Branduolinė fizika: kas tai yra, kas ją atrado ir kodėl tai svarbu?

Keletas debesuotų dienų Paryžiuje 1896 m. „Sugadino“ Henri Becquerel eksperimentą, tačiau šio proceso metu gimė branduolinės fizikos sritis. Becquerelis turėjo įrodyti savo hipotezę, kad uranas absorbavo saulės šviesą ir vėl ją spinduliavo rentgeno spinduliais, kurie buvo atrasti praėjusiais metais.

Becquerelio planas buvo įnešti kalio uranilo sulfatą į saulės šviesą ir tada jį kontaktuoti su fotografijos plokštelėmis, suvyniotomis į juodą popierių, nes nors matoma šviesa neišeitų, rentgeno nuotraukos būtų. Nepaisant saulės trūkumo, jis vis tiek nusprendė pereiti procesą ir buvo sukrėstas, kai atrado vaizdus, ​​vis dar užfiksuotus fotografijos plokštelėje.

Tolesnis bandymas parodė, kad tai nebuvo rentgeno spinduliai, nepaisant jo prielaidų. Šviesos kelias nėra sulenktas magnetinio lauko, bet radiacija iš urano buvo nukreipta viena, ir tai kartu su pirmuoju rezultatu buvo radiacija. Marie Curie sukūrė radioaktyvumo terminą ir kartu su vyru Pierre'u atrado polonį ir radį, surišdama tikslius radioaktyvumo šaltinius.

Vėliau Ernestas Rutherfordas sugalvojo terminus alfa dalelės, beta dalelės ir gama dalelės spinduliuojamai medžiagai ir branduolinė fizika tikrai ėjau.

Žinoma, žmonės dabar apie branduolinę fiziką žino daug daugiau nei 20 amžiaus pradžioje, ir tai yra svarbiausia tema, kurią reikia suprasti ir sužinoti kiekvienam fizikos studentui. Nesvarbu, ar norite suprasti branduolinės energijos pobūdį, stipriąsias ir silpnąsias branduolines jėgas, ar prisidėti prie tokių sričių, kaip branduolinė medicina, būtina išmokti pagrindų.

Branduolinė fizika iš esmės yra branduolio, atomo dalies, kurioje yra du geriausiai žinomi, fizika „Hadronai“ protonai ir neutronai.

Ypač apžvelgiamos jūroje veikiančios pajėgos branduolys (stipri sąveika, jungianti protonus ir neutronus branduolyje, taip pat išlaikant jų komponentą kvarkai kartu ir silpna sąveika, susijusi su radioaktyviu skilimu) ir branduolių sąveika su kitais dalelės.

Branduolinė fizika apima tokias temas kaip branduolių sintezė (susijusi su skirtingų elementų rišamąja energija), branduolio dalijimasis (kuris yra sunkiųjų elementų skaidymasis energijai gaminti), taip pat radioaktyvus skilimas ir pagrindinė JK struktūra ir jėgos branduolys.

Yra daug praktinių šios srities pritaikymų, įskaitant (bet neapsiribojant) darbą branduolinės energetikos, branduolinės medicinos ir didelės energijos fizikos srityse.

An atomas yra sudarytas iš branduolio, kuriame yra teigiamai įkrautų protonų ir nepakrautų neutronų, kuriuos laiko stiprios branduolinės jėgos. Juos supa neigiamai įkrauti elektronai, kurie aplink branduolį suformuoja vadinamąjį „debesį“, o elektronų skaičius atitinka neutralaus atomo protonų skaičių.

Visoje fizikos istorijoje buvo siūloma daugybė atomo modelių, įskaitant Thomsono „slyvą“ pudingo “modelis, Rutherfordo ir Bohro„ planetinis “modelis bei aprašytas modernus kvantinės mechanikos modelis aukščiau.

Branduolys yra mažas, maždaug 10⁻¹⁵ m, kuriame yra didžioji atomo masės dalis, o visas atomas yra maždaug 10⁻¹⁰ m. Neleisk, kad užrašai apgautų - tai reiškia, kad branduolys yra maždaug 100 000 kartų mažesnis nei bendras atomas, tačiau jame yra didžioji dalis materijos. Taigi daugiausia yra atomas tuščia vieta!

Vis dėlto atomo masė nėra visiškai tokia pati kaip sudedamųjų dalių masės: jei susumuosite protonų ir neutronų, jis jau viršija atomo masę, net jei jūs dar neatsižvelgiate į daug mažesnę elektronas.

Tai vadinama atomo „masės defektu“, o jei šį skirtumą paversite energija, naudodamiesi garsiąja Einšteino lygtimi E = mc², gausite branduolio „rišamąją energiją“.

Tai yra energija, kurią turėtumėte įdėti į sistemą, kad branduolys būtų padalintas į jį sudarančius protonus ir neutronus. Šios energijos yra daug, daug didesnės už energiją, kurios reikia norint pašalinti elektroną iš jo „orbitos“ aplink branduolį.

Dviejų tipų nukleonas (t. y. branduolio dalelė) yra protonas ir neutronas, ir jie yra glaudžiai surišti atomo branduolyje.

Nors paprastai tai yra nukleonai, apie kuriuos išgirsite, jie nėra pagrindinės dalelės standartiniame dalelių fizikos modelyje. Protoną ir neutroną sudaro pagrindinės dalelės, vadinamos kvarkai, kurie būna šešių „skonių“ ir kiekvienas turi protono arba elektrono krūvio dalį.

Aukštyn kvarkas turi 2/3 e mokestis, kur e yra elektrono krūvis, o žemyn esantis kvarkas turi −1/3 e mokestis. Tai reiškia, kad kartu su dviem aukštyn ir žemyn esančiais kvarkais susidarytų dalelė, kurios dydis būtų teigiamas e, kuris yra protonas. Kita vertus, aukštyn ir du žemyn kvarkai gamina dalelę be bendro krūvio - neutroną.

Standartiniame modelyje surašomos visos šiuo metu žinomos pagrindinės dalelės ir sugrupuojamos į dvi pagrindines grupes: fermionus ir bozonus. Fermionai yra skirstomi į kvarkus (kurie savo ruožtu gamina hadronus, tokius kaip protonai ir neutronai) ir leptonus (įskaitant elektronus ir neutrinus), ir bozonai yra skirstomi į gabaritinius ir skaliarinius bozonus.

Higgso Bosonas yra vienintelis iki šiol žinomas skaliarinis bozonas su kitais bozonais - fotonu, gluonu, Z-bosonai ir W bozonai - matuoklio bozonai.

Fermionai, skirtingai nei bozonai, laikosi „skaičių išsaugojimo įstatymų“. Pavyzdžiui, yra leptono skaičiaus išsaugojimo dėsnis, kuris paaiškina tokius dalykus kaip dalelės, susidarančios kaip branduolio skilimo dalis procesai (nes, pavyzdžiui, elektrono su leptono skaičiumi 1 sukūrimas turi būti subalansuotas su kitos dalelės su leptono skaičiumi −1 sukūrimu, pavyzdžiui, su elektronu, turinčiu anti-neutrino).

Kvarko skaičius taip pat yra išsaugotas, taip pat yra ir kitų konservuotų kiekių.

Bosonai yra jėgą nešančios dalelės, todėl pagrindinių dalelių sąveiką tarpininkauja bozonai. Pavyzdžiui, kvarkų sąveiką tarpina gluonai, o elektromagnetines - fotonai.

Nors elektromagnetinė jėga veikia branduolį, pagrindinės jėgos, į kurias reikia atsižvelgti, yra stiprios ir silpnos branduolinės jėgos. Stiprią branduolinę jėgą nešioja gluonai, o silpną branduolinę jėgą W^± ir Z⁰ bozonai.

Kaip rodo pavadinimas, stipri branduolinė jėga yra stipriausia iš visų pagrindinių jėgų, po kurios seka elektromagnetizmas (10² kartų silpnesnė), silpna jėga (10⁶ kartų silpnesnė) ir gravitacija (10⁴⁰ kartų silpnesnis). Didžiulis gravitacijos ir likusių jėgų skirtumas yra tas, kodėl fizikai iš esmės to nepaiso aptardami materiją atominiame lygmenyje.

Stipri jėga poreikiai būti stipriam norint įveikti elektromagnetinį atstūmimą tarp teigiamai įkrautų protonų branduolyje - jei tai būtų nebuvo silpnesnė už elektromagnetinę jėgą, nė vienas atomas, turintis daugiau nei vieną protoną branduolyje, nebūtų galėjęs forma. Tačiau stipri jėga turi labai trumpas atstumas.

Tai svarbu, nes tai parodo, kodėl jėga nėra pastebima net ištisų atomų mastu ar molekules, tačiau tai taip pat reiškia, kad elektromagnetinis atstūmimas tampa aktualesnis sunkiesiems branduoliams (t. didesni atomai). Tai yra viena iš priežasčių, kodėl nestabilūs branduoliai dažnai būna sunkiųjų elementų.

Silpna jėga taip pat turi labai trumpą diapazoną, ir tai iš esmės sukelia kvarkams pakeisti skonį. Dėl to protonas gali tapti neutronu ir atvirkščiai, todėl jį galima laikyti priežastimi branduolinis skilimas tokie procesai kaip beta pliusas ir minusas irimas.

Yra trys radioaktyviojo skilimo tipai: alfa, beta ir gama. Alfa skilimas yra tada, kai atomas suyra išlaisvindamas „alfa dalelę“, kuri yra dar vienas helio branduolio terminas.

Yra trys beta skilimo potipiai, tačiau visi jie susiję su protonu, virstančiu neutronu arba atvirkščiai. Beta atėmus skilimą, kai neutronas tampa protonu ir proceso metu išlaisvina elektroną ir elektroną, o beta ir skilimo metu protonas tampa neutronu ir išskiria pozitroną (t. y. antielektroną) ir elektroną neutrino.

Gaudant elektronus, elektronas iš išorinių atomo dalių absorbuojamas į branduolį, o protonas paverčiamas neutronu, o iš proceso išsiskiria neutrinas.

Gama skilimas yra skilimas, kai energija išsiskiria, tačiau atome niekas nesikeičia. Tai yra analogas fotono išsiskyrimo būdui, kai elektronas pereina iš didelės energijos į mažai energijos būseną. Susijaudinęs branduolys pereina į mažos energijos būseną ir skleidžia gama spindulį, kaip tai daro.

Branduolio sintezė yra tada, kai du branduoliai susilieja ir sukuria sunkesnį branduolį. Tokiu būdu energija gaminama saulėje, o tai, kad procesas vyktų Žemėje energijos gamybai, yra vienas didžiausių eksperimentinės fizikos tikslų.

Problema ta, kad tam reikalinga itin aukšta temperatūra ir slėgis, taigi ir labai aukštas energijos lygis. Tačiau jei mokslininkai tai pasieks, sintezė gali tapti gyvybiškai svarbiu energijos šaltiniu, nes visuomenė toliau auga ir mes suvartojame vis daugiau energijos.

Branduolio dalijimasis yra sunkiojo elemento padalijimas į du lengvesnius branduolius, ir tai yra galia dabartinei branduolinių reaktorių kartai.

Dalijimasis taip pat yra branduolinių ginklų veikimo principas, kuris yra viena iš pagrindinių priežasčių, dėl kurios kyla ginčytina sritis. Praktiškai dalijimasis vyksta per daugybę grandininių reakcijų. Neutronas, kuris sukuria pradinį skaidymą tokiame sunkiame elemente kaip uranas, po reakcijos generuoja dar vieną laisvą neutroną, kuris gali sukelti dar vieną skilimą ir pan.

Iš esmės abu šie procesai įgyja energijos per E = mc² santykis, nes suliejant ar padalijus atomus, energija išsiskiria iš „trūkstamos masės“.

Yra daugybė branduolinės fizikos pritaikymo galimybių. Pažymėtina, kad branduoliniai reaktoriai ir atominės elektrinės veikia daugelyje pasaulio šalių, ir daugelis fizikų dirba dėl naujų ir saugesnių konstrukcijų.

Pavyzdžiui, kai kuriais branduolinių reaktorių projektais siekiama užtikrinti, kad žaliavos nebūtų galima naudoti sukurti branduolinius ginklus, kuriems reikalingas daug labiau praturtintas urano šaltinis (t. y. „grynesnis“ uranas) veikti.

Branduolinė medicina yra dar viena svarbi branduolinės fizikos sritis. Branduolinė medicina apima labai mažą radioaktyviosios medžiagos kiekį, skiriamą pacientui, o tada detektoriai naudojami fiksuoti spinduliuotės vaizdus. Tai padeda gydytojams diagnozuoti inkstų, skydliaukės, širdies ir kitas ligas.

Žinoma, yra daugybė kitų sričių, kuriose iš esmės yra branduolinė fizika, įskaitant didelės energijos fiziką ir daleles greitintuvai, tokie kaip CERN, ir astrofizika, kur daugelis žvaigždėse dominuojančių procesų labai priklauso nuo branduolio fizika.