Nucleare și atomice (fizică): un ghid pentru începători pentru studenți

Atât fizica atomică, cât și cea nucleară descriu fizica celor mici. Când lucrați cu astfel de obiecte mici, intuiția dvs. construită din înțelegerea mecanicii clasice eșuează adesea. Acesta este tărâmul mecanicii cuantice, al forțelor nucleare cu rază scurtă de acțiune, al radiației electromagnetice și al modelului standard al fizicii particulelor.

Fizica atomică este ramura fizicii care se ocupă cu structura atomului, stările de energie asociate și interacțiunea atomului cu particulele și câmpurile. În schimb, fizica nucleară se concentrează în mod specific asupra mersului din interiorul nucleului atomic, care este descris mai detaliat în secțiunea următoare.

Există mai multe articole de studiu în fizica particulelor. În primul rând este structura atomului în sine. Atomii constau dintr-un nucleu strâns legat, care conține protoni și neutroni, și un nor difuz de electroni.

Având în vedere că nucleul este de obicei de ordinul 10^-15 la 10^-14 m în diametru, iar atomii înșiși sunt de ordinul 10

Motivul pentru care atomii nu par a fi în mare parte spațiu gol este că și voi sunteți compuși din atomi și toți atomii interacționează cu energia electromagnetică. Chiar dacă mâna ta, care este alcătuită în mare parte din atomi cu spații goale, se apasă pe o masă, alcătuită și din cea mai mare parte spațiu gol, nu trece prin masă din cauza forțelor electromagnetice dintre atomi pe măsură ce intră a lua legatura.

Cu toate acestea, neutrino, o particulă care nu interacționează cu forța electromagnetică, este capabilă să treacă prin majoritatea materialului atomic practic nedetectat. De fapt, 100 de trilioane de neutrini trec prin corpul tău în fiecare secundă!

Atomii sunt clasificați după numărul atomic în tabelul periodic. Numărul atomic este numărul de protoni pe care atomul îi conține în nucleul său. Acest număr definește elementul.

În timp ce un anumit element va avea întotdeauna același număr de protoni, el poate conține un număr diferit de neutroni. Diferitii izotopi ai unui element conțin un număr diferit de neutroni. Unii izotopi sunt mai stabili decât alții (ceea ce înseamnă că este mai puțin probabil să se descompună spontan în altceva), iar această stabilitate depinde de obicei de numărul de neutroni, motiv pentru care, pentru majoritatea elementelor, majoritatea atomilor tind să fie de un anumit izotop.

Numărul de electroni pe care îi conține un atom determină dacă este ionizat sau încărcat. Un atom neutru conține același număr de electroni ca și protoni, dar uneori atomii pot câștiga sau pierde electroni și deveni încărcați. Cât de ușor câștigă sau pierde un atom de electroni depinde de structura orbitală a acestuia.

Atomul de hidrogen este cel mai simplu atom, conținând un singur proton în nucleul său. Cei trei izotopi cei mai stabili ai hidrogenului sunt protiul (care nu conține neutroni), deuteriul (care conține un neutron) și tritiul (care conține doi neutroni), protiul fiind cel mai abundent.

Diferite modele de atom au fost propuse de-a lungul anilor, ducând la modelul actual. Munca timpurie a fost făcută de Ernest Rutherford, Niels Bohr și alții.

După cum sa menționat, atomii interacționează cu forța electromagnetică. Protonii dintr-un atom poartă sarcină pozitivă, iar electronii poartă sarcină negativă. Electronii din atom pot absorbi radiațiile electromagnetice și, prin urmare, pot obține o stare de energie mai mare sau pot emite radiații și se pot deplasa la o stare de energie mai mică.

O proprietate cheie a acestei absorbții și emisii de radiații este aceea că atomii absorb și emit radiații numai la valori cuantificate foarte specifice. Și pentru fiecare tip diferit de atom, acele valori specifice sunt diferite.

Un gaz fierbinte din material atomic va emite radiații la lungimi de undă foarte specifice. Dacă lumina care vine de la acest gaz este trecută printr-un spectroscop, care răspândește lumina într-un spectru de lungimea de undă (ca un curcubeu), vor apărea linii de emisie distincte. Setul de linii de emisie care provin din gaz poate fi citit aproape ca un cod de bare care vă spune exact ce atomi sunt în gaz.

În mod similar, dacă un spectru continuu de lumină este incident pe un gaz rece, iar lumina care trece prin acel gaz este atunci trecut printr-un spectroscop, veți vedea un spectru continuu cu goluri întunecate la lungimile de undă specifice pe care le are gazul absorbit. Acest spectru de absorbție va arăta ca inversul spectrului de emisie, liniile întunecate apărând acolo unde erau liniile luminoase pentru același gaz. Ca atare, poate fi citit și ca un cod de bare care vă spune compoziția gazului. Astronomii folosesc acest lucru tot timpul pentru a determina compoziția materialului în spațiu.

Fizica nucleară se concentrează pe nucleul atomic, reacțiile nucleare și interacțiunea nucleului cu alte particule. Acesta explorează dezintegrarea radioactivă, fuziunea nucleară și fisiunea nucleară și energia obligatorie, printre alte subiecte.

Nucleul conține o aglomerare strâns legată de protoni și neutroni. Cu toate acestea, acestea nu sunt particule fundamentale. Protonii și neutronii sunt compuși din particule încă mai mici numite quarks.

Quarcurile sunt particule cu sarcină fracționată și nume oarecum prostești. Ele vin în șase așa-numite arome: sus, jos, sus, jos, ciudat și farmec. Un neutron este alcătuit din doi quarks descendenți și un quark ascendent, iar un proton este format din doi quark ascendenți și un quark descendent. Cuarcii din fiecare nucleon sunt strâns legați de forța nucleară puternică.

Forța nucleară puternică este mediată de particulele numite gluoni. Simțiți o temă? Oamenii de știință s-au distrat mult numind aceste particule! Gluonii, desigur, „lipesc” quark-urile împreună. Forța nucleară puternică acționează doar la un interval foarte scurt - la o distanță comparabilă cu diametrul nucleului de dimensiuni medii.

Fiecare neutron izolat are o masă de 1,6749275 × 10^-27 kg și fiecare proton izolat are o masă de 1,6726219 × 10^-27 kg; cu toate acestea, atunci când este legată împreună într-un nucleu atomic, masa atomică nu este suma părților sale constitutive datorită a ceva numit energie de legare.

Devenind strâns legați, nucleonii obțin o stare de energie mai mică ca urmare a transformării în energie a unei părți din masa totală pe care o aveau ca particule individuale. Această diferență de masă care este convertită în energie se numește energia de legare a nucleului. Relația care descrie câtă energie corespunde unei cantități date de masă este faimoasa lui Einstein E = mc² ecuație unde m este masa, c este viteza luminii și E este energia.

Un concept înrudit este energia de legare pe nucleon, care este energia totală de legare a unui nucleu calculată în medie pe părțile sale constitutive. Energia de legare pe nucleon este un bun indicator al cât de stabil este un nucleu. O energie de legare scăzută pe nucleon indică faptul că ar putea exista o stare mai favorabilă de energie totală mai mică un anumit nucleu, ceea ce înseamnă că probabil va dori fie să se despartă, fie să fuzioneze cu un alt nucleu sub dreptul condiții.

În general, nucleii mai ușori decât nucleii de fier tind să obțină stări de energie mai mici și o energie de legare mai mare pe nucleon, prin fuzionarea cu alți nuclei, în timp ce nucleele care sunt mai grele decât fierul tind să obțină stări de energie mai mici prin separarea în brichetă nuclee. Procesele prin care apar aceste modificări sunt descrise în secțiunea următoare.

Accentul principal al fizicii nucleare este studierea fisiunii, fuziunii și degradării nucleelor ​​atomice. Aceste procese sunt toate conduse de o noțiune fundamentală conform căreia toate particulele preferă stări de energie mai mici.

Fisiunea apare atunci când un nucleu greu se separă în nuclee mai mici. Nucleii foarte grei sunt mai predispuși să facă acest lucru, deoarece au o energie de legare mai mică pe nucleon. După cum vă amintiți, există câteva forțe care guvernează ceea ce se întâmplă într-un nucleu atomic. Forța nucleară puternică leagă strâns nucleonii împreună, dar este o forță cu rază de acțiune foarte scurtă. Deci, pentru nucleele foarte mari, este mai puțin eficient.

De asemenea, protonii încărcați pozitiv din nucleu se resping reciproc prin forța electromagnetică. Această respingere trebuie să fie depășită de forța nucleară puternică și poate fi, de asemenea, mediată de faptul că există suficienți neutroni în jur. Dar cu cât nucleul este mai mare, cu atât echilibrul forței este mai puțin favorabil pentru stabilitate.

Prin urmare, nucleele mai mari tind să se despartă fie prin procese de dezintegrare radioactivă, fie prin reacții de fisiune, cum ar fi cele care apar în reactoarele nucleare sau bombele de fisiune.

Fuziunea apare atunci când doi nuclei mai ușori ating o stare de energie mai favorabilă prin combinarea într-un nucleu mai greu. Cu toate acestea, pentru ca fisiunea să se producă, nucleele în cauză trebuie să se apropie suficient unul de altul, astfel încât forța nucleară puternică să poată prelua. Aceasta înseamnă că trebuie să se deplaseze suficient de repede, astfel încât să poată depăși repulsia electrică.

Nucleele se mișcă rapid la temperaturi extreme, astfel încât această condiție este adesea necesară. Acesta este modul în care fuziunea nucleară poate avea loc în nucleul extrem de fierbinte al soarelui. Până în prezent, oamenii de știință încă încearcă să găsească o modalitate de a face să se producă fuziunea la rece - adică fuziunea la temperaturi mai mici. Deoarece energia este eliberată în procesul de fuziune și nu lasă deșeurile radioactive așa cum au tendința reactoarelor de fisiune, ar fi o resursă energetică incredibilă dacă ar fi atinsă.

Dezintegrarea radioactivă este un mijloc comun prin care nucleele suferă modificări pentru a deveni mai stabile. Există trei tipuri principale de descompunere: decăderea alfa, decăderea beta și decăderea gamma.

În decăderea alfa, un nucleu radioactiv eliberează o particulă alfa (un nucleu de heliu-4) și, prin urmare, devine mai stabil. Dezintegrarea beta apare în câteva soiuri, dar în esență rezultă fie din faptul că un neutron devine proton, fie un proton devine neutron și eliberează un β^- sau β⁺ particula (un electron sau un pozitron). Dezintegrarea gamma apare atunci când un nucleu într-o stare excitată eliberează energie sub formă de raze gamma, dar își menține numărul total de neutroni și protoni.

Studiul fizicii nucleare se extinde în domeniul mai larg al fizicii particulelor, care își propune să înțeleagă funcționarea tuturor particulelor fundamentale. Modelul standard clasifică particulele în fermioni și bosoni, apoi clasifică în continuare fermionii în quark și leptoni, iar bosonii în bosoni gauge și scalari.

Bosonii nu respectă legile privind conservarea numărului, dar fermionii o fac. Există, de asemenea, o lege a conservării atât pentru lepton cât și pentru numerele de quark, în plus față de alte cantități conservate. Interacțiunile particulelor fundamentale sunt mediate de bosonii purtători de energie.

Aplicațiile fizicii nucleare și atomice sunt abundente. Reactoarele nucleare din centralele nucleare creează energie curată prin valorificarea energiei eliberate în timpul proceselor de fisiune. Medicina nucleară folosește izotopi radioactivi pentru imagistică. Astrofizicienii folosesc spectroscopia pentru a determina compoziția nebuloaselor îndepărtate. Imagistica prin rezonanță magnetică permite medicilor să creeze imagini detaliate ale interiorului pacienților lor. Chiar și tehnologia cu raze X utilizează fizica nucleară.