Kjernefysikk: Hva er det, hvem oppdaget det og hvorfor er det viktig?

Flere overskyede dager i Paris i 1896 "ødela" Henri Becquerels eksperiment, men i prosessen ble kjernefysikkfeltet født. Becquerel var ute etter å bevise sin hypotese om at uran absorberte sollys og strålte det på nytt i form av røntgenstråler, som hadde blitt oppdaget året før.

Becquerels plan var å bringe kaliumuranylsulfat ut i sollyset og deretter bringe det i kontakt med fotografiske plater innpakket i svart papir, for mens synlig lys ikke ville klare det, røntgen ville. Til tross for mangel på sollys, bestemte han seg for å gå gjennom prosessen uansett, og ble sjokkert da han oppdaget bilder som fortsatt er tatt opp på fotografisk plate.

Ytterligere testing viste at det ikke var røntgen i det hele tatt, til tross for hans antagelser. Lysets vei er ikke bøyd av et magnetfelt, men stråling fra uran ble avbøyd av en, og dette - sammen med det første resultatet - var hvordan stråling ble oppdaget. Marie Curie skapte begrepet radioaktivitet, og sammen med ektemannen Pierre oppdaget polonium og radium og festet de nøyaktige kildene til radioaktiviteten.

Senere kom Ernest Rutherford med begrepene alfapartikler, betapartikler og gammapartikler for det utstrålte materialet og feltet av kjernefysikk kom virkelig i gang.

Selvfølgelig vet folk mye mer om kjernefysikk nå enn de gjorde ved begynnelsen av 1900-tallet, og det er et avgjørende tema å forstå og lære om for alle fysikkstudenter. Enten du vil forstå arten av kjernekraft, de sterke og svake kjernekreftene eller bidra til felt som nukleærmedisin, er det viktig å lære det grunnleggende.

Kjernefysikk er i det vesentlige kjernenes fysikk, den delen av atomet som inneholder de to mest kjente “Hadroner,” protoner og nøytroner.

Spesielt ser den på kreftene som opererer i cellekjernen (den sterke interaksjonen som binder protoner og nøytroner sammen i kjernen, samt holder komponenten deres kvarker sammen, og den svake interaksjonen knyttet til radioaktivt forfall), og samspillet mellom kjerner med andre partikler.

Kjernefysikk dekker emner som kjernefusjon (som er knyttet til bindingsenergien til forskjellige elementer), kjernefisjon (som er splitting av tunge elementer for å produsere energi) så vel som radioaktivt forfall og den grunnleggende strukturen og kreftene som spilles i cellekjernen.

Det er mange praktiske anvendelser av feltet, inkludert (men ikke begrenset til) arbeid innen kjernekraft, kjernemedisin og høyenergifysikk.

An atom består av en kjerne, som inneholder de positivt ladede protonene og uladede nøytronene, holdt sammen av den sterke kjernefysiske styrken. Disse er omgitt av negativt ladede elektroner, som danner det som kalles en "sky" rundt kjernen, og antall elektroner samsvarer med antall protoner i et nøytralt atom.

Det har vært foreslått mange modeller av atomet gjennom fysikkens historie, inkludert Thomsons "plomme pudding ”-modellen, Rutherfords og Bohrs“ planetariske ”modell og den moderne, kvantemekaniske modellen beskrevet ovenfor.

Kjernen er liten, rundt 10⁻¹⁵ m, som inneholder hovedtyngden av atommassen, mens hele atomet er i størrelsesorden 10⁻¹⁰ m. Ikke la notasjonen lure deg - dette betyr at kjernen er omtrent 100.000 ganger mindre enn atomet totalt sett, men den inneholder det store flertallet av saken. Så atomet er overveiende tomrom!

Atommassen er imidlertid ikke nøyaktig den samme som massen av bestanddelene: Hvis du legger sammen massene til protoner og nøytroner, overstiger det allerede atomets masse, før du til og med tar hensyn til den mye mindre massen til elektron.

Dette kalles atommassens massedefekt, og hvis du konverterer denne forskjellen til energi ved hjelp av Einsteins berømte ligning E = mc², får du "bindingsenergien" til kjernen.

Dette er energien du må legge inn i systemet for å dele kjernen i dens sammensatte protoner og nøytroner. Disse energiene er mye, mye større enn energien den trenger for å fjerne et elektron fra sin "bane" rundt kjernen.

De to typene nukleon (dvs. partikkel av kjernen) er proton og nøytron, og disse er tett bundet sammen i atomkjernen.

Selv om dette generelt er nukleonene du vil høre om, er de egentlig ikke grunnleggende partikler i standardmodellen for partikkelfysikk. Proton og nøytron er begge sammensatt av grunnleggende partikler som kalles kvarker, som kommer i seks "smaker" og hver bærer en brøkdel av ladningen til et proton eller et elektron.

En oppkvark har 2/3 e lading, hvor e er ladningen til et elektron, mens en dunkvark har −1/3 e lade. Dette betyr at to oppkvarker og en nedkvark kombinert ville produsere en partikkel med en positiv ladning av størrelse e, som er et proton. På den annen side produserer en oppkvark og to nedkvarker en partikkel uten totalladning, nøytronen.

Standardmodellen katalogiserer alle de grunnleggende partiklene som for tiden er kjent, og grupperer dem i to hovedgrupper: fermioner og bosoner. Fermions er delt inn i kvarker (som igjen produserer hadroner som protoner og nøytroner) og leptoner (som inkluderer elektroner og nøytrinoer), og bosoner er delt inn i måle- og skalarbosoner.

Higgs Boson er den eneste skalære bosonen som er kjent hittil, med de andre bosonene - foton, gluon, Z-bosons og W bosons - å være gauge bosons.

Fermions, i motsetning til bosoner, adlyder "lov om antall bevaring." For eksempel er det en lov om bevaring av leptontall, som forklarer ting som partikler produsert som en del av kjerneforfall prosesser (fordi opprettelsen av et elektron med lepton nummer 1, for eksempel, må balanseres med opprettelsen av en annen partikkel med lepton nummer -1, for eksempel et elektron anti-nøytrino).

Kvarknummer er også konservert, og det er også andre konserverte mengder.

Bosoner er tvangsbærende partikler, og interaksjoner mellom de grunnleggende partiklene medieres av bosonene. For eksempel medieres interaksjonen mellom kvarker av gluoner, og elektromagnetiske interaksjoner medieres av fotoner.

Selv om den elektromagnetiske kraften gjelder i kjernen, er de viktigste kreftene du må vurdere de sterke og svake atomkreftene. Den sterke kjernekraften bæres av gluoner, og den svake kjernekraften bæres av W^± og Z⁰ bosoner.

Som navnet antyder, er den sterke atomkraften den sterkeste av alle grunnleggende krefter, etterfulgt av elektromagnetisme (10² ganger svakere), den svake kraften (10⁶ ganger svakere) og tyngdekraften (10⁴⁰ ganger svakere). Den store forskjellen mellom tyngdekraften og resten av kreftene er grunnen til at fysikere i hovedsak forsømmer det når de diskuterer materie på atomnivå.

Den sterke kraften behov å være sterk for å overvinne den elektromagnetiske frastøtingen mellom de positivt ladede protonene i kjernen - hvis den hadde vært svakere enn den elektromagnetiske kraften, ville ingen atomer med mer enn ett proton i kjernen ha vært i stand til skjema. Imidlertid har den sterke styrken en veldig kort avstand.

Dette er viktig fordi det viser hvorfor kraften ikke merkes selv på skalaen til hele atomer eller molekyler, men det betyr også at elektromagnetisk frastøting blir mer relevant for tunge kjerner (dvs. større atomer). Dette er en av grunnene til at ustabile kjerner ofte er de av de tunge elementene.

Den svake kraften har også en veldig kort rekkevidde, og det fører i hovedsak til at kvarker endrer smak. Dette kan føre til at en proton blir et nøytron og omvendt, og det kan derfor betraktes som årsaken til atomforfall prosesser som beta pluss og minus forfall.

Det er tre typer radioaktivt forfall: alfa-forfall, beta-forfall og gammaforfall. Alfa-forfall er når et atom forfaller ved å frigjøre en "alfapartikkel", som er et annet begrep for en heliumkjerne.

Det er tre undertyper av beta-forfall, men alle involverer en proton som blir til et nøytron eller omvendt. En beta minus forfall er når et nøytron blir en proton og frigjør et elektron og et elektron anti-nøytrino i prosessen, mens i beta pluss forfall, blir en proton en nøytron og frigjør en positron (dvs. en anti-elektron) og et elektron nøytrino.

Ved elektroninnfanging absorberes et elektron fra de ytre delene av atomet i kjernen, og en proton omdannes til et nøytron, og en nøytrino frigjøres fra prosessen.

Gamma-forfall er et forfall der energi frigjøres, men ingenting i atomet endres. Dette er analogt med måten en foton frigjøres når et elektron gjør en overgang fra en høy-energi til en lav-energi-tilstand. En opphisset kjerne gjør en overgang til en lavenergitilstand og avgir en gammastråle som den gjør.

Kjernefysisk fusjon er når to kjerner smelter sammen og skaper en tyngre kjerne. Dette er måten energi genereres i solen, og å få prosessen til å skje på jorden for kraftproduksjon er et av de største målene for eksperimentell fysikk.

Problemet er at det krever ekstremt høye temperaturer og trykk, og derfor veldig høye energinivåer. Imidlertid, hvis forskere oppnår det, kan fusjon bli en viktig kraftkilde ettersom samfunnet fortsetter å vokse og vi forbruker økende mengder energi.

Atomfisjon er å dele et tungt element i to lettere kjerner, og det er dette som driver den nåværende generasjonen av atomreaktorer.

Fisjon er også driftsprinsippet for atomvåpen, som er en av hovedårsakene til at det er et kontroversielt område. I praksis fungerer fisjon gjennom en serie kjedereaksjoner. Et nøytron som skaper den opprinnelige splittelsen i et tungt element som uran, genererer en ytterligere fri nøytron etter reaksjonen, som deretter kan fortsette å forårsake en ny splittelse og så videre.

I hovedsak får begge disse prosessene energi gjennom E = mc² forhold, siden smelting eller splitting av atomer innebærer frigjøring av energi fra den "manglende massen."

Det er et stort utvalg av anvendelser av kjernefysikk. Spesielt kjernefysiske reaktorer og kjernekraftverk er operative i mange land rundt om i verden, og mange fysikere jobber med nye og tryggere design.

For eksempel har noen atomreaktordesigner sikte på å sikre at kildematerialet ikke kan brukes til lage atomvåpen, som krever en mye mer beriket kilde til uran (dvs. et "renere" uran) til operere.

Atommedisin er et annet viktig område for kjernefysikk. Atommedisin involverer svært små mengder radioaktivt materiale som blir administrert til pasienten, og deretter brukes detektorer til å ta bilder fra den strålingen som avgis. Dette hjelper leger med å diagnostisere nyre, skjoldbruskkjertel, hjerte og andre tilstander.

Selvfølgelig er det mange andre områder der kjernefysikk egentlig er, inkludert høyenergifysikk og partikkel akseleratorer som CERN, og astrofysikk, hvor mange av de dominerende prosessene i stjerner er sterkt avhengige av kjernefysisk fysikk.