Gan atomu, gan kodolfizika raksturo ļoti mazu fiziku. Strādājot ar tik maziem priekšmetiem, jūsu intuīcija, kas balstīta uz jūsu izpratni par klasisko mehāniku, bieži vien neizdodas. Šī ir kvantu mehānikas, maza darbības attāluma kodolspēku, elektromagnētiskā starojuma un daļiņu fizikas standarta modeļa sfēra.
Kas ir atomfizika?
Atomu fizika ir fizikas nozare, kas nodarbojas ar atoma struktūru, saistītajiem enerģijas stāvokļiem un atoma mijiedarbību ar daļiņām un laukiem. Turpretī kodolfizika īpaši koncentrējas uz atomu kodola iekšienē notiekošajiem procesiem, kas sīkāk aprakstīti nākamajā sadaļā.
Daļiņu fizikā ir vairāki mācību priekšmeti. Pirmkārt un galvenokārt ir paša atoma struktūra. Atomi sastāv no cieši saistītā kodola, kurā ir protoni un neitroni, un difūzā elektronu mākoņa.
Ņemot vērā, ka kodols parasti ir apmēram 10-15 līdz 10-14 m diametrā, un paši atomi ir apmēram 10-10 m diametrā (un elektronu izmērs ir nenozīmīgs), izrādās, ka atomi lielākoties ir tukša telpa. Protams, tie nešķiet tādi, kādi tie ir, un visa lieta, kas izgatavota no atomiem, noteikti jūtas kā viela.
Liekas, ka atomi lielākoties nav tukša telpa, tāpēc, ka arī jūs esat veidots no atomiem, un visi atomi mijiedarbojas ar elektromagnētisko enerģiju. Pat ja jūsu roka, kas sastāv galvenokārt no tukšas vietas atomiem, nospiež pret galdu, kuru arī veido pārsvarā tukša telpa, tā neiziet cauri galdam, jo elektromagnētiskie spēki starp atomiem, kad tie ienāk kontakts.
Neitrīno, daļiņa, kas nesadarbojas ar elektromagnētisko spēku, tomēr spēj iziet cauri lielākajai daļai atomu materiāla praktiski neatklāti. Patiesībā katru sekundi caur ķermeni iziet 100 triljoni neitrīno!
Atomu klasifikācija
Atomi periodiskajā tabulā tiek klasificēti pēc atomu skaita. Atomu skaitlis ir protonu skaits, ko atoms satur savā kodolā. Šis skaitlis nosaka elementu.
Kaut arī attiecīgajam elementam vienmēr būs vienāds protonu skaits, tajā var būt atšķirīgs neitronu skaits. Dažādos elementa izotopos ir atšķirīgs neitronu skaits. Daži izotopi ir stabilāki nekā citi (tas nozīmē, ka ir mazāka iespēja spontāni sadalīties kaut kas cits), un šī stabilitāte parasti ir atkarīgs no neitronu skaita, tāpēc lielākajai daļai atomu lielākā daļa atomu parasti ir viena specifiska izotops.
Atomu saturošo elektronu skaits nosaka, vai tas ir jonizēts vai uzlādēts. Neitrāls atoms satur tādu pašu elektronu skaitu kā protoni, bet dažreiz atomi var iegūt vai zaudēt elektronus un uzlādēt. Tas, cik viegli atoms iegūst vai zaudē elektronus, ir atkarīgs no tā elektronu orbītas struktūras.
Ūdeņraža atoms ir vienkāršākais atoms, kura kodolā ir tikai viens protons. Trīs visstabilākie ūdeņraža izotopi ir protiums (nesatur neitronus), deitērijs (satur vienu neitronu) un tritijs (satur divus neitronus), no kuriem visvairāk ir protiums.
Gadu gaitā tika piedāvāti dažādi atoma modeļi, kas noveda pie pašreizējā modeļa. Agrīno darbu veica Ernests Rezerfords, Nīls Bohrs un citi.
Absorbcijas un emisijas spektri
Kā jau minēts, atomi mijiedarbojas ar elektromagnētisko spēku. Atomā esošajiem protoniem ir pozitīvs lādiņš, bet elektroniem - negatīvs lādiņš. Elektroni atomā var absorbēt elektromagnētisko starojumu un rezultātā sasniegt augstāku enerģijas stāvokli, vai arī izstarot starojumu un pāriet uz zemākas enerģijas stāvokli.
Viena no galvenajām radiācijas absorbēšanas un izstarošanas īpašībām ir tā, ka atomi absorbē un izstaro starojumu tikai ar ļoti specifiskām kvantizētām vērtībām. Un katram atšķirīgam atoma veidam šīs īpašās vērtības ir atšķirīgas.
Karsta atomu materiāla gāze izstaro starojumu ļoti specifiskos viļņu garumos. Ja gaisma, kas nāk no šīs gāzes, tiek izvadīta caur spektroskopu, kas gaismu izkliedē spektrā pēc viļņa garuma (kā varavīksne), parādīsies atšķirīgas emisijas līnijas. Emisijas līniju komplektu, kas nāk no gāzes, var nolasīt gandrīz kā svītrkodu, kas precīzi norāda, kādi atomi atrodas gāzē.
Līdzīgi, ja uz vēsu gāzi notiek nepārtraukts gaismas spektrs, un gaisma, kas iet caur šo gāzi, ir izlaižot caur spektroskopu, jūs redzētu nepārtrauktu spektru ar tumšām spraugām konkrētajos viļņu garumos, kurus gāze uzsūcas. Šis absorbcijas spektrs izskatīsies kā apgrieztais emisijas spektrs, tumšās līnijas parādās tur, kur vienas un tās pašas gāzes spilgtās līnijas. Kā tādu to var nolasīt arī kā svītrkodu, kas norāda gāzes sastāvu. Astronomi to visu laiku izmanto, lai noteiktu materiāla sastāvu kosmosā.
Kas ir kodolfizika?
Kodolfizika koncentrējas uz atomu kodolu, kodola reakcijām un kodola mijiedarbību ar citām daļiņām. Tajā cita starpā tiek pētīta radioaktīvā sabrukšana, kodolsintēze un kodolsintēze, kā arī saistošā enerģija.
Kodols satur cieši saistītu protonu un neitronu puduri. Tomēr tās nav fundamentālas daļiņas. Protonus un neitronus veido vēl mazākas daļiņas, kuras sauc kvarki.
Kvarki ir daļiņas ar daļēju lādiņu un nedaudz dumjiem nosaukumiem. Viņiem ir seši tā sauktie aromāti: uz augšu, uz leju, uz augšu, uz leju, dīvaini un valdzinoši. Neitronu veido divi uz leju un uz augšu kvarki, un protonu veido divi uz augšu un uz leju. Katra nukleona kvarkus cieši saista spēcīgais kodolspēks.
Spēcīgo kodolspēku starpniecību sauc daļiņas, ko sauc gluons. Vai jūs jūtat tēmu? Zinātniekiem bija ļoti jautri nosaukt šīs daļiņas! Gluoni, protams, “pielīmē” kvarkus kopā. Spēcīgais kodolspēks darbojas tikai ļoti īsā diapazonā - attālumā, kas salīdzināms ar vidēja lieluma kodola diametru.
Saistošā enerģija
Katra izolētā neitrona masa ir 1,6749275 × 10-27 kg, un katra izolētā protona masa ir 1,6726219 × 10-27 Kilograms; tomēr, sasaistoties kopā atoma kodolā, atoma masa nav tā sastāvdaļu summa, pateicoties kaut kam, ko sauc par saistošo enerģiju.
Kļūstot cieši saistītiem, nukleoni sasniedz zemāku enerģijas stāvokli, pateicoties daļai no kopējās masas, kas viņiem bija atsevišķu daļiņu pārvēršanās enerģijā. Šo masas starpību, kas tiek pārveidota par enerģiju, sauc par kodola saistošo enerģiju. Attiecības, kas apraksta, cik daudz enerģijas atbilst noteiktam masas daudzumam, ir Einšteina slavenās E = mc2 vienādojums kur m ir masa, c ir gaismas ātrums un E ir enerģija.
Saistīts jēdziens ir saistīšanās enerģija uz vienu nukleonu, kas ir kodola kopējā saistīšanās enerģija, kas aprēķināta vidēji par tā sastāvdaļām. Saistīšanās enerģija uz vienu nukleonu ir labs rādītājs tam, cik stabils ir kodols. Zema saistīšanās enerģija uz nukleonu norāda, ka tam varētu būt labvēlīgāks zemākas kopējās enerģijas stāvoklis konkrētais kodols, kas nozīmē, ka tas, visticamāk, vēlēsies sadalīties vai saplūst ar citu kodolu zem īstā kodola nosacījumiem.
Parasti kodoliem, kas ir vieglāki par dzelzs kodoliem, ir tendence sasniegt zemāku enerģijas stāvokli un lielāku saistīšanās enerģiju uz vienu kodolu, saplūstot ar citiem kodoliem, savukārt kodoli, kas ir smagāki par dzelzi, mēdz sasniegt zemākas enerģijas stāvokļus, sadaloties vieglākos kodoli. Procesi, kuros notiek šīs izmaiņas, ir aprakstīti nākamajā sadaļā.
Dalīšanās, kodolsintēze un radioaktīvā sabrukšana
Kodolfizikas galvenā uzmanība tiek pievērsta atomu kodolu skaldīšanas, saplūšanas un sabrukšanas izpētei. Visus šos procesus virza fundamentāls priekšstats, ka visas daļiņas dod priekšroku zemākas enerģijas stāvokļiem.
Sadalīšanās notiek, kad smagais kodols sadalās mazākos kodolos. Ļoti smagi kodoli ir vairāk pakļauti to darīt, jo tiem ir mazāka saistīšanās enerģija uz vienu nukleonu. Kā jūs varētu atcerēties, atoma kodolā notiekošo pārvalda daži spēki. Spēcīgais kodolspēks cieši sasaista nukleonus, bet tas ir ļoti maza darbības attāluma spēks. Tātad ļoti lieliem kodoliem tas ir mazāk efektīvs.
Pozitīvi lādētie protoni kodolā arī atgrūž viens otru caur elektromagnētisko spēku. Šī atgrūšanās jāpārvar ar spēcīgu kodolspēku, un to var arī panākt, ja apkārt ir pietiekami daudz neitronu. Bet, jo lielāks ir kodols, jo mazāk labvēlīgs ir spēka līdzsvars stabilitātei.
Tāpēc lielākiem kodoliem ir tendence vēlēties sadalīties vai nu ar radioaktīvu sabrukšanas procesu starpniecību, vai ar skaldīšanas reakcijām, piemēram, tādām, kas notiek kodolreaktoros vai skaldīšanas bumbās.
Kodolsintēze notiek, kad divi vieglāki kodoli iegūst labvēlīgāku enerģijas stāvokli, apvienojoties smagākā kodolā. Tomēr, lai notiktu skaldīšanās, attiecīgajiem kodoliem jābūt pietiekami tuviem viens otram, lai spēcīgais kodolspēks varētu pārņemt varu. Tas nozīmē, ka viņiem jāpārvietojas pietiekami ātri, lai viņi varētu pārvarēt elektrisko atgrūšanos.
Kodoli ātri pārvietojas ekstremālās temperatūrās, tāpēc šis nosacījums bieži vien ir nepieciešams. Šādi kodolsintēze spēj notikt ārkārtīgi karstā saules kodolā. Līdz šai dienai zinātnieki joprojām mēģina atrast veidu, kā panākt saaukstēšanās saplūšanu - tas ir, saplūšanu zemākā temperatūrā. Tā kā enerģija tiek atbrīvota kodolsintēzes procesā un neatstāj radioaktīvos atkritumus, kā to mēdz darīt skaldīšanas reaktori, tas būtu neticami enerģijas resurss, ja tas tiktu sasniegts.
Radioaktīvā sabrukšana ir izplatīts līdzeklis, ar kura palīdzību notiek kodolu izmaiņas, lai tie kļūtu stabilāki. Ir trīs galvenie sabrukšanas veidi: alfa sabrukšana, beta sabrukšana un gamma sabrukšana.
Alfa sabrukšanas laikā radioaktīvs kodols atbrīvo alfa daļiņu (hēlija-4 kodolu) un rezultātā kļūst stabilāks. Beta sabrukšana notiek dažās šķirnēs, bet būtībā tā ir vai nu neitrona kļūšana par protonu, vai arī protona kļūšana par neitronu un atbrīvošana β- vai β+ daļiņa (elektrons vai pozitrons). Gamma sabrukšana notiek tad, kad kodols ierosinātā stāvoklī atbrīvo enerģiju gamma staru formā, bet saglabā kopējo neitronu un protonu skaitu.
Daļiņu fizikas standarta modelis
Kodolfizikas pētījums sniedzas plašākā daļiņu fizikas jomā, kura mērķis ir izprast visu fundamentālo daļiņu darbību. Standarta modelis klasificē daļiņas fermionos un bozonos, un pēc tam fermionus sīkāk klasificē kvarkos un leptonos, bet bozonus - gabarīta un skalārajos bozonos.
Bosoni nepakļaujas skaitļu saglabāšanas likumiem, bet fermioni. Papildus citiem konservētajiem daudzumiem ir arī likums par leptona un kvarka skaitļu saglabāšanu. Pamata daļiņu mijiedarbību nodrošina enerģiju nesošie bozoni.
Kodolfizikas un atomfizikas pielietojums
Kodolu un atomu fizikas pielietojums ir daudz. Kodolreaktoru kodolreaktori rada tīru enerģiju, izmantojot enerģiju, kas izdalās skaldīšanas procesos. Kodolmedicīna attēlveidošanai izmanto radioaktīvos izotopus. Astrofiziķi izmanto spektroskopiju, lai noteiktu tālu miglāju sastāvu. Magnētiskās rezonanses attēlveidošana ļauj ārstiem izveidot detalizētus attēlus par savu pacientu iekšpusi. Pat rentgena tehnoloģija izmanto kodolfiziku.