Física nuclear: o que é, quem descobriu e por que é importante?

Vários dias nublados em Paris em 1896 "arruinaram" o experimento de Henri Becquerel, mas no processo, o campo da física nuclear nasceu. Becquerel estava decidido a provar sua hipótese de que o urânio absorvia a luz do sol e a re-irradiava na forma de raios X, descobertos no ano anterior.

O plano de Becquerel era trazer o sulfato de uranil de potássio para a luz do sol e, em seguida, colocá-lo em contato com placas fotográficas embrulhadas em papel preto, porque embora a luz visível não passasse, os raios-X seria. Apesar da falta de luz solar, ele decidiu passar pelo processo mesmo assim e ficou chocado ao descobrir imagens ainda gravadas na chapa fotográfica.

Testes posteriores mostraram que não eram raios-X, apesar de suas suposições. O caminho da luz não é dobrado por um campo magnético, mas o radiação do urânio foi desviada por um, e foi assim - junto com o primeiro resultado - como a radiação foi descoberta. Marie Curie cunhou o termo radioatividade e, junto com seu marido Pierre, descobriu o polônio e o rádio, identificando as fontes precisas da radioatividade.

Mais tarde, Ernest Rutherford surgiu com os termos partículas alfa, partículas beta e partículas gama para o material irradiado e o campo de física nuclear realmente começou.

Claro, as pessoas sabem muito mais sobre física nuclear agora do que na virada do século 20, e é um tópico crucial para entender e aprender para qualquer estudante de física. Quer você queira entender a natureza da energia nuclear, as forças nucleares fortes e fracas ou contribuir para áreas como a medicina nuclear, aprender o básico é essencial.

A física nuclear é essencialmente a física do núcleo, a parte do átomo que contém as duas mais conhecidas “Hadrons,” prótons e nêutrons.

Em particular, analisa as forças que operam no núcleo (a forte interação que une prótons e nêutrons no núcleo, além de manter seus componentes quarks juntos, e a interação fraca relacionada ao decaimento radioativo), e a interação de núcleos com outros partículas.

A física nuclear cobre tópicos como fusão nuclear (que se relaciona com a energia de ligação de diferentes elementos), fissão nuclear (que é a divisão de elementos pesados ​​para produzir energia), bem como a decadência radioativa e a estrutura básica e as forças em jogo no núcleo.

Existem muitas aplicações práticas no campo, incluindo (mas não se limitando a) trabalho em energia nuclear, medicina nuclear e física de alta energia.

A átomo é composto de um núcleo, que contém os prótons carregados positivamente e os nêutrons não carregados, mantidos juntos pela força nuclear forte. Eles são cercados por elétrons carregados negativamente, que formam o que é chamado de "nuvem" ao redor do núcleo, e o número de elétrons corresponde ao número de prótons em um átomo neutro.

Tem havido vários modelos do átomo propostos ao longo da história da física, incluindo a "ameixa modelo de pudim ”, modelo“ planetário ”de Rutherford e Bohr e o modelo moderno de mecânica quântica descrito acima de.

O núcleo é minúsculo, em torno de 10⁻¹⁵ m, contendo a maior parte da massa do átomo, enquanto o átomo inteiro está na ordem de 10⁻¹⁰ m. Não se deixe enganar pela notação - isso significa que o núcleo é cerca de 100.000 vezes menor do que o átomo em geral, mas contém a grande maioria da matéria. Então, o átomo é predominantemente espaço vazio!

A massa do átomo não é exatamente a mesma que a massa das partes constituintes: se você somar as massas do prótons e nêutrons, ela já excede a massa do átomo, antes mesmo de você contabilizar a massa muito menor do elétron.

Isso é chamado de "defeito de massa" do átomo, e se você converter essa diferença em energia usando a famosa equação de Einstein E = mc², você obtém a “energia de ligação” do núcleo.

Esta é a energia que você teria que colocar no sistema para dividir o núcleo em prótons e nêutrons constituintes. Essas energias são muito, muito maiores do que a energia necessária para remover um elétron de sua “órbita” ao redor do núcleo.

Os dois tipos de núcleon (isto é, partícula do núcleo) são o próton e o nêutron, e estes estão fortemente ligados no núcleo do átomo.

Embora esses sejam geralmente os núcleons sobre os quais você ouvirá falar, eles não são realmente partículas fundamentais no modelo padrão da física de partículas. O próton e o nêutron são compostos de partículas fundamentais chamadas quarks, que vêm em seis “sabores” e cada um carrega uma fração da carga de um próton ou elétron.

Um quark up tem um 2/3 e cobrar onde e é a carga de um elétron, enquanto um quark down tem um -1/3 e cobrar. Isso significa que dois quarks up e um quark down combinados produziriam uma partícula com uma carga positiva de magnitude e, que é um próton. Por outro lado, um quark up e dois quarks down produzem uma partícula sem carga total, o nêutron.

O modelo padrão cataloga todas as partículas fundamentais conhecidas atualmente e as agrupa em dois grupos principais: férmions e bósons. Fermions são subdivididos em quarks (que por sua vez produzem hádrons como prótons e nêutrons) e leptons (que incluem elétrons e neutrinos), e bósons são subdivididos em bósons calibre e escalar.

O Bóson de Higgs é o único bóson escalar conhecido até agora, com os outros bósons - o fóton, glúon, Z-bosons e C bósons - sendo bósons de calibre.

Os férmions, ao contrário dos bósons, obedecem às "leis de conservação numérica". Por exemplo, existe uma lei de conservação do número leptônico, que explica coisas como as partículas produzidas como parte da decomposição nuclear processos (porque a criação de um elétron com leptão número 1, por exemplo, tem que ser equilibrada com a criação de outra partícula com leptão número -1, como um anti-neutrino de elétron).

O número de quark também é conservado, e há outras quantidades conservadas também.

Os bósons são partículas portadoras de força e, portanto, as interações das partículas fundamentais são mediadas pelos bósons. Por exemplo, a interação de quarks é mediada por glúons e as interações eletromagnéticas são mediadas por fótons.

Embora a força eletromagnética se aplique no núcleo, as principais forças que você precisa considerar são as forças nucleares forte e fraca. A força nuclear forte é carregada por glúons, e a força nuclear fraca é carregada por C^± e a Z⁰ bósons.

Como o nome sugere, a força nuclear forte é a mais forte de todas as forças fundamentais, seguida pelo eletromagnetismo (10² vezes mais fraco), a força fraca (10⁶ vezes mais fraco) e gravidade (10⁴⁰ vezes mais fraco). A enorme diferença entre a gravidade e o resto das forças é por que os físicos essencialmente a negligenciam quando discutem a matéria no nível atômico.

A força forte precisa para ser forte para superar a repulsão eletromagnética entre os prótons carregados positivamente no núcleo - se tivesse sendo mais fraca do que a força eletromagnética, nenhum átomo com mais de um próton no núcleo seria capaz de Formato. No entanto, a força forte tem uma grande curto alcance.

Isso é importante porque mostra por que a força não é perceptível mesmo na escala de átomos inteiros ou moléculas, mas também significa que a repulsão eletromagnética se torna mais relevante para núcleos pesados ​​(ou seja, átomos maiores). Essa é uma das razões pelas quais os núcleos instáveis ​​costumam ser os dos elementos pesados.

A força fraca também tem um alcance muito curto e essencialmente faz com que os quarks mudem de sabor. Isso pode fazer com que um próton se torne um nêutron e vice-versa, e assim pode ser pensado como a causa de decadência nuclear processos como beta mais e menos decadência.

Existem três tipos de decaimento radioativo: decaimento alfa, decaimento beta e decaimento gama. Decadência alfa é quando um átomo decai liberando uma "partícula alfa", que é outro termo para um núcleo de hélio.

Existem três subtipos de decaimento beta, mas todos eles envolvem um próton se transformando em um nêutron ou vice-versa. Um decaimento beta menos é quando um nêutron se torna um próton e libera um elétron e um anti-neutrino de elétron no processo, enquanto em beta mais decaimento, um próton se torna um nêutron e libera um pósitron (ou seja, um anti-elétron) e um elétron neutrino.

Na captura de elétrons, um elétron das partes externas do átomo é absorvido pelo núcleo e um próton é convertido em um nêutron, e um neutrino é liberado do processo.

A decadência gama é uma decadência em que a energia é liberada, mas nada muda no átomo. Isso é análogo à maneira como um fóton é liberado quando um elétron faz uma transição de um estado de alta energia para um estado de baixa energia. Um núcleo excitado faz uma transição para um estado de baixa energia e emite um raio gama.

Fusão nuclear é quando dois núcleos se fundem e criam um núcleo mais pesado. É assim que a energia é gerada no sol, e fazer com que o processo ocorra na Terra para geração de energia é um dos maiores objetivos da física experimental.

O problema é que ele requer temperaturas e pressões extremamente altas e, portanto, níveis de energia muito altos. No entanto, se os cientistas conseguirem, a fusão pode se tornar uma fonte de energia vital à medida que a sociedade continua a crescer e consumimos quantidades cada vez maiores de energia.

Ficão nuclear é a divisão de um elemento pesado em dois núcleos mais leves, e é isso que alimenta a atual geração de reatores nucleares.

A fissão também é o princípio operacional das armas nucleares, um dos principais motivos pelos quais é uma área controversa. Na prática, a fissão funciona por meio de uma série de reações em cadeia. Um nêutron que cria a divisão inicial em um elemento pesado como o urânio, gera um nêutron livre adicional após a reação, que pode então causar outra divisão e assim por diante.

Essencialmente, ambos os processos ganham energia por meio do E = mc² relação, uma vez que a fusão ou divisão de átomos envolve uma liberação de energia da "massa ausente".

Há uma grande variedade de aplicações da física nuclear. Notavelmente, reatores nucleares e usinas nucleares estão operacionais em muitos países ao redor do mundo, e muitos físicos estão trabalhando em projetos novos e mais seguros.

Por exemplo, alguns projetos de reatores nucleares visam garantir que o material de origem não possa ser usado para criar armas nucleares, que requerem uma fonte muito mais enriquecida de urânio (ou seja, um urânio "mais puro") para operar.

Medicina nuclear é outra área importante para a física nuclear. A medicina nuclear envolve quantidades muito pequenas de material radioativo administrado ao paciente e, em seguida, detectores são usados ​​para capturar imagens da radiação emitida. Isso ajuda os médicos a diagnosticar doenças renais, tireoidianas, cardíacas e outras.

Claro, existem muitas outras áreas onde a física nuclear é essencialmente, incluindo física de alta energia e partículas aceleradores como o CERN e astrofísica, onde muitos dos processos dominantes em estrelas dependem fortemente de física.