Fizica nucleară: ce este, cine a descoperit-o și de ce este importantă?

Câteva zile înnorate la Paris din 1896 au „ruinat” experimentul lui Henri Becquerel, dar în acest proces s-a născut domeniul fizicii nucleare. Becquerel își dovedea ipoteza că uraniul a absorbit lumina soarelui și l-a iradiat sub formă de raze X, care fusese descoperită în anul precedent.

Planul lui Becquerel era să aducă sulfatul de uranil de potasiu în lumina soarelui și apoi să îl aducă în contact cu plăci fotografice înfășurate în hârtie neagră, deoarece, deși lumina vizibilă nu ar trece, raze X ar. În ciuda lipsei de lumina soarelui, el a decis să treacă oricum prin proces și a fost șocat când a descoperit imagini încă înregistrate pe placa fotografică.

Testele ulterioare au arătat că nu sunt deloc raze X, în ciuda presupunerilor sale. Calea luminii nu este îndoită de un câmp magnetic, ci de radiații din uraniu a fost deviată de unul, iar acesta - împreună cu primul rezultat - a fost modul în care s-a descoperit radiația. Marie Curie a inventat termenul de radioactivitate și, împreună cu soțul ei Pierre, au descoperit poloniul și radiul, fixând sursele precise ale radioactivității.

Mai târziu, Ernest Rutherford a venit cu termenii de particule alfa, particule beta și particule gamma pentru materialul radiat și câmpul de fizica nucleara chiar am început.

Desigur, oamenii știu acum mult mai multe despre fizica nucleară decât știau la începutul secolului al XX-lea și este un subiect crucial de înțeles și învățat pentru orice student la fizică. Fie că doriți să înțelegeți natura energiei nucleare, forțele nucleare puternice și slabe sau să contribuiți la domenii precum medicina nucleară, învățarea elementelor de bază este esențială.

Fizica nucleară este în esență fizica nucleului, partea atomului care conține cele două cele mai cunoscute „Hadroni” protoni și neutroni.

În special, analizează forțele care operează în nucleu (interacțiunea puternică care leagă protoni și neutroni împreună în nucleu, precum și menținerea componentei lor quarks împreună și interacțiunea slabă legată de dezintegrarea radioactivă) și interacțiunea nucleelor ​​cu altele particule.

Fizica nucleară acoperă subiecte precum fuziunea nucleară (care se referă la energia de legare a diferitelor elemente), fisiunea nucleară (care este divizarea elementelor grele pentru a produce energie), precum și decăderea radioactivă și structura și forțele de bază în joc în nucleu.

Există multe aplicații practice ale domeniului, inclusiv (dar nu limitat la) lucrul în energia nucleară, medicina nucleară și fizica energiei înalte.

Un atom este compus dintr-un nucleu, care conține protonii încărcați pozitiv și neutronii neîncărcați, ținuți împreună de forța nucleară puternică. Aceștia sunt înconjurați de electroni încărcați negativ, care formează ceea ce se numește „nor” în jurul nucleului, iar numărul de electroni se potrivește cu numărul de protoni dintr-un atom neutru.

Au existat numeroase modele de atom propuse de-a lungul istoriei fizicii, inclusiv „prunul” lui Thomson modelul „budincă”, modelul „planetar” al lui Rutherford și Bohr și modelul mecanic cuantic modern descris de mai sus.

Nucleul este mic, în jur de 10⁻¹⁵ m, care conține cea mai mare parte a masei atomului, în timp ce întregul atom este de ordinul 10⁻¹⁰ m. Nu lăsați notația să vă păcălească - acest lucru înseamnă că nucleul este de aproximativ 100.000 de ori mai mic decât atomul în general, dar conține marea majoritate a problemei. Deci atomul este predominant spațiu gol!

Masa atomului nu este exact aceeași cu masa părților constitutive: Dacă adăugați masele protoni și neutroni, depășește deja masa atomului, înainte de a lua în considerare chiar masa mult mai mică a electron.

Aceasta se numește „defectul de masă” al atomului și dacă convertești această diferență în energie folosind celebra ecuație a lui Einstein E = mc², obțineți „energia de legare” a nucleului.

Aceasta este energia pe care ar trebui să o puneți în sistem pentru a împărți nucleul în protoni și neutroni constituenți. Aceste energii sunt mult, mult mai mari decât energia necesară pentru a îndepărta un electron de pe „orbita” sa din jurul nucleului.

Cele două tipuri de nucleon (adică particula nucleului) sunt protonul și neutronul, iar acestea sunt strâns legate între ele în nucleul atomului.

Deși acestea sunt în general nucleonii de care veți auzi, nu sunt de fapt particule fundamentale în modelul standard de fizică a particulelor. Protonul și neutronul sunt compuse din particule fundamentale numite quarks, care vin în șase „arome” și fiecare poartă o fracțiune din sarcina unui proton sau a unui electron.

Un quark up are 2/3 e taxa, unde e este încărcătura unui electron, în timp ce un quark are o -1 -1 / 3 e încărca. Acest lucru înseamnă că doi quark în sus și un quark în jos combinat ar produce o particulă cu o sarcină pozitivă de mărime e, care este un proton. Pe de altă parte, un quark ascendent și doi quark descendent produc o particulă fără sarcină totală, neutronul.

Modelul standard catalogează toate particulele fundamentale cunoscute în prezent și le grupează în două grupe principale: fermioni și bosoni. Fermiuni sunt împărțite în quarks (care la rândul lor produc hadroni precum protoni și neutroni) și leptoni (care includ electroni și neutrini) și bosoni sunt împărțite în bosoni gauge și scalari.

Bosonul Higgs este singurul boson scalar cunoscut până acum, cu ceilalți bosoni - fotonul, gluonul, Z-bosoni și W bosoni - fiind bosoni ecartamentali.

Fermiunile, spre deosebire de bosoni, respectă „legile de conservare a numărului”. De exemplu, există o lege a conservării numărului de lepton, care explică lucruri precum particulele produse ca parte a degradării nucleare procese (deoarece crearea unui electron cu leptonul numărul 1, de exemplu, trebuie să fie echilibrată cu crearea unei alte particule cu numărul leptonului -1, cum ar fi un electron anti-neutrino).

Numărul de quark este, de asemenea, conservat și există și alte cantități conservate.

Bosonii sunt particule purtătoare de forță, astfel încât interacțiunile particulelor fundamentale sunt mediate de bosoni. De exemplu, interacțiunea quarkurilor este mediată de gluoni, iar interacțiunile electromagnetice sunt mediate de fotoni.

Deși forța electromagnetică se aplică în nucleu, principalele forțe pe care trebuie să le luați în considerare sunt forțele nucleare puternice și slabe. Forța nucleară puternică este purtată de gluoni, iar forța nucleară slabă este purtată de W^± si Z⁰ bosoni.

După cum sugerează și numele, forța nucleară puternică este cea mai puternică dintre toate forțele fundamentale, urmată de electromagnetism (10² ori mai slabă), forța slabă (10⁶ ori mai slabă) și gravitația (10⁴⁰ ori mai slab). Diferența uriașă dintre gravitație și restul forțelor este motivul pentru care fizicienii o neglijează în mod esențial atunci când discută despre materie la nivel atomic.

Forța puternică are nevoie a fi puternic pentru a depăși repulsia electromagnetică dintre protonii încărcați pozitiv din nucleu - dacă ar fi avut fiind mai slabi decât forța electromagnetică, niciun atom cu mai mult de un proton în nucleu nu ar fi fost capabil formă. Cu toate acestea, forța puternică are o foarte raza scurta.

Acest lucru este important, deoarece arată de ce forța nu este vizibilă nici măcar la scara atomilor întregi sau molecule, dar înseamnă, de asemenea, că repulsia electromagnetică devine mai relevantă pentru nucleele grele (adică atomi mai mari). Acesta este unul dintre motivele pentru care nucleele instabile sunt adesea cele ale elementelor grele.

Forța slabă are, de asemenea, o rază de acțiune foarte scurtă și, în esență, provoacă quarksul să schimbe aroma. Acest lucru poate face ca un proton să devină neutron și invers și, prin urmare, poate fi considerat ca fiind cauza descompunerea nucleară procese precum beta plus și minus decay.

Există trei tipuri de dezintegrare radioactivă: decăderea alfa, decăderea beta și decăderea gamma. Dezintegrarea alfa este atunci când un atom se descompune prin eliberarea unei „particule alfa”, care este un alt termen pentru un nucleu de heliu.

Există trei subtipuri de dezintegrare beta, dar toate implică un proton care se transformă într-un neutron sau invers. O descompunere beta minus este atunci când un neutron devine proton și eliberează un electron și un electron anti-neutrino în proces, în timp ce se află în declin beta, un proton devine neutron și eliberează un pozitron (adică un anti-electron) și un electron neutrino.

În captarea electronilor, un electron din părțile exterioare ale atomului este absorbit în nucleu și un proton este transformat într-un neutron și un neutrino este eliberat din proces.

Dezintegrarea gamma este o decădere în care energia este eliberată, dar nimic în atom nu se schimbă. Acest lucru este analog modului în care un foton este eliberat atunci când un electron face o tranziție de la o stare cu energie ridicată la o stare cu energie scăzută. Un nucleu excitat face o tranziție la o stare cu energie scăzută și emite o rază gamma așa cum o face.

Fuziune nucleară este atunci când doi nuclei fuzionează și creează un nucleu mai greu. Acesta este modul în care energia este generată la soare, iar obținerea procesului pe Pământ pentru generarea de energie este unul dintre cele mai mari obiective pentru fizica experimentală.

Problema este că necesită presiuni și temperaturi extrem de ridicate și, prin urmare, niveluri de energie foarte ridicate. Cu toate acestea, dacă oamenii de știință o vor realiza, fuziunea ar putea deveni o sursă vitală de energie pe măsură ce societatea continuă să crească și consumăm cantități tot mai mari de energie.

Fisiune nucleara este împărțirea unui element greu în două nuclee mai ușoare și aceasta este cea care alimentează generația actuală de reactoare nucleare.

Fisiunea este, de asemenea, principiul de funcționare al armelor nucleare, care este unul dintre principalele motive pentru care este un domeniu controversat. În practică, fisiunea funcționează printr-o serie de reacții în lanț. Un neutron care creează scindarea inițială într-un element greu precum uraniul, generează un nou neutron liber după reacție, care poate continua să provoace o altă scindare și așa mai departe.

În esență, ambele procese câștigă energie prin E = mc² relație, deoarece fuzionarea sau divizarea atomilor implică o eliberare de energie din „masa lipsă”.

Există o gamă largă de aplicații ale fizicii nucleare. În special, reactoarele nucleare și centralele nucleare sunt operaționale în multe țări din întreaga lume, iar mulți fizicieni lucrează la concepții noi și mai sigure.

De exemplu, unele proiecte de reactoare nucleare urmăresc să se asigure că materialul sursă nu poate fi folosit creați arme nucleare, care necesită o sursă de uraniu mult mai îmbogățită (adică un uraniu „mai pur”) pentru a functiona.

Medicina nucleara este un alt domeniu important pentru fizica nucleară. Medicina nucleară presupune administrarea de către pacient a unor cantități foarte mici de material radioactiv, iar apoi se folosesc detectoare pentru a capta imagini din radiațiile emise. Acest lucru îi ajută pe medici să diagnosticheze rinichii, tiroida, inima și alte afecțiuni.

Desigur, există multe alte domenii în care fizica nucleară este în esență, inclusiv fizica cu energie ridicată și particulele acceleratoare precum CERN și astrofizică, unde multe dintre procesele dominante din stele depind în mare măsură de nuclear fizică.