Kodolfizika: kas tas ir, kas to atklāja un kāpēc tas ir svarīgi?

Vairākas mākoņainas dienas Parīzē 1896. gadā “sabojāja” Anrī Bekerela eksperimentu, taču tā laikā dzimis kodolfizikas lauks. Bekerels bija gatavs pierādīt savu hipotēzi, ka urāns absorbēja saules gaismu un atkārtoti izstaroja to rentgenstaru veidā, kas tika atklāts iepriekšējā gadā.

Bekerela plāns bija nogādāt kālija uranilsulfātu saules gaismā un pēc tam to saskarties ar fotoplāksnēm, kas ietītas melnā papīrā, jo, lai gan redzamā gaisma to nepārvar, rentgenstari būtu. Neskatoties uz saules gaismas trūkumu, viņš tomēr nolēma iziet šo procesu un bija satriekts, kad atklāja attēlus, kas joprojām ir ierakstīti uz fotoplates.

Turpmāka pārbaude parādīja, ka tas vispār nebija rentgens, neskatoties uz viņa pieņēmumiem. Gaismas ceļu neizliek magnētiskais lauks, bet starojums no urāna tika novirzīts viens, un tas kopā ar pirmo rezultātu bija tas, kā tika atklāts starojums. Marija Kirī izdomāja radioaktivitātes terminu un kopā ar vīru Pjēru atklāja poloniju un radiju, piesaistot precīzus radioaktivitātes avotus.

Vēlāk Ernests Raterfords nāca klajā ar terminiem alfa daļiņas, beta daļiņas un gamma daļiņas izstarotajam materiālam, kā arī kodolfizika tiešām gāju.

Protams, cilvēki tagad zina par kodolfiziku daudz vairāk nekā 20. gadsimta mijā, un tā ir izšķiroša tēma, kas jāsaprot un jāapgūst ikvienam fizikas studentam. Neatkarīgi no tā, vai vēlaties izprast kodolenerģijas būtību, spēcīgos un vājos kodolspēkus vai dot ieguldījumu tādās jomās kā kodolmedicīna, ir svarīgi apgūt pamatus.

Kodolfizika būtībā ir kodola fizika, atoma daļa, kas satur divus vispazīstamākos "Hadrons" protoni un neitroni.

Jo īpaši tajā aplūkoti spēki, kas darbojas kodols (spēcīgā mijiedarbība, kas kodolā sasaista protonus un neitronus, kā arī notur to komponentu kvarki kopā un vāja mijiedarbība, kas saistīta ar radioaktīvo sabrukšanu), un kodolu mijiedarbība ar citiem daļiņas.

Kodolfizika aptver tādas tēmas kā kodolsintēze (kas attiecas uz dažādu elementu saistošo enerģiju), kodola skaldīšana (kas ir smago elementu sadalīšana enerģijas ražošanai), kā arī radioaktīvā sabrukšana, kā arī pamata struktūra un spēki, kas spēlē kodols.

Šajā jomā ir daudz praktisku pielietojumu, tostarp (bet ne tikai) darbs kodolenerģijā, kodolmedicīnā un augstas enerģijas fizikā.

An atoms sastāv no kodola, kurā ir pozitīvi lādēti protoni un neuzlādēti neitroni, kurus tur spēcīgs kodolspēks. Tos ieskauj negatīvi lādēti elektroni, kas veido tā saukto “mākoni” ap kodolu, un elektronu skaits sakrīt ar protonu skaitu neitrālā atomā.

Visā fizikas vēsturē ir bijuši daudzi ierosinātie atoma modeļi, tostarp Tomsona plūme pudiņa ”modelis, Rezerforda un Bora„ planētu ”modelis un aprakstītais modernais kvantu mehāniskais modelis virs.

Kodols ir niecīgs, apmēram 10⁻¹⁵ m, kas satur lielāko atoma masas daļu, bet viss atoms ir apmēram 10⁻¹⁰ m. Neļaujiet apzīmējumam sevi apmānīt - tas nozīmē, ka kodols ir aptuveni 100 000 reižu mazāks nekā atoms kopumā, taču tas satur lielāko daļu jautājuma. Tātad atoms pārsvarā ir tukša vieta!

Atoma masa tomēr nav tieši tāda pati kā sastāvdaļu masa: ja saskaita protoni un neitroni, tas jau pārsniedz atoma masu, pirms jūs pat ņemat vērā daudz mazāku elektrons.

To sauc par atoma “masas defektu”, un, ja jūs pārvēršat šo starpību enerģijā, izmantojot slaveno Einšteina vienādojumu E = mc², jūs saņemat kodola “saistošo enerģiju”.

Šī ir enerģija, kas jums būtu jāievieto sistēmā, lai kodolu sadalītu tā sastāvā esošajos protonos un neitronos. Šīs enerģijas ir daudz, daudz lielākas nekā enerģija, kas tai nepieciešama, lai noņemtu elektronu no tā “orbītas” ap kodolu.

Divu veidu nukleons (t.i. kodola daļiņa) ir protons un neitrons, un tie ir cieši saistīti atoma kodolā.

Lai gan parasti tie ir nukleoni, par kuriem jūs dzirdēsiet, daļiņu fizikas standarta modelī tie faktiski nav fundamentālas daļiņas. Abi protoni un neitroni sastāv no fundamentālajām daļiņām, kuras sauc kvarki, kam ir seši “aromāti”, un katram no tiem ir daļa protona vai elektrona lādiņa.

Augšējā kvarkā ir 2/3 e maksa, kur e ir elektrona lādiņš, savukārt lejas kvarkam ir −1/3 e maksas. Tas nozīmē, ka divi augšējie un leju kvarki kopā radīs daļiņu ar pozitīvu lieluma lādiņu e, kas ir protons. No otras puses, augšup un divos lejā esošajos kvarkos rodas daļiņa bez kopējās uzlādes - neitroni.

Standarta modelis katalogizē visas šobrīd zināmās fundamentālās daļiņas un sagrupē tās divās galvenajās grupās: fermionos un bozonos. Fermions ir sadalīti kvarkos (kas savukārt rada hadronus, piemēram, protonus un neitronus) un leptonos (kas ietver elektronus un neitrīnus), un bozoni ir sadalīti gabarīta un skalārajos bozonos.

Higsa Bosons ir vienīgais līdz šim zināmais skalārais bozons ar citiem bozoniem - fotonu, gluonu, Z-baloni un W bozoni - ir gabarītu bozoni.

Fermioni, atšķirībā no bozoniem, ievēro “skaitļu saglabāšanas likumus”. Piemēram, pastāv leptona skaita saglabāšanas likums, kas izskaidro tādas lietas kā daļiņas, kas rodas kā kodola sabrukšanas daļa procesi (jo, piemēram, elektrona ar leptona numuru 1 radīšanai jābūt līdzsvarotai ar citas daļiņas ar leptona skaitli −1, piemēram, elektrona anti-neitrīno radīšanu).

Tiek saglabāts arī kvarka skaitlis, un ir arī citi saglabātie daudzumi.

Bosoni ir spēkus nesošas daļiņas, un tāpēc bosoni ir starpnieku starp fundamentālo daļiņu mijiedarbību. Piemēram, kvarku mijiedarbību ietekmē gluoni, un elektromagnētisko mijiedarbību - fotoni.

Lai gan elektromagnētiskais spēks patiešām attiecas uz kodolu, galvenie spēki, kas jums jāņem vērā, ir spēcīgi un vāji kodolspēki. Spēcīgo kodolspēku nes gluoni, un vājo kodolspēku nes W^± un Z⁰ bozoni.

Kā norāda nosaukums, spēcīgais kodolspēks ir visspēcīgākais no visiem pamatspēkiem, kam seko elektromagnētisms (10² reizes vājāks), vājais spēks (10⁶ reizes vājāka) un gravitācija (10⁴⁰ reizes vājāka). Milzīgā atšķirība starp gravitāciju un pārējiem spēkiem ir tā, ka fiziķi to būtībā atstāj novārtā, apspriežot matēriju atomu līmenī.

Spēcīgais spēks vajadzībām būt spēcīgam, lai pārvarētu elektromagnētisko atgrūšanos starp pozitīvi uzlādētiem protoniem kodolā - ja tam būtu bijis nebija vājāks par elektromagnētisko spēku, neviens atoms ar vairāk nekā vienu protonu kodolā nebūtu spējis formā. Tomēr spēcīgajam spēkam ir ļoti neliels diapazons.

Tas ir svarīgi, jo tas parāda, kāpēc spēks nav pamanāms pat veselu atomu mērogā vai molekulas, bet tas arī nozīmē, ka elektromagnētiskā atgrūšana kļūst nozīmīgāka smagajiem kodoliem (t.i. lielāki atomi). Tas ir viens no iemesliem, kāpēc nestabili kodoli bieži ir smagie elementi.

Arī vājajam spēkam ir ļoti mazs diapazons, un tas būtībā liek kvarkiem mainīt garšu. Tas var izraisīt protona kļūšanu par neitronu un otrādi, un tāpēc to var uzskatīt par cēloni kodola sabrukšana procesi, piemēram, beta plus un mīnus sabrukšana.

Ir trīs veidu radioaktīvā sabrukšana: alfa sabrukšana, beta sabrukšana un gamma sabrukšana. Alfa sabrukšana ir tad, kad atoms sabrūk, atbrīvojot “alfa daļiņu”, kas ir vēl viens termins hēlija kodolam.

Ir trīs beta sabrukšanas apakštipi, bet visi tie ietver protonu, kas pārvēršas par neitronu vai otrādi. Beta mīnus sabrukums ir tad, kad neitrons kļūst par protonu un procesā atbrīvo elektronu un elektronu pret neitrīno, kamēr beta plus sabrukšana, protons kļūst par neitronu un atbrīvo pozitronu (t.i., antielektronu) un elektronu neitrīno.

Elektronu uztveršanā elektrons no atoma ārējām daļām tiek absorbēts kodolā, un protons tiek pārveidots par neitronu, un no procesa izdalās neitrīno.

Gamma sabrukšana ir sabrukums, kurā tiek atbrīvota enerģija, bet nekas atomā nemainās. Tas ir analogs tam, kā fotons tiek atbrīvots, kad elektrons pāriet no lielas enerģijas stāvokļa uz zemu enerģijas stāvokli. Satraukts kodols pāriet uz zemas enerģijas stāvokli un izstaro gamma staru, tāpat kā tas notiek.

Kodolsintēze ir tad, kad divi kodoli saplūst un izveido smagāku kodolu. Tas ir veids, kā enerģija tiek ražota saulē, un panākt, lai process uz Zemes notiktu enerģijas ražošanai, un tas ir viens no lielākajiem eksperimentālās fizikas mērķiem.

Problēma ir tā, ka tam nepieciešama ārkārtīgi augsta temperatūra un spiediens, un tāpēc ļoti augsts enerģijas līmenis. Tomēr, ja zinātnieki to sasniegs, kodolsintēze varētu kļūt par būtisku enerģijas avotu, jo sabiedrība turpina augt un mēs patērējam arvien lielāku enerģijas daudzumu.

Kodola skaldīšana ir smaga elementa sadalīšana divos vieglākos kodolos, un tas ir pašreizējās kodolreaktoru paaudzes spēks.

Dalīšanās ir arī kodolieroču darbības princips, kas ir viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc tā ir strīdīga joma. Praksē skaldīšana darbojas, izmantojot virkni ķēdes reakciju. Neitrons, kas rada sākotnējo sadalījumu smagā elementā, piemēram, urānā, pēc reakcijas ģenerē vēl vienu brīvu neitronu, kas pēc tam var izraisīt vēl vienu šķelšanos utt.

Būtībā abi šie procesi iegūst enerģiju, izmantojot E = mc² attiecības, jo atomu sapludināšana vai sadalīšana ietver enerģijas atbrīvošanu no “trūkstošās masas”.

Kodofizikas pielietojums ir milzīgs. Proti, kodolreaktori un atomelektrostacijas darbojas daudzās pasaules valstīs, un daudzi fiziķi strādā pie jauna un drošāka projekta.

Piemēram, dažu kodolreaktoru projektu mērķis ir nodrošināt, lai izejmateriālu nevarētu izmantot radīt kodolieročus, kuriem nepieciešams daudz bagātināts urāna avots (t.i., “tīrāks” urāns) darboties.

Kodolmedicīna ir vēl viena svarīga kodolfizikas joma. Kodolmedicīnā pacientam tiek ievadīts ļoti mazs radioaktīvā materiāla daudzums, un pēc tam detektorus izmanto, lai uztvertu attēlus no izstarotā starojuma. Tas palīdz ārstiem diagnosticēt nieru, vairogdziedzera, sirds un citas slimības.

Protams, ir daudzas citas jomas, kur būtībā ir kodolfizika, tostarp fizika ar lielu enerģiju un daļiņas paātrinātāji, piemēram, CERN, un astrofizika, kur daudzi zvaigznēs dominējošie procesi ir ļoti atkarīgi no kodola fizika.