Nucleair en atomair (natuurkunde): een beginnershandleiding voor studenten

Atoom- en kernfysica beschrijven beide de fysica van de allerkleinsten. Als je met zulke kleine objecten werkt, faalt je intuïtie die is opgebouwd uit je begrip van klassieke mechanica. Dit is het domein van de kwantummechanica, kernkrachten op korte afstand, elektromagnetische straling en het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Atoomfysica is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de structuur van het atoom, bijbehorende energietoestanden en de interactie van het atoom met deeltjes en velden. Daarentegen richt de kernfysica zich specifiek op het reilen en zeilen in de atoomkern, dat in de volgende sectie in meer detail wordt beschreven.

Er zijn verschillende studiepunten in de deeltjesfysica. Eerst en vooral is de structuur van het atoom zelf. Atomen bestaan ​​uit een strak gebonden kern, die protonen en neutronen bevat, en een diffuse elektronenwolk.

Aangezien de kern meestal in de orde van 10. is^-15 tot 10^-14 m in diameter, en atomen zelf zijn in de orde van 10

De reden dat atomen niet lijken alsof ze grotendeels lege ruimte zijn, is dat je ook uit atomen bestaat en dat alle atomen een wisselwerking hebben met elektromagnetische energie. Ook al drukt je hand, die voornamelijk uit lege-ruimteatomen bestaat, tegen een tafel, die ook grotendeels uit lege ruimte, het gaat niet door de tafel vanwege de elektromagnetische krachten tussen de atomen als ze binnenkomen contact.

Het neutrino, een deeltje dat geen interactie heeft met de elektromagnetische kracht, kan echter vrijwel onopgemerkt door het meeste atomaire materiaal gaan. In feite gaan er elke seconde 100 biljoen neutrino's door je lichaam!

Atomen worden ingedeeld op atoomnummer in het periodiek systeem. Het atoomnummer is het aantal protonen dat het atoom in zijn kern bevat. Dit nummer definieert het element.

Hoewel een bepaald element altijd hetzelfde aantal protonen zal hebben, kan het verschillende aantallen neutronen bevatten. Verschillende isotopen van een element bevatten verschillende aantallen neutronen. Sommige isotopen zijn stabieler dan andere (wat betekent dat ze minder snel spontaan in iets anders vervallen), en deze stabiliteit hangt meestal af van het aantal neutronen, wat de reden is waarom, voor de meeste elementen, de meerderheid van de atomen van één specifiek isotoop.

Het aantal elektronen dat een atoom bevat, bepaalt of het geïoniseerd of geladen is. Een neutraal atoom bevat hetzelfde aantal elektronen als protonen, maar soms kunnen atomen elektronen winnen of verliezen en geladen worden. Hoe gemakkelijk een atoom elektronen wint of verliest, hangt af van de orbitale structuur van het elektron.

Het waterstofatoom is het eenvoudigste atoom, met slechts één proton in zijn kern. De drie meest stabiele isotopen van waterstof zijn protium (zonder neutronen), deuterium (met één neutron) en tritium (met twee neutronen), waarbij protium het meest voorkomt.

In de loop der jaren zijn er verschillende modellen van het atoom voorgesteld, wat heeft geleid tot het huidige model. Vroeg werk werd gedaan door Ernest Rutherford, Niels Bohr en anderen.

Zoals gezegd interageren atomen met de elektromagnetische kracht. De protonen in een atoom hebben een positieve lading en de elektronen een negatieve lading. De elektronen in het atoom kunnen elektromagnetische straling absorberen en daardoor een hogere energietoestand bereiken, of straling uitzenden en naar een lagere energietoestand gaan.

Een belangrijke eigenschap van dit absorberen en uitzenden van straling is dat atomen straling alleen absorberen en uitzenden bij zeer specifieke gekwantiseerde waarden. En voor elk ander type atoom zijn die specifieke waarden anders.

Een heet gas van atomair materiaal zal straling uitzenden op zeer specifieke golflengten. Als licht afkomstig van dit gas door een spectroscoop wordt geleid, die het licht in een spectrum per golflengte (zoals een regenboog) uitspreidt, verschijnen er duidelijke emissielijnen. De reeks emissielijnen die uit het gas komen, kunnen bijna worden gelezen als een streepjescode die u precies vertelt welke atomen zich in het gas bevinden.

Evenzo, als een continu lichtspectrum invalt op een koel gas, en het licht dat door dat gas gaat, is dan door een spectroscoop zou gaan, zou je een continu spectrum zien met donkere gaten op de specifieke golflengten die het gas geabsorbeerd. Dit absorptiespectrum zal eruitzien als het omgekeerde van het emissiespectrum, de donkere lijnen verschijnen waar de heldere lijnen waren voor hetzelfde gas. Als zodanig kan het ook worden gelezen als een streepjescode die u de samenstelling van het gas vertelt. Astronomen gebruiken dit voortdurend om de samenstelling van materiaal in de ruimte te bepalen.

Kernfysica richt zich op de atoomkern, kernreacties en de interactie van de kern met andere deeltjes. Het onderzoekt onder andere radioactief verval, kernfusie en kernsplijting en bindingsenergie.

De kern bevat een strak gebonden klomp protonen en neutronen. Dit zijn echter geen fundamentele deeltjes. Protonen en neutronen zijn gemaakt van nog kleinere deeltjes genaamd quarks.

Quarks zijn deeltjes met een fractionele lading en ietwat dwaze namen. Ze zijn er in zes zogenaamde smaken: up, down, top, bottom, weird en charm. Een neutron is opgebouwd uit twee down-quarks en een up-quark, en een proton is opgebouwd uit twee up-quarks en een down-quark. De quarks in elk nucleon zijn stevig gebonden door de sterke kernkracht.

De sterke kernkracht wordt gemedieerd door deeltjes genaamd gluonen. Voel je een thema? De wetenschappers hadden veel plezier met het benoemen van deze deeltjes! Gluonen, natuurlijk, "lijmen" de quarks aan elkaar. De sterke kernkracht werkt op slechts een zeer korte afstand - op een afstand die vergelijkbaar is met de diameter van de gemiddelde kern.

Elk geïsoleerd neutron heeft een massa van 1,6749275 × 10^-27 kg, en elk geïsoleerd proton heeft een massa van 1,6726219 × 10^-27 kg; wanneer echter samengebonden in een atoomkern, is de atoommassa niet de som van de samenstellende delen vanwege iets dat bindingsenergie wordt genoemd.

Door stevig gebonden te raken, bereiken de nucleonen een lagere energietoestand als gevolg van het feit dat een deel van de totale massa die ze als individuele deeltjes hadden, wordt omgezet in energie. Dit massaverschil dat wordt omgezet in energie wordt de bindingsenergie van de kern genoemd. De relatie die beschrijft hoeveel energie overeenkomt met een bepaalde hoeveelheid massa is Einsteins beroemde Einstein E = mc² vergelijking waar m is de massa, c is de snelheid van het licht en E is de energie.

Een verwant concept is de bindingsenergie per nucleon, de totale bindingsenergie van een kern, gemiddeld over de samenstellende delen. De bindingsenergie per nucleon is een goede indicator van hoe stabiel een kern is. Een lage bindingsenergie per nucleon geeft aan dat daarvoor een gunstigere toestand van lagere totale energie zou kunnen bestaan bepaalde kern, wat betekent dat het waarschijnlijk wil splitsen of samensmelten met een andere kern onder de juiste the voorwaarden.

Over het algemeen hebben kernen die lichter zijn dan ijzeren kernen de neiging om lagere energietoestanden en hogere bindingsenergie per nucleon te bereiken door te fuseren met andere kernen, terwijl kernen die zwaarder zijn dan ijzer de neiging hebben om lagere energietoestanden te bereiken door uiteen te vallen in lichtere kernen. De processen waardoor deze veranderingen plaatsvinden, worden beschreven in de volgende sectie.

De belangrijkste focus van de kernfysica ligt op het bestuderen van splijting, fusie en verval van atoomkernen. Deze processen worden allemaal aangedreven door het fundamentele idee dat alle deeltjes de voorkeur geven aan lagere energietoestanden.

Splijting treedt op wanneer een zware kern uiteenvalt in kleinere kernen. Zeer zware kernen zijn meer geneigd om dit te doen omdat ze een kleinere bindingsenergie per nucleon hebben. Zoals je je misschien herinnert, zijn er een paar krachten die bepalen wat er in een atoomkern gebeurt. De sterke kernkracht bindt de nucleonen stevig aan elkaar, maar het is een kracht op zeer korte afstand. Dus voor zeer grote kernen is het minder effectief.

De positief geladen protonen in de kern stoten elkaar ook af via de elektromagnetische kracht. Deze afstoting moet worden overwonnen door de sterke kernkracht en kan ook worden bemiddeld door voldoende neutronen in de buurt te hebben. Maar hoe groter de kern, hoe minder gunstig de krachtenbalans is voor de stabiliteit.

Vandaar dat grotere kernen de neiging hebben om uiteen te willen vallen, hetzij via radioactieve vervalprocessen, of via splijtingsreacties zoals die plaatsvinden in kernreactoren of splijtingsbommen.

Fusie treedt op wanneer twee lichtere kernen een gunstigere energietoestand bereiken door te combineren tot een zwaardere kern. Om splijting te laten plaatsvinden, moeten de betreffende kernen echter dicht genoeg bij elkaar komen zodat de sterke kernkracht het kan overnemen. Dit betekent dat ze snel genoeg moeten bewegen om elektrische afstoting te overwinnen.

Kernen verplaatsen zich snel bij extreme temperaturen, dus deze toestand is vaak vereist. Zo kan kernfusie plaatsvinden in de extreem hete kern van de zon. Tot op de dag van vandaag proberen wetenschappers nog steeds een manier te vinden om koude fusie te laten plaatsvinden - dat wil zeggen fusie bij lagere temperaturen. Aangezien er energie vrijkomt bij het fusieproces en geen radioactief afval achterlaat zoals kernsplijtingsreactoren dat doen, zou het een ongelooflijke energiebron zijn als het zou worden bereikt.

Radioactief verval is een veelgebruikt middel waarmee kernen veranderingen ondergaan om stabieler te worden. Er zijn drie hoofdtypen verval: alfaverval, bètaverval en gammaverval.

Bij alfa-verval laat een radioactieve kern een alfadeeltje (een helium-4-kern) vrij en wordt daardoor stabieler. Bètaverval komt in een paar varianten voor, maar komt in wezen voort uit een neutron dat een proton wordt of een proton dat een neutron wordt en een β^- of β⁺ deeltje (een elektron of een positron). Gamma-verval treedt op wanneer een kern in een aangeslagen toestand energie afgeeft in de vorm van gammastralen, maar het totale aantal neutronen en protonen behoudt.

De studie van kernfysica strekt zich uit tot het grotere gebied van de deeltjesfysica, dat tot doel heeft de werking van alle fundamentele deeltjes te begrijpen. Het standaardmodel classificeert deeltjes in fermionen en bosonen, en classificeert vervolgens fermionen verder in quarks en leptonen, en bosonen in ijk- en scalaire bosonen.

Bosonen houden zich niet aan de wetten van het behoud van getallen, maar fermionen wel. Er is ook een behoudswet voor zowel lepton- als quarkgetallen naast andere geconserveerde grootheden. Interacties van de fundamentele deeltjes worden gemedieerd door de energiedragende bosonen.

Toepassingen van kern- en atoomfysica zijn er in overvloed. Kernreactoren in kerncentrales wekken schone energie op door gebruik te maken van de energie die vrijkomt bij splijtingsprocessen. Nucleaire geneeskunde maakt voor beeldvorming gebruik van radioactieve isotopen. Astrofysici gebruiken spectroscopie om de samenstelling van verre nevels te bepalen. Met beeldvorming met magnetische resonantie kunnen artsen gedetailleerde beelden maken van de binnenkant van hun patiënten. Zelfs röntgentechnologie maakt gebruik van kernfysica.