Kernfysica: wat is het, wie heeft het ontdekt en waarom is het belangrijk?

Verschillende bewolkte dagen in Parijs in 1896 "ruïneerden" het experiment van Henri Becquerel, maar in het proces werd het veld van de kernfysica geboren. Becquerel wilde zijn hypothese bewijzen dat uranium zonlicht absorbeerde en het opnieuw uitstraalde in de vorm van röntgenstralen, die het jaar ervoor waren ontdekt.

Het plan van Becquerel was om het kaliumuranylsulfaat in het zonlicht te brengen en het dan in contact te brengen met fotografische platen gewikkeld in zwart papier, want hoewel zichtbaar licht er niet doorheen zou komen, röntgenstralen zou. Ondanks het gebrek aan zonlicht besloot hij het proces toch te doorlopen en was geschokt toen hij ontdekte dat er nog steeds beelden op de fotografische plaat waren vastgelegd.

Verdere tests toonden aan dat het helemaal geen röntgenfoto's waren, ondanks zijn aannames. Het pad van het licht wordt niet gebogen door een magnetisch veld, maar de straling van het uranium werd met één afgebogen, en dit - samen met het eerste resultaat - was hoe straling werd ontdekt. Marie Curie bedacht de term radioactiviteit en ontdekte samen met haar man Pierre polonium en radium, waarmee ze de precieze bronnen van de radioactiviteit vaststelde.

Later bedacht Ernest Rutherford de termen alfadeeltjes, bètadeeltjes en gammadeeltjes voor het uitgestraalde materiaal, en het veld van kernfysica echt op gang gekomen.

Natuurlijk weten mensen nu veel meer over kernfysica dan aan het begin van de 20e eeuw, en het is een cruciaal onderwerp om te begrijpen en te leren voor elke natuurkundestudent. Of je nu de aard van kernenergie, de sterke en zwakke kernkrachten wilt begrijpen of wilt bijdragen aan gebieden zoals nucleaire geneeskunde, het leren van de basis is essentieel.

Kernfysica is in wezen de fysica van de kern, het deel van het atoom dat de twee meest bekende "hadronen", protonen en neutronen.

In het bijzonder wordt gekeken naar de krachten die in de kern (de sterke interactie die protonen en neutronen samenbindt in de kern, en ook hun component vasthoudt) quarks samen, en de zwakke interactie met betrekking tot radioactief verval), en de interactie van kernen met andere deeltjes.

Kernfysica omvat onderwerpen als kernfusie (wat betrekking heeft op de bindingsenergie van verschillende elementen), kernsplijting (wat het splitsen van zware elementen om energie te produceren) evenals radioactief verval en de basisstructuur en krachten die in het spel zijn kern.

Er zijn veel praktische toepassingen van het vakgebied, waaronder (maar niet beperkt tot) het werken in kernenergie, nucleaire geneeskunde en hoge-energiefysica.

Een atoom is samengesteld uit een kern, die de positief geladen protonen en ongeladen neutronen bevat, bijeengehouden door de sterke kernkracht. Deze zijn omgeven door negatief geladen elektronen, die een zogenaamde "wolk" rond de kern vormen, en het aantal elektronen komt overeen met het aantal protonen in een neutraal atoom.

Er zijn in de geschiedenis van de natuurkunde talloze modellen van het atoom voorgesteld, waaronder Thomsons "pruim". pudding”-model, het “planetaire” model van Rutherford en Bohr en het moderne, kwantummechanische model beschreven bovenstaande.

De kern is klein, ongeveer 10⁻¹⁵ m, die het grootste deel van de massa van het atoom bevat, terwijl het hele atoom in de orde van 10. is⁻¹⁰ m. Laat je niet misleiden door de notatie - dit betekent dat de kern ongeveer 100.000 keer kleiner is dan het atoom in het algemeen, maar het bevat de overgrote meerderheid van de materie. Dus het atoom is overwegend lege ruimte!

De massa van het atoom is echter niet precies hetzelfde als de massa van de samenstellende delen: als je de massa's van de protonen en neutronen, overschrijdt het al de massa van het atoom, voordat je ook maar rekening houdt met de veel kleinere massa van het atoom. elektron.

Dit wordt het "massadefect" van het atoom genoemd, en als je dit verschil omzet in energie met behulp van de beroemde vergelijking van Einstein E = mc², krijg je de "bindende energie" van de kern.

Dit is de energie die je in het systeem zou moeten stoppen om de kern te splitsen in zijn samenstellende protonen en neutronen. Deze energieën zijn veel, veel groter dan de energie die nodig is om een ​​elektron uit zijn "baan" rond de kern te verwijderen.

De twee soorten nucleon (d.w.z. deeltje van de kern) zijn het proton en het neutron, en deze zijn stevig met elkaar verbonden in de kern van het atoom.

Hoewel dit over het algemeen de nucleonen zijn waarover je zult horen, zijn het eigenlijk geen fundamentele deeltjes in het standaardmodel van de deeltjesfysica. Het proton en het neutron zijn beide samengesteld uit fundamentele deeltjes genaamd quarks, die in zes "smaken" komen en elk een fractie van de lading van een proton of een elektron dragen.

Een up-quark heeft een 2/3 e opladen, waar? e is de lading van een elektron, terwijl een down-quark een −1/3. heeft e in rekening brengen. Dit betekent dat twee up-quarks en een down-quark gecombineerd een deeltje zouden produceren met een positieve lading van grootte e, wat een proton is. Aan de andere kant produceren een up-quark en twee down-quarks een deeltje zonder totale lading, het neutron.

Het standaardmodel catalogiseert alle fundamentele deeltjes die momenteel bekend zijn, en groepeert ze in twee hoofdgroepen: fermionen en bosonen. Fermionen zijn onderverdeeld in quarks (die op hun beurt hadronen produceren zoals protonen en neutronen) en leptonen (waaronder elektronen en neutrino's), en bosonen zijn onderverdeeld in ijkbosonen en scalaire bosonen.

Het Higgs-boson is het enige scalaire boson dat tot nu toe bekend is, samen met de andere bosonen – het foton, gluon, Z-bosonen en W bosonen - zijnde ijkbosonen.

Fermionen gehoorzamen, in tegenstelling tot bosonen, aan "wetten voor behoud van het aantal". Er is bijvoorbeeld een wet van behoud van het leptongetal, die dingen verklaart zoals de deeltjes die worden geproduceerd als onderdeel van nucleair verval processen (omdat bijvoorbeeld de aanmaak van een elektron met leptongetal 1 in evenwicht moet worden gebracht met de aanmaak van een ander deeltje met leptongetal −1, zoals een elektron-antineutrino).

Quarkgetal is ook behouden en er zijn ook andere geconserveerde grootheden.

Bosonen zijn krachtdragende deeltjes, en dus worden interacties van de fundamentele deeltjes gemedieerd door de bosonen. De interactie van quarks wordt bijvoorbeeld gemedieerd door gluonen en elektromagnetische interacties worden gemedieerd door fotonen.

Hoewel de elektromagnetische kracht in de kern van toepassing is, zijn de belangrijkste krachten waarmee u rekening moet houden de sterke en zwakke kernkrachten. De sterke kernkracht wordt gedragen door gluonen en de zwakke kernkracht wordt gedragen door W^± en de Z⁰ bosonen.

Zoals de naam al doet vermoeden, is de sterke kernkracht de sterkste van alle fundamentele krachten, gevolgd door elektromagnetisme (10² keer zwakker), de zwakke kracht (10⁶ keer zwakker) en zwaartekracht (10⁴⁰ keer zwakker). Het enorme verschil tussen zwaartekracht en de rest van de krachten is waarom natuurkundigen het in wezen verwaarlozen wanneer ze materie op atomair niveau bespreken.

De sterke kracht behoeften sterk zijn om de elektromagnetische afstoting tussen de positief geladen protonen in de kern te overwinnen - als dat zo was zwakker was geweest dan de elektromagnetische kracht, zouden geen atomen met meer dan één proton in de kern in staat zijn geweest om het formulier. De sterke kracht heeft echter een zeer korte afstand.

Dit is belangrijk omdat het laat zien waarom de kracht niet merkbaar is, zelfs niet op de schaal van hele atomen of moleculen, maar het betekent ook dat elektromagnetische afstoting relevanter wordt voor zware kernen (d.w.z. grotere atomen). Dit is een van de redenen waarom onstabiele kernen vaak die van de zware elementen zijn.

De zwakke kracht heeft ook een zeer kort bereik en zorgt er in wezen voor dat quarks van smaak veranderen. Dit kan ertoe leiden dat een proton een neutron wordt en omgekeerd, en dus kan het worden beschouwd als de oorzaak van nucleair verval processen zoals bèta plus en minus verval.

Er zijn drie soorten radioactief verval: alfaverval, bètaverval en gammaverval. Alfa-verval is wanneer een atoom vervalt door een "alfadeeltje" vrij te geven, wat een andere term is voor een heliumkern.

Er zijn drie subtypes van bètaverval, maar ze hebben allemaal betrekking op een proton dat verandert in een neutron of omgekeerd. Een bèta minus verval is wanneer een neutron een proton wordt en daarbij een elektron en een elektron anti-neutrino vrijgeeft, terwijl in bèta plus verval, een proton een neutron wordt en een positron (d.w.z. een anti-elektron) en een elektron vrijgeeft neutrino.

Bij elektronenvangst wordt een elektron uit de buitenste delen van het atoom geabsorbeerd in de kern en een proton wordt omgezet in een neutron en een neutrino komt vrij uit het proces.

Gamma-verval is een verval waarbij energie vrijkomt maar niets in het atoom verandert. Dit is analoog aan de manier waarop een foton vrijkomt wanneer een elektron een overgang maakt van een toestand met hoge energie naar een toestand met lage energie. Een aangeslagen kern maakt een overgang naar een toestand van lage energie en zendt daarbij een gammastraling uit.

Kernfusie is wanneer twee kernen samensmelten en een zwaardere kern vormen. Dit is de manier waarop energie in de zon wordt opgewekt, en het proces op aarde laten plaatsvinden voor energieopwekking is een van de grootste doelen voor experimentele natuurkunde.

Het probleem is dat het extreem hoge temperaturen en drukken vereist, en daarom zeer hoge energieniveaus. Als wetenschappers dit echter bereiken, kan fusie een vitale energiebron worden naarmate de samenleving blijft groeien en we steeds meer energie verbruiken.

kernsplijting is de splitsing van een zwaar element in twee lichtere kernen, en dit is wat de huidige generatie kernreactoren aandrijft.

Splijting is ook het werkingsprincipe van kernwapens, wat een van de belangrijkste redenen is waarom het een controversieel gebied is. In de praktijk verloopt splijting via een reeks kettingreacties. Een neutron dat de eerste splitsing in een zwaar element zoals uranium creëert, genereert na de reactie nog een vrij neutron, dat vervolgens een nieuwe splitsing kan veroorzaken, enzovoort.

In wezen winnen beide processen energie door de E = mc² relatie, aangezien het samensmelten of splitsen van atomen gepaard gaat met het vrijkomen van energie uit de "ontbrekende massa".

Er is een enorm scala aan toepassingen van kernfysica. Met name kernreactoren en kerncentrales zijn in veel landen over de hele wereld operationeel en veel natuurkundigen werken aan nieuwe en veiligere ontwerpen.

Sommige ontwerpen van kernreactoren zijn bijvoorbeeld bedoeld om ervoor te zorgen dat het bronmateriaal niet kan worden gebruikt om: kernwapens te maken, die een veel meer verrijkte bron van uranium nodig hebben (d.w.z. een "zuiverder" uranium) om bedienen.

Nucleair medicijn is een ander belangrijk gebied voor kernfysica. Nucleaire geneeskunde houdt in dat zeer kleine hoeveelheden radioactief materiaal aan de patiënt worden toegediend en vervolgens worden detectoren gebruikt om beelden van de afgegeven straling vast te leggen. Dit helpt artsen bij het diagnosticeren van nier-, schildklier-, hart- en andere aandoeningen.

Natuurlijk zijn er veel andere gebieden waar kernfysica essentieel is, waaronder hoge-energiefysica en deeltjes versnellers zoals CERN, en astrofysica, waar veel van de dominante processen in sterren sterk afhankelijk zijn van nucleaire fysica.