Nuklearna i atomowa (fizyka): Przewodnik dla początkujących dla studentów

Fizyka atomowa i jądrowa opisują fizykę bardzo małych. Podczas pracy z tak małymi przedmiotami często zawodzi intuicja zbudowana ze zrozumienia mechaniki klasycznej. Jest to dziedzina mechaniki kwantowej, sił jądrowych krótkiego zasięgu, promieniowania elektromagnetycznego i standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych.

Fizyka atomowa to dział fizyki zajmujący się strukturą atomu, powiązanymi stanami energetycznymi oraz oddziaływaniem atomu z cząstkami i polami. W przeciwieństwie do tego, fizyka jądrowa skupia się w szczególności na wydarzeniach wewnątrz jądra atomowego, co opisano bardziej szczegółowo w następnej sekcji.

Istnieje kilka przedmiotów do nauki w fizyce cząstek elementarnych. Przede wszystkim struktura samego atomu. Atomy składają się z ściśle związanego jądra, które zawiera protony i neutrony oraz rozproszonego obłoku elektronów.

Biorąc pod uwagę, że jądro jest zwykle rzędu 10^-15 do 10^-14 m średnicy, a same atomy są rzędu 10^-10 m średnicy (a wielkość elektronów jest znikoma), okazuje się, że atomy są w większości pustą przestrzenią. Oczywiście, że tak nie jest, a cała materia zbudowana z atomów z pewnością wydaje się substancją.

Powodem, dla którego atomy nie wydają się być w większości pustą przestrzenią, jest to, że jesteś również zbudowany z atomów, a wszystkie atomy oddziałują z energią elektromagnetyczną. Nawet jeśli twoja ręka, która składa się głównie z atomów pustej przestrzeni, naciska na stół, który również składa się głównie z pusta przestrzeń, nie przechodzi przez stół z powodu sił elektromagnetycznych między atomami, gdy wchodzą kontakt.

Neutrino, cząstka, która nie oddziałuje z siłą elektromagnetyczną, jest jednak w stanie przejść przez większość materiałów atomowych praktycznie niezauważone. W rzeczywistości co sekundę przez twoje ciało przechodzi 100 bilionów neutrin!

Atomy są klasyfikowane według liczby atomowej w układzie okresowym. Liczba atomowa to liczba protonów, które atom zawiera w swoim jądrze. Ta liczba definiuje element.

Chociaż dany pierwiastek zawsze będzie miał taką samą liczbę protonów, może zawierać różną liczbę neutronów. Różne izotopy pierwiastka zawierają różną liczbę neutronów. Niektóre izotopy są bardziej stabilne niż inne (co oznacza mniejsze prawdopodobieństwo spontanicznego rozpadu na coś innego), a ta stabilność zazwyczaj zależy od liczby neutronów, dlatego w przypadku większości pierwiastków większość atomów ma tendencję do jednego konkretnego izotop.

Liczba elektronów zawartych w atomie określa, czy jest on zjonizowany, czy naładowany. Neutralny atom zawiera taką samą liczbę elektronów jak protony, ale czasami atomy mogą zyskać lub stracić elektrony i zostać naładowane. To, jak łatwo atom zyskuje lub traci elektrony, zależy od jego struktury orbitalnej elektronów.

Atom wodoru jest najprostszym atomem, zawierającym tylko jeden proton w swoim jądrze. Trzy najbardziej stabilne izotopy wodoru to prot (zawierający neutrony), deuter (zawierający jeden neutron) i tryt (zawierający dwa neutrony), przy czym prot jest najbardziej rozpowszechniony.

Przez lata proponowano różne modele atomu, prowadząc do obecnego modelu. Wczesne prace wykonali Ernest Rutherford, Niels Bohr i inni.

Jak wspomniano, atomy oddziałują z siłą elektromagnetyczną. Protony w atomie mają ładunek dodatni, a elektrony ładunek ujemny. Elektrony w atomie mogą pochłaniać promieniowanie elektromagnetyczne i w rezultacie osiągać wyższy stan energetyczny lub emitować promieniowanie i przechodzić do niższego stanu energetycznego.

Jedną z kluczowych właściwości tego pochłaniania i emitowania promieniowania jest to, że atomy pochłaniają i emitują promieniowanie tylko przy bardzo określonych wartościach skwantowanych. I dla każdego innego typu atomu te konkretne wartości są różne.

Gorący gaz materiału atomowego będzie emitował promieniowanie o bardzo określonych długościach fal. Jeśli światło pochodzące z tego gazu zostanie przepuszczone przez spektroskop, który rozproszy światło w widmie na długości fali (jak tęcza), pojawią się wyraźne linie emisyjne. Zestaw linii emisyjnych wychodzących z gazu można odczytać prawie jak kod kreskowy, informujący dokładnie, jakie atomy znajdują się w gazie.

Podobnie, jeśli ciągłe widmo światła pada na chłodny gaz, a światło przechodzące przez ten gaz jest wtedy is przepuszczony przez spektroskop, zobaczysz ciągłe widmo z ciemnymi przerwami na określonych długościach fali gazu zaabsorbowany. To widmo absorpcyjne będzie wyglądać jak odwrotność widma emisyjnego, ciemne linie pojawią się tam, gdzie jasne linie były dla tego samego gazu. W związku z tym można go również odczytać jak kod kreskowy informujący o składzie gazu. Astronomowie cały czas wykorzystują to do określenia składu materii w kosmosie.

Fizyka jądrowa koncentruje się na jądrze atomowym, reakcjach jądrowych i interakcji jądra z innymi cząsteczkami. Bada między innymi rozpad radioaktywny, syntezę jądrową i rozszczepienie jądrowe oraz energię wiązania.

Jądro zawiera ściśle związaną grupę protonów i neutronów. Nie są to jednak cząstki fundamentalne. Protony i neutrony zbudowane są z jeszcze mniejszych cząstek zwanych kwarki.

Kwarki to cząstki o ładunku ułamkowym i nieco głupich nazwach. Występują w sześciu tak zwanych smakach: góra, dół, góra, dół, dziwność i urok. Neutron składa się z dwóch kwarków dolnych i górnego, a proton z dwóch kwarków górnych i dolnego. Kwarki w każdym nukleonie są ściśle związane silnym oddziaływaniem jądrowym.

W silnej sile jądrowej pośredniczą cząstki zwane gluony. Czy wyczuwasz motyw? Naukowcy świetnie się bawili nazywając te cząstki! Gluony oczywiście „sklejają” ze sobą kwarki. Silna siła jądrowa działa tylko w bardzo krótkim zasięgu – w odległości porównywalnej ze średnicą jądra średniej wielkości.

Każdy izolowany neutron ma masę 1,6749275 × 10^-27 kg, a każdy wyizolowany proton ma masę 1,6726219 × 10^-27 kg; jednak po związaniu w jądrze atomowym masa atomowa nie jest sumą jego części składowych z powodu czegoś, co nazywa się energią wiązania.

Stając się ściśle związane, nukleony osiągają niższy stan energetyczny, ponieważ część całkowitej masy, jaką posiadały jako pojedyncze cząstki, jest przekształcana w energię. Ta różnica mas, która jest przekształcana w energię, nazywana jest energią wiązania jądra. Zależność opisująca, ile energii odpowiada danej ilości masy, jest słynna Einsteina E = mc² równanie gdzie m jest masa, do to prędkość światła i mi jest energia.

Pokrewnym pojęciem jest energia wiązania na nukleon, która jest całkowitą energią wiązania jądra uśrednioną na podstawie jego części składowych. Energia wiązania na nukleon jest dobrym wskaźnikiem stabilności jądra. Niska energia wiązania na nukleon wskazuje, że może istnieć korzystniejszy stan niższej energii całkowitej konkretnego jądra, co oznacza, że ​​prawdopodobnie będzie chciał albo się rozdzielić, albo połączyć z innym jądrem pod właściwym under warunki.

Ogólnie rzecz biorąc, jądra lżejsze niż jądra żelaza mają tendencję do osiągania niższych stanów energetycznych i wyższej energii wiązania na nukleon, poprzez fuzję z innymi jądrami, podczas gdy jądra cięższe od żelaza mają tendencję do osiągania niższych stanów energetycznych poprzez rozpadanie się na lżejsze jądra. Procesy, dzięki którym zachodzą te zmiany, zostały opisane w następnej sekcji.

Głównym celem fizyki jądrowej jest badanie rozszczepienia, syntezy i rozpadu jąder atomowych. Wszystkie te procesy są napędzane przez fundamentalne przekonanie, że wszystkie cząstki preferują stany o niższej energii.

Rozszczepienie następuje, gdy ciężkie jądro rozpada się na mniejsze jądra. Bardzo ciężkie jądra są na to bardziej podatne, ponieważ mają mniejszą energię wiązania na nukleon. Jak być może pamiętasz, istnieje kilka sił rządzących tym, co dzieje się w jądrze atomowym. Silne oddziaływanie jądrowe ściśle wiąże ze sobą nukleony, ale jest to oddziaływanie bardzo krótkiego zasięgu. Tak więc dla bardzo dużych jąder jest mniej skuteczny.

Dodatnio naładowane protony w jądrze również odpychają się nawzajem dzięki sile elektromagnetycznej. To odpychanie musi zostać przezwyciężone przez silne siły jądrowe i może być również zapośredniczone przez wystarczającą ilość neutronów wokół. Ale im większe jądro, tym mniej korzystny dla stabilności jest bilans sił.

W związku z tym większe jądra mają tendencję do rozpadu albo poprzez procesy rozpadu radioaktywnego, albo poprzez reakcje rozszczepienia, takie jak te zachodzące w reaktorach jądrowych lub bombach rozszczepieniowych.

Fuzja ma miejsce, gdy dwa lżejsze jądra osiągają korzystniejszy stan energetyczny, łącząc się w cięższe jądro. Jednak, aby nastąpiło rozszczepienie, jądra, o których mowa, muszą zbliżyć się do siebie na tyle, aby mogła przejąć silna siła jądrowa. Oznacza to, że muszą poruszać się wystarczająco szybko, aby przezwyciężyć odpychanie elektryczne.

Jądra poruszają się szybko w ekstremalnych temperaturach, więc ten stan jest często wymagany. W ten sposób może zachodzić fuzja jądrowa w niezwykle gorącym jądrze Słońca. Do dziś naukowcy wciąż próbują znaleźć sposób na zajście zimnej fuzji – czyli fuzji w niższych temperaturach. Ponieważ energia jest uwalniana w procesie syntezy jądrowej i nie pozostawia odpadów radioaktywnych, jak to zwykle robią reaktory rozszczepienia, byłoby to niewiarygodne źródło energii, gdyby zostało osiągnięte.

Rozpad radioaktywny jest powszechnym sposobem, w jaki jądra ulegają zmianom, aby stać się bardziej stabilnymi. Istnieją trzy główne typy rozpadu: rozpad alfa, rozpad beta i rozpad gamma.

W rozpadzie alfa jądro radioaktywne uwalnia cząstkę alfa (jądro helu-4), dzięki czemu staje się bardziej stabilne. Rozpad beta występuje w kilku odmianach, ale zasadniczo wynika z tego, że neutron staje się protonem lub proton staje się neutronem i uwalnia β^- lub β⁺ cząstka (elektron lub pozyton). Rozpad gamma występuje, gdy jądro w stanie wzbudzonym uwalnia energię w postaci promieni gamma, ale zachowuje całkowitą liczbę neutronów i protonów.

Badanie fizyki jądrowej rozciąga się na szerszą dziedzinę fizyki cząstek elementarnych, której celem jest zrozumienie działania wszystkich cząstek elementarnych. Model standardowy klasyfikuje cząstki na fermiony i bozony, a następnie dalej klasyfikuje fermiony na kwarki i leptony, a bozony na bozony cechowania i skalarne.

Bozony nie podlegają prawom zachowania liczb, ale fermiony tak. Istnieje również prawo zachowania zarówno liczby leptonów, jak i kwarków, oprócz innych zachowanych ilości. W oddziaływaniach cząstek elementarnych pośredniczą bozony przenoszące energię.

Zastosowania fizyki jądrowej i atomowej są obfite. Reaktory jądrowe w elektrowniach jądrowych wytwarzają czystą energię, wykorzystując energię uwalnianą podczas procesów rozszczepienia. Medycyna nuklearna wykorzystuje izotopy promieniotwórcze do obrazowania. Astrofizycy wykorzystują spektroskopię do określenia składu odległych mgławic. Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego umożliwia lekarzom tworzenie szczegółowych obrazów wnętrza pacjenta. Nawet technologia rentgenowska wykorzystuje fizykę jądrową.