Fizyka jądrowa: co to jest, kto ją odkrył i dlaczego jest ważna?

Kilka pochmurnych dni w Paryżu w 1896 roku „zrujnowało” eksperyment Henri Becquerela, ale w tym procesie narodziła się dziedzina fizyki jądrowej. Becquerel chciał udowodnić swoją hipotezę, że uran absorbuje światło słoneczne i wypromieniowuje je ponownie w postaci promieni rentgenowskich, które odkryto rok wcześniej.

Plan Becquerela polegał na wystawieniu siarczanu uranylu potasu na światło słoneczne, a następnie skontaktowaniu go it z kliszami fotograficznymi owiniętymi w czarny papier, ponieważ światło widzialne nie przepuszczałoby promieni rentgenowskich by. Mimo braku światła słonecznego postanowił mimo wszystko przejść przez ten proces i był zszokowany, gdy odkrył obrazy wciąż zarejestrowane na płycie fotograficznej.

Dalsze testy wykazały, że to wcale nie były promienie rentgenowskie, pomimo jego założeń. Droga światła nie jest zakrzywiona przez pole magnetyczne, ale promieniowanie z uranu został odchylony o jeden i tak – wraz z pierwszym wynikiem – odkryto promieniowanie. Marie Curie ukuła termin radioaktywność i wraz ze swoim mężem Pierrem odkryła polon i rad, określając dokładne źródła radioaktywności.

Później Ernest Rutherford wymyślił terminy cząstki alfa, cząstki beta i cząstki gamma dla materiału promieniującego oraz pola Fizyka nuklearna naprawdę się zaczęło.

Oczywiście ludzie wiedzą teraz o wiele więcej o fizyce jądrowej niż na przełomie XIX i XX wieku i jest to kluczowy temat do zrozumienia i nauki dla każdego studenta fizyki. Niezależnie od tego, czy chcesz zrozumieć naturę energii jądrowej, silne i słabe siły jądrowe, czy też przyczynić się do dziedzin takich jak medycyna nuklearna, nauka podstaw jest niezbędna.

Fizyka jądrowa jest zasadniczo fizyką jądra, części atomu zawierającej dwa najbardziej znane „hadrony”, protony i neutrony.

W szczególności przygląda się siłom działającym w jądro (silne oddziaływanie wiążące protony i neutrony w jądrze, a także utrzymujące ich składnik kwarki razem i słabe oddziaływanie związane z rozpadem promieniotwórczym) oraz oddziaływanie jąder z innymi cząstki.

Fizyka jądrowa obejmuje takie tematy jak synteza jądrowa (która odnosi się do energii wiązania różnych pierwiastków), rozszczepienie jądrowe (które jest rozszczepianie ciężkich pierwiastków w celu wytworzenia energii), a także rozpad radioaktywny oraz podstawowa struktura i siły działające w jądro.

Istnieje wiele praktycznych zastosowań tej dziedziny, w tym (ale nie wyłącznie) praca w energetyce jądrowej, medycynie nuklearnej i fizyce wysokich energii.

Na atom składa się z jądra, które zawiera dodatnio naładowane protony i nienaładowane neutrony, utrzymywane razem przez silne oddziaływanie jądrowe. Są one otoczone ujemnie naładowanymi elektronami, które tworzą tak zwaną „chmurę” wokół jądra, a liczba elektronów odpowiada liczbie protonów w neutralnym atomie.

W historii fizyki było wiele modeli atomu, w tym „śliwka” Thomsona pudding”, model „planetarny” Rutherforda i Bohra oraz współczesny model mechaniki kwantowej opisany powyżej.

Jądro jest malutkie, około 10⁻¹⁵ m, zawierający masę atomu, podczas gdy cały atom jest rzędu 10⁻¹⁰ m. Nie daj się zwieść notacji – oznacza to, że jądro jest około 100 000 razy mniejsze niż cały atom, ale zawiera zdecydowaną większość materii. Więc atom jest głównie Pusta przestrzeń!

Masa atomu nie jest jednak dokładnie taka sama, jak masa części składowych: Jeśli zsumujesz masy protony i neutrony, to już przekracza masę atomu, zanim jeszcze weźmiesz pod uwagę znacznie mniejszą masę elektron.

Nazywa się to „defektem masy” atomu, a jeśli przekształcisz tę różnicę w energię za pomocą słynnego równania Einsteina mi = mc², otrzymujesz „energię wiązania” jądra.

Jest to energia, którą musiałbyś włożyć do systemu, aby podzielić jądro na jego składowe protony i neutrony. Energie te są znacznie, znacznie większe niż energia potrzebna do usunięcia elektronu z jego „orbity” wokół jądra.

Dwa rodzaje nukleon (tj. cząstka jądra) to proton i neutron, które są ze sobą ściśle związane w jądrze atomu.

Chociaż na ogół są to nukleony, o których usłyszysz, w rzeczywistości nie są to cząstki fundamentalne w standardowym modelu fizyki cząstek elementarnych. Zarówno proton, jak i neutron składają się z podstawowych cząstek zwanych kwarki, które występują w sześciu „smakach”, a każdy ma ułamek ładunku protonu lub elektronu.

Kwark górny ma 2/3 mi opłata, gdzie mi jest ładunkiem elektronu, podczas gdy kwark dolny ma -1/3 mi opłata. Oznacza to, że połączenie dwóch kwarków górnych i dolnego dałoby cząstkę o dodatnim ładunku wielkości mi, który jest protonem. Z drugiej strony, kwark górny i dwa kwarki dolne wytwarzają cząstkę bez ładunku całkowitego, neutron.

Model standardowy kataloguje wszystkie znane obecnie cząstki fundamentalne i grupuje je w dwie główne grupy: fermiony i bozony. Fermiony dzielą się na kwarki (które z kolei wytwarzają hadrony, takie jak protony i neutrony) i leptony (w tym elektrony i neutrina), oraz bozony dzielą się na bozony cechowania i skalarne.

Bozon Higgsa jest jedynym znanym do tej pory bozonem skalarnym, obok innych bozonów – fotonu, gluonu, Z-bozony i W bozony – będące bozonami cechowania.

Fermiony, w przeciwieństwie do bozonów, podlegają „prawom zachowania liczby”. Na przykład istnieje prawo zachowania liczby leptonowej, które wyjaśnia takie rzeczy, jak cząstki powstałe w wyniku rozpadu jądrowego procesy (ponieważ tworzenie elektronu np. o liczbie leptonowej 1 musi być zbilansowane z powstaniem innej cząstki o liczbie leptonowej -1, takiej jak antyneutrino elektronowe).

Zachowana jest również liczba kwarków, a także inne zachowane ilości.

Bozony są cząstkami przenoszącymi siły, a zatem w oddziaływaniach cząstek elementarnych pośredniczą bozony. Na przykład w interakcji kwarków pośredniczą gluony, a w oddziaływaniach elektromagnetycznych pośredniczą fotony.

Chociaż siła elektromagnetyczna działa w jądrze, głównymi siłami, które należy wziąć pod uwagę, są silne i słabe siły jądrowe. Silne oddziaływanie jądrowe jest przenoszone przez gluony, a słabe oddziaływanie jądrowe jest przenoszone przez W^± i Z⁰ bozony.

Jak sama nazwa wskazuje, silna siła jądrowa jest najsilniejsza ze wszystkich podstawowych sił, a następnie elektromagnetyzm (10² razy słabsze), słaba siła (10⁶ razy słabsze) i grawitacja (10⁴⁰ razy słabsze). Ogromna różnica między grawitacją a resztą sił powoduje, że fizycy zasadniczo ją pomijają, omawiając materię na poziomie atomowym.

Silna siła wymagania być silnym, aby przezwyciężyć odpychanie elektromagnetyczne między dodatnio naładowanymi protonami w jądrze – gdyby miało była słabsza od siły elektromagnetycznej, żadne atomy z więcej niż jednym protonem w jądrze nie byłyby w stanie Formularz. Jednak silna siła ma bardzo krótki zasięg.

Jest to ważne, ponieważ pokazuje, dlaczego siła nie jest zauważalna nawet w skali całych atomów lub cząsteczek, ale oznacza to również, że odpychanie elektromagnetyczne staje się bardziej istotne dla ciężkich jąder (tj. większe atomy). Jest to jeden z powodów, dla których niestabilne jądra są często jądrami ciężkich pierwiastków.

Oddziaływanie słabe ma również bardzo krótki zasięg i zasadniczo powoduje zmianę smaku kwarków. Może to spowodować, że proton stanie się neutronem i vice versa, a więc może być uważany za przyczynę rozpad jądrowy procesy takie jak rozpad beta plus i minus.

Istnieją trzy rodzaje rozpadu promieniotwórczego: rozpad alfa, rozpad beta i rozpad gamma. Rozpad alfa ma miejsce, gdy atom rozpada się, uwalniając „cząstkę alfa”, co jest innym terminem na jądro helu.

Istnieją trzy podtypy rozpadu beta, ale wszystkie z nich obejmują proton zamieniający się w neutron lub odwrotnie. Rozpad beta minus ma miejsce, gdy neutron staje się protonem i uwalnia w tym procesie elektron i antyneutrino elektronowe, podczas rozpadu beta plus proton staje się neutronem i uwalnia pozyton (tj. antyelektron) i elektron neutrino.

W wychwytywaniu elektronów elektron z zewnętrznych części atomu jest wchłaniany do jądra, a proton jest przekształcany w neutron, a neutrino jest uwalniane z procesu.

Rozpad gamma to zanik, w którym uwalniana jest energia, ale w atomie nic się nie zmienia. Jest to analogiczne do sposobu, w jaki foton jest uwalniany, gdy elektron przechodzi ze stanu wysokoenergetycznego do stanu niskoenergetycznego. Wzbudzone jądro przechodzi w stan niskoenergetyczny i jednocześnie emituje promieniowanie gamma.

Fuzja nuklearna ma miejsce, gdy dwa jądra łączą się i tworzą cięższe jądro. W ten sposób wytwarzana jest energia na Słońcu, a wywołanie procesu wytwarzania energii na Ziemi jest jednym z najważniejszych celów fizyki eksperymentalnej.

Problem polega na tym, że wymaga ekstremalnie wysokich temperatur i ciśnień, a zatem bardzo wysokich poziomów energii. Jeśli jednak naukowcy to osiągną, fuzja może stać się istotnym źródłem energii w miarę rozwoju społeczeństwa i zużywania coraz większej ilości energii.

Rozszczepienia jądrowego to rozszczepienie ciężkiego pierwiastka na dwa lżejsze jądra i to właśnie napędza obecną generację reaktorów jądrowych.

Rozszczepienie jest również zasadą działania broni jądrowej, co jest jednym z głównych powodów, dla których jest to obszar kontrowersyjny. W praktyce rozszczepienie działa poprzez szereg reakcji łańcuchowych. Neutron, który powoduje początkowe rozszczepienie ciężkiego pierwiastka, takiego jak uran, po reakcji generuje kolejny wolny neutron, który może następnie spowodować kolejne rozszczepienie i tak dalej.

Zasadniczo oba te procesy zyskują energię poprzez mi = mc² relacji, ponieważ stapianie lub rozszczepianie atomów wiąże się z uwolnieniem energii z „brakującej masy”.

Istnieje szeroki zakres zastosowań fizyki jądrowej. W szczególności reaktory jądrowe i elektrownie jądrowe działają w wielu krajach na całym świecie, a wielu fizyków pracuje nad nowymi i bezpieczniejszymi projektami.

Na przykład niektóre projekty reaktorów jądrowych mają na celu zapewnienie, że materiał źródłowy nie może być wykorzystany do: tworzyć broń jądrową, która wymaga znacznie bardziej wzbogaconego źródła uranu (tj. „czystszego” uranu) obsługiwać.

Medycyna nuklearna to kolejny ważny obszar fizyki jądrowej. Medycyna nuklearna polega na podaniu pacjentowi bardzo niewielkich ilości materiału radioaktywnego, a następnie wykorzystuje się detektory do przechwytywania obrazów z emitowanego promieniowania. Pomaga to lekarzom diagnozować choroby nerek, tarczycy, serca i inne.

Oczywiście istnieje wiele innych dziedzin, w których fizyka jądrowa jest zasadniczo, w tym fizyka wysokich energii i cząstki akceleratory, takie jak CERN i astrofizyka, gdzie wiele dominujących procesów w gwiazdach silnie zależy od energii jądrowej fizyka.