, apačioje, keista ir žavesio. Neutroną sudaro du žemyn ir aukštyn, o protoną - du aukštyn ir žemyn. Kiekvieno nukleono kvarkai yra tvirtai surišti stiprios branduolinės jėgos.
Stiprią branduolinę jėgą tarpina dalelės, vadinamos klijai. Ar nujaučiate temą? Mokslininkams buvo labai smagu įvardyti šias daleles! Gliūnai, žinoma, „suklijuoja“ kvarkus. Stipri branduolio jėga veikia tik labai trumpame nuotolyje - atstumu, palyginamu su vidutinio dydžio branduolio skersmeniu.
Jungiamoji energija
Kiekvieno izoliuoto neutrono masė yra 1,6749275 × 10-27 kg, o kiekvieno izoliuoto protono masė yra 1,6726219 × 10-27 kilogramas; tačiau susieta atomo branduolyje, atominė masė nėra jos sudedamųjų dalių suma dėl to, kas vadinama surišimo energija.
Tapdami glaudžiai susieti, nukleonai pasiekia mažesnę energijos būseną, kai dalis bendros masės, kurią jie turėjo kaip atskiros dalelės, virsta energija. Šis masės skirtumas, paverčiamas energija, vadinamas branduolio surišimo energija. Santykiai, apibūdinantys, kiek energijos atitinka tam tikrą masės kiekį, yra garsūs Einšteino E = mc2 lygtis kur m yra masė, c yra šviesos greitis ir E yra energija.
Susijusi sąvoka yra jungimosi energija, tenkanti vienam nukleonui, kuri yra bendra branduolio jungimosi energija, apskaičiuota pagal jo sudedamąsias dalis. Ryšio energija vienam nukleonui yra geras rodiklis, rodantis, koks stabilus yra branduolys. Maža rišimosi energija vienam nukleonui rodo, kad tam gali būti palankesnė mažesnės bendros energijos būsena konkretus branduolys, o tai reiškia, kad jis greičiausiai norės arba išsiskirti, arba susilieti su kitu branduoliu pagal savąjį sąlygos.
Apskritai, lengvesni už geležinius branduolius paprastai pasiekia mažesnę energijos būseną ir didesnę jungimosi energiją vienam branduoliui sulydydami su kitais branduoliais, tuo tarpu sunkesni už geležį branduoliai linkę pasiekti mažesnės energijos būsenas, išsiskirdami į lengvesnius branduoliai. Procesai, kurių metu įvyksta šie pokyčiai, aprašyti kitame skyriuje.
Skilimas, sintezė ir radioaktyvus skilimas
Pagrindinis branduolinės fizikos akcentas yra atominių branduolių dalijimosi, susiliejimo ir irimo tyrimas. Šiuos procesus lemia pagrindinė nuostata, kad visos dalelės teikia pirmenybę žemesnės energijos būsenoms.
Skilimas įvyksta, kai sunkusis branduolys išsiskiria į mažesnius branduolius. Labai sunkūs branduoliai yra linkę tai daryti, nes jie turi mažesnę jungimosi energiją vienam nukleonui. Kaip galite prisiminti, yra keletas jėgų, valdančių tai, kas vyksta atomo branduolyje. Stipri branduolio jėga glaudžiai sujungia nukleonus, tačiau tai yra labai mažo nuotolio jėga. Taigi labai dideliems branduoliams jis yra mažiau efektyvus.
Teigiamai įkrauti branduolio protonai taip pat atstumia vienas kitą per elektromagnetinę jėgą. Šį atstūmimą turi įveikti stipri branduolinė jėga, be to, jis gali būti tarpinamas turint pakankamai neutronų aplinkui. Bet kuo didesnis branduolys, tuo mažiau stabilumo jėgos pusiausvyra.
Taigi didesni branduoliai linkę išsiskirti radioaktyviaisiais skilimo procesais arba dalijimosi reakcijomis, tokiomis, kurios vyksta branduoliniuose reaktoriuose ar skilimo bombose.
Susiliejimas įvyksta, kai du lengvesni branduoliai sujungdami į sunkesnį branduolį pasiekia palankesnę energijos būseną. Tačiau norint įvykti dalijimąsi, aptariami branduoliai turi būti pakankamai arti vienas kito, kad stiprioji branduolinė jėga galėtų perimti. Tai reiškia, kad jie turi judėti pakankamai greitai, kad galėtų įveikti elektrinį atstūmimą.
Branduoliai greitai juda esant ekstremalioms temperatūroms, todėl ši sąlyga dažnai reikalinga. Taip branduolio sintezė sugeba vykti itin karštoje saulės šerdyje. Šiai dienai mokslininkai vis dar bando rasti būdą, kaip sukelti susiliejimą šaltyje - tai yra sintezę esant žemesnei temperatūrai. Kadangi energija išsiskiria sintezės procese ir nepalieka radioaktyviųjų atliekų, kaip yra linkę dalijimosi reaktoriai, tai būtų neįtikėtinas energijos išteklius, jei tai būtų pasiekta.
Radioaktyvus skilimas yra įprasta priemonė, kurios metu branduoliai keičiasi ir tampa stabilesni. Yra trys pagrindiniai skilimo tipai: alfa, beta ir gama.
Alfa skilimo metu radioaktyvusis branduolys išskiria alfa dalelę (helio-4 branduolį) ir dėl to tampa stabilesnis. Beta skilimas yra kelių rūšių, tačiau iš esmės atsiranda dėl to, kad neutronas tampa protonu, arba protonas tampa neutronu ir išlaisvina β- arba β+ dalelė (elektronas arba pozitronas). Gama skilimas įvyksta, kai sužadintos būsenos branduolys atpalaiduoja energiją gama spindulių pavidalu, tačiau išlaiko bendrą neutronų ir protonų skaičių.
Standartinis dalelių fizikos modelis
Branduolinės fizikos tyrimas apima didesnę dalelių fizikos sritį, kurios tikslas yra suprasti visų pagrindinių dalelių veikimą. Standartiniame modelyje dalelės skirstomos į fermionus ir bozonus, o vėliau fermionai - į kvarkus ir leptonus, o bozonai - į gabarito ir skaliarinius bozonus.
Bosonai nepaklūsta skaičių išsaugojimo įstatymams, tačiau fermionai. Be kitų konservuotų kiekių, yra ir leptono, ir kvarko skaičių išsaugojimo įstatymas. Pagrindinių dalelių sąveiką tarpina energiją nešantys bozonai.
Branduolinės fizikos ir atominės fizikos taikymai
Branduolinės ir atominės fizikos pritaikymai yra gausūs. Branduolinių elektrinių branduoliniai reaktoriai sukuria švarią energiją, panaudodami skilimo procesų metu išsiskiriančią energiją. Branduolinė medicina vaizdavimui naudoja radioaktyviuosius izotopus. Astrofizikai spektroskopija nustato tolimų ūkų sudėtį. Magnetinio rezonanso tomografas leidžia gydytojams sukurti išsamius savo pacientų vidų vaizdus. Net rentgeno technologija naudoja branduolinę fiziką.
