Nuclear & Atomic (Physics): A Beginner's Guide for Students

Atom- og kjernefysikk beskriver begge fysikken til de veldig små. Når du arbeider med så små gjenstander, mislykkes ofte din intuisjon bygget på din forståelse av klassisk mekanikk. Dette er riket av kvantemekanikk, kjernekrefter med kort rekkevidde, elektromagnetisk stråling og standardmodellen for partikkelfysikk.

Atomfysikk er grenen av fysikk som omhandler atomets struktur, tilhørende energitilstander og samspillet mellom atomet og partikler og felt. I motsetning til dette fokuserer kjernefysikk spesifikt på gangen inne i atomkjernen, som er beskrevet mer detaljert i neste avsnitt.

Det er flere studier i partikkelfysikk. Først og fremst er strukturen til selve atomet. Atomer består av en tett bundet kjerne, som inneholder protoner og nøytroner, og en diffus elektronsky.

Gitt at kjernen vanligvis er i størrelsesorden 10^-15 til 10^-14 m i diameter, og atomer i seg selv er i størrelsesorden 10^-10 m i diameter (og størrelsen på elektronene er ubetydelig), viser det seg at atomer stort sett er tomme rom. Selvfølgelig virker de ikke som de er, og alt som er laget av atomer føles absolutt som stoff.

Årsaken til at atomer ikke virker som om de for det meste er tomme rom, er at du også er laget av atomer, og alle atomer samhandler med elektromagnetisk energi. Selv om hånden din, som består av stort sett tomrom, presser mot et bord, består den også for det meste tomt rom, passerer den ikke gjennom bordet på grunn av de elektromagnetiske kreftene mellom atomene når de kommer inn ta kontakt med.

Nøytrino, en partikkel som ikke samhandler med den elektromagnetiske kraften, er imidlertid i stand til å passere gjennom det fleste atommateriale praktisk talt uoppdaget. Faktisk passerer 100 billioner nøytrinoer gjennom kroppen din hvert sekund!

Atomer er klassifisert etter atomnummer i det periodiske systemet. Atomtallet er antall protoner atomet inneholder i kjernen. Dette tallet definerer elementet.

Mens et gitt element alltid vil ha samme antall protoner, kan det inneholde forskjellige antall nøytroner. Ulike isotoper av et element inneholder forskjellige antall nøytroner. Noen isotoper er mer stabile enn andre (noe som betyr mindre sannsynlig at de spontant forfaller til noe annet), og denne stabiliteten avhenger vanligvis av antall nøytroner, og derfor er flertallet av atomene for de fleste grunner en av de spesifikke isotop.

Antallet elektroner et atom inneholder avgjør om det er ionisert eller ladet. Et nøytralt atom inneholder samme antall elektroner som protoner, men noen ganger kan atomer få eller miste elektroner og bli ladet. Hvor lett et atom vinner eller mister elektroner, avhenger av dets elektronorbitale struktur.

Hydrogenatomet er det enkleste atomet, og inneholder bare ett proton i kjernen. De tre mest stabile isotoper av hydrogen er protium (som ikke inneholder nøytroner), deuterium (som inneholder ett nøytron) og tritium (inneholder to nøytroner), med protium som er mest vanlig.

Ulike modeller av atomet har blitt foreslått gjennom årene, noe som fører til den nåværende modellen. Tidlig arbeid ble utført av Ernest Rutherford, Niels Bohr og andre.

Som nevnt samhandler atomer med den elektromagnetiske kraften. Protonene i et atom bærer positiv ladning og elektronene bærer negativ ladning. Elektronene i atomet kan absorbere elektromagnetisk stråling og oppnå en høyere energitilstand som et resultat, eller avgi stråling og bevege seg til en lavere energitilstand.

En nøkkelegenskap ved denne absorberingen og utstrålingen av stråling er at atomer bare absorberer og avgir stråling ved veldig spesifikke kvantiserte verdier. Og for hver annen type atom er de spesifikke verdiene forskjellige.

En varm gass av atommateriale vil avgi stråling ved veldig spesifikke bølgelengder. Hvis lys som kommer fra denne gassen føres gjennom et spektroskop, som sprer lyset ut i et spektrum med bølgelengde (som en regnbue), vil forskjellige utslippslinjer vises. Settet med utslippslinjer som kommer fra gassen kan leses nesten som en strekkode som forteller deg nøyaktig hvilke atomer som er i gassen.

Tilsvarende, hvis et kontinuerlig spekter av lys faller inn på en kjølig gass, og lyset som passerer gjennom gassen er det passert gjennom et spektroskop, vil du se et kontinuerlig spekter med mørke hull på de spesifikke bølgelengdene som gassen absorbert. Dette absorpsjonsspekteret vil se ut som omvendt av emisjonsspekteret, de mørke linjene vises der de lyse linjene var for den samme gassen. Som sådan kan den også leses som en strekkode som forteller deg gassens sammensetning. Astronomer bruker dette hele tiden for å bestemme materialets sammensetning i rommet.

Kjernefysikk fokuserer på atomkjernen, kjernefysiske reaksjoner og samspillet mellom kjernen og andre partikler. Den utforsker blant annet radioaktivt forfall, kjernefusjon og kjernefisjon, og bindende energi.

Kjernen inneholder en tett bundet klump av protoner og nøytroner. Dette er imidlertid ikke grunnleggende partikler. Protoner og nøytroner er laget av enda mindre partikler som kalles kvarker.

Kvarker er partikler med brøkdeladning, og noe dumme navn. De kommer i seks såkalte smaker: opp, ned, topp, bunn, rart og sjarm. Et nøytron består av to dunkvarker og en oppkvark, og et proton er laget av to oppkvarker og en nedkvark. Kvarkene i hvert nukleon er tett bundet av den sterke kjernefysiske kraften.

Den sterke kjernekraften formidles av partikler som kalles gluoner. Føler du et tema? Forskerne hadde mye moro med å navngi disse partiklene! Lim limer selvfølgelig kvarkene sammen. Den sterke kjernefysiske kraften virker bare på svært kort rekkevidde - på en avstand som kan sammenlignes med diameteren til den gjennomsnittlige kjernen.

Hvert isolerte nøytron har en masse på 1,6749275 × 10^-27 kg, og hvert isolerte proton har en masse på 1,6726219 × 10^-27 kg; når den er bundet sammen i en atomkjerne, er ikke atommassen imidlertid summen av dens bestanddeler på grunn av noe som kalles bindende energi.

Ved å bli tett bundet oppnår nukleonene en lavere energitilstand som et resultat av at noe av den totale massen de hadde som individuelle partikler ble omdannet til energi. Denne masseforskjellen som omdannes til energi kalles kjernens bindingsenergi. Forholdet som beskriver hvor mye energi som tilsvarer en gitt masse, er Einsteins berømte E = mc² ligning hvor m er massen, c er lysets hastighet og E er energien.

Et beslektet konsept er bindingsenergien per nukleon, som er den totale bindingsenergien til en kjerne som er gjennomsnittlig over dens bestanddeler. Bindingsenergien per nukleon er en god indikator på hvor stabil en kjerne er. En lav bindingsenergi per nukleon indikerer at en gunstigere tilstand med lavere total energi kan eksistere for det spesiell kjerne, noe som betyr at den sannsynligvis vil splitte fra hverandre eller smelte sammen med en annen kjerne under riktig forhold.

Generelt har kjerner som er lettere enn jernkjerner en tendens til å oppnå lavere energitilstander og høyere bindingsenergi per nukleon ved å smelte sammen med andre kjerner, mens kjerner som er tyngre enn jern, har en tendens til å oppnå lavere energitilstander ved å bryte fra hverandre til lettere kjerner. Prosessene som disse endringene skjer, er beskrevet i neste avsnitt.

Hovedfokus for kjernefysikk er å studere fisjon, fusjon og forfall av atomkjerner. Disse prosessene er alle drevet av en grunnleggende forestilling om at alle partikler foretrekker lavere energitilstander.

Fisjon oppstår når en tung kjerne bryter fra hverandre i mindre kjerner. Svært tunge kjerner er mer utsatt for å gjøre dette fordi de har en mindre bindingsenergi per nukleon. Som du kanskje husker, er det noen få krefter som styrer hva som skjer i en atomkjerne. Den sterke kjernekraften binder nukleonene tett sammen, men det er en veldig kort rekkevidde kraft. Så for veldig store kjerner er det mindre effektivt.

De positivt ladede protonene i kjernen frastøter også hverandre via den elektromagnetiske kraften. Denne frastøtingen må overvinnes av den sterke atomkraften og kan også formidles ved å ha nok nøytroner rundt. Men jo større kjernen er, desto mindre gunstig er styrkebalansen for stabilitet.

Derfor har større kjerner en tendens til å bryte fra hverandre enten via radioaktive forfallsprosesser, eller via fisjoneringsreaksjoner som de som forekommer i atomreaktorer eller fisjonsbomber.

Fusjon oppstår når to lettere kjerner oppnår en gunstigere energitilstand ved å kombinere til en tyngre kjerne. For at fisjon skal skje, må imidlertid kjernene det gjelder, komme nær nok hverandre slik at den sterke kjernefysiske styrken kan ta over. Dette betyr at de må bevege seg raskt nok til at de kan overvinne elektrisk frastøting.

Kjerner beveger seg raskt i ekstreme temperaturer, så denne tilstanden er ofte nødvendig. Slik kan kjernefusjon finne sted i den ekstremt varme kjerne av solen. Den dag i dag prøver forskere fortsatt å finne en måte å få kald fusjon til å oppstå - det vil si fusjon ved lavere temperaturer. Siden energi frigjøres i fusjonsprosessen og ikke etterlater radioaktivt avfall slik som fisjonsreaktorer pleier å gjøre, vil det være en utrolig energiressurs hvis det oppnås.

Radioaktivt forfall er et vanlig middel som kjerner gjennomgår forandringer for å bli mer stabile. Det er tre hovedtyper av forfall: alfa-forfall, beta-forfall og gamma-forfall.

Ved alfa-forfall frigjør en radioaktiv kjerne en alfapartikkel (en helium-4-kjerne) og blir mer stabil som et resultat. Beta-forfall kommer i noen få varianter, men i hovedsak skyldes det at enten et nøytron blir en proton eller et proton blir et nøytron og frigjør en β^- eller β⁺ partikkel (et elektron eller en positron). Gamma-forfall oppstår når en kjerne i en eksitert tilstand frigjør energi i form av gammastråler, men opprettholder sitt totale antall nøytroner og protoner.

Studiet av kjernefysikk strekker seg inn i det større feltet av partikkelfysikk, som tar sikte på å forstå funksjonene til alle grunnleggende partikler. Standardmodellen klassifiserer partikler i fermioner og bosoner, og klassifiserer deretter ytterligere fermioner i kvarker og leptoner, og bosoner i måle- og skalarbosoner.

Bosons overholder ikke lovene om bevaring av tall, men fermioner gjør det. Det er også en lov om bevaring for både lepton- og kvarknummer i tillegg til andre konserverte mengder. Interaksjoner mellom de grunnleggende partiklene formidles av de energibærende bosonene.

Anvendelser av kjernefysisk og atomfysikk er rikelig. Atomreaktorer i kjernekraftverk skaper ren energi ved å utnytte energien som frigjøres under fisjonsprosesser. Atommedisin bruker radioaktive isotoper til bildebehandling. Astrofysikere bruker spektroskopi for å bestemme sammensetningen av fjerne tåker. Magnetisk resonanstomografi gjør det mulig for leger å lage detaljerte bilder av pasientenes innside. Selv røntgenteknologi bruker kjernefysikk.