Ядерная и атомная (физика): руководство для студентов для начинающих

И атомная, и ядерная физика описывают физику очень малого. При работе с такими маленькими объектами ваша интуиция, основанная на понимании классической механики, часто дает сбой. Это область квантовой механики, короткодействующих ядерных сил, электромагнитного излучения и стандартной модели физики элементарных частиц.

Атомная физика - это раздел физики, который занимается структурой атома, соответствующими энергетическими состояниями и взаимодействием атома с частицами и полями. Напротив, ядерная физика фокусируется конкретно на том, что происходит внутри атомного ядра, что более подробно описано в следующем разделе.

Есть несколько предметов изучения физики элементарных частиц. Прежде всего, это строение самого атома. Атомы состоят из сильно связанного ядра, содержащего протоны и нейтроны, и диффузного электронного облака.

Учитывая, что ядро ​​обычно порядка 10^-15 до 10^-14 м в диаметре, а сами атомы порядка 10^-10 м в диаметре (а размер электронов ничтожно мал), оказывается, что атомы в основном представляют собой пустое пространство. Конечно, они не кажутся такими, как есть, и вся материя, состоящая из атомов, определенно ощущается как субстанция.

Причина, по которой атомы не кажутся в основном пустым пространством, заключается в том, что вы тоже состоите из атомов, и все атомы взаимодействуют с электромагнитной энергией. Хотя ваша рука, состоящая в основном из атомов пустого пространства, прижимается к столу, также состоящему в основном из пустое пространство, он не проходит через стол из-за электромагнитных сил между атомами, когда они входят контакт.

Однако нейтрино, частица, которая не взаимодействует с электромагнитной силой, способна проходить через большую часть атомного материала практически незамеченной. Фактически, 100 триллионов нейтрино проходят через ваше тело каждую секунду!

Атомы классифицируются по атомным номерам в периодической таблице. Атомный номер - это количество протонов, которые атом содержит в своем ядре. Это число определяет элемент.

Хотя данный элемент всегда будет иметь одинаковое количество протонов, он может содержать разное количество нейтронов. Различные изотопы элемента содержат разное количество нейтронов. Некоторые изотопы более стабильны, чем другие (что означает меньшую вероятность спонтанного распада на что-то другое), и эта стабильность обычно зависит от количества нейтронов, поэтому для большинства элементов большинство атомов имеют тенденцию быть одного определенного изотоп.

Количество электронов в атоме определяет, ионизирован он или заряжен. Нейтральный атом содержит такое же количество электронов, что и протоны, но иногда атомы могут приобретать или терять электроны и становиться заряженными. Насколько легко атом получает или теряет электроны, зависит от его электронной орбитальной структуры.

Атом водорода - простейший атом, содержащий в своем ядре только один протон. Тремя наиболее стабильными изотопами водорода являются протий (не содержащий нейтронов), дейтерий (содержащий один нейтрон) и тритий (содержащий два нейтрона), причем протий является наиболее распространенным.

На протяжении многих лет предлагались различные модели атома, что привело к нынешней модели. Ранние работы были выполнены Эрнестом Резерфордом, Нильсом Бором и другими.

Как уже упоминалось, атомы взаимодействуют с электромагнитной силой. Протоны в атоме несут положительный заряд, а электроны - отрицательный. Электроны в атоме могут поглощать электромагнитное излучение и в результате достигать более высокого энергетического состояния или испускать излучение и переходить в более низкое энергетическое состояние.

Одним из ключевых свойств этого поглощения и испускания излучения является то, что атомы поглощают и испускают излучение только с очень конкретными квантованными значениями. И для каждого типа атома эти конкретные значения различаются.

Горячий газ из атомарного материала будет излучать излучение на очень определенных длинах волн. Если свет, исходящий от этого газа, пропустить через спектроскоп, который распределяет свет по спектру по длине волны (как радуга), появятся отчетливые линии излучения. Набор эмиссионных линий, идущих от газа, можно прочитать почти как штрих-код, сообщающий вам, какие именно атомы находятся в газе.

Точно так же, если непрерывный спектр света падает на холодный газ, и свет, который проходит через этот газ, тогда пропущенный через спектроскоп, вы увидите непрерывный спектр с темными промежутками на определенных длинах волн, которые газ впитывается. Этот спектр поглощения будет выглядеть как инверсия спектра излучения: темные линии появятся вместо ярких линий того же газа. Таким образом, его также можно прочитать как штрих-код, сообщающий вам состав газа. Астрономы все время используют это для определения состава вещества в космосе.

Ядерная физика фокусируется на атомном ядре, ядерных реакциях и взаимодействии ядра с другими частицами. Среди других тем он исследует радиоактивный распад, ядерный синтез и деление ядер, а также энергию связи.

Ядро содержит плотно связанный сгусток протонов и нейтронов. Однако это не элементарные частицы. Протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварки.

Кварки - это частицы с дробным зарядом и несколько глупыми названиями. Они бывают шести так называемых вкусов: верхний, нижний, верхний, нижний, странный и очаровательный. Нейтрон состоит из двух нижних кварков и нижнего кварка, а протон состоит из двух верхних кварков и нижнего кварка. Кварки в каждом нуклоне прочно связаны сильным ядерным взаимодействием.

Сильное ядерное взаимодействие обеспечивается частицами, называемыми глюоны. Вы чувствуете тему? Ученые очень повеселились, давая названия этим частицам! Глюоны, конечно, «склеивают» кварки. Сильное ядерное взаимодействие действует только на очень коротком расстоянии - на расстоянии, сравнимом с диаметром ядра среднего размера.

Каждый изолированный нейтрон имеет массу 1,6749275 × 10^-27 кг, а каждый изолированный протон имеет массу 1,6726219 × 10^-27 кг; однако, когда атомная масса связана вместе в атомном ядре, она не является суммой составляющих ее частей из-за того, что называется энергией связи.

Становясь прочно связанными, нуклоны достигают более низкого энергетического состояния в результате того, что часть общей массы, которую они имели, как отдельные частицы, преобразовывались в энергию. Эта разница масс, которая преобразуется в энергию, называется энергией связи ядра. Отношение, описывающее, сколько энергии соответствует данному количеству массы, - это знаменитая теория Эйнштейна. E = mc² уравнение где м масса, c это скорость света и E это энергия.

Связанное с этим понятие - энергия связи на нуклон, которая представляет собой полную энергию связи ядра, усредненную по его составным частям. Энергия связи на нуклон - хороший индикатор того, насколько стабильно ядро. Низкая энергия связи на нуклон указывает на то, что для этого может существовать более благоприятное состояние с более низкой полной энергией. определенное ядро, что означает, что оно, вероятно, захочет либо разделиться, либо слиться с другим ядром при надлежащем условия.

В общем, ядра легче ядер железа имеют тенденцию к достижению более низких энергетических состояний и более высокой энергии связи на нуклон за счет слияния с другими ядрами, в то время как ядра, которые тяжелее железа, имеют тенденцию достигать более низких энергетических состояний, распадаясь на более легкие ядра. Процессы, с помощью которых происходят эти изменения, описаны в следующем разделе.

Основное внимание ядерной физики уделяется изучению деления, синтеза и распада атомных ядер. Все эти процессы обусловлены фундаментальным представлением о том, что все частицы предпочитают состояния с более низкой энергией.

Деление происходит, когда тяжелое ядро ​​распадается на более мелкие ядра. Очень тяжелые ядра более склонны к этому, потому что они имеют меньшую энергию связи на нуклон. Как вы, возможно, помните, то, что происходит в атомном ядре, регулируют несколько сил. Сильное ядерное взаимодействие плотно связывает нуклоны вместе, но это сила очень короткого действия. Так что для очень больших ядер он менее эффективен.

Положительно заряженные протоны в ядре также отталкиваются друг от друга посредством электромагнитной силы. Это отталкивание должно быть преодолено сильной ядерной силой, а также может быть опосредовано наличием достаточного количества нейтронов. Но чем больше ядро, тем менее благоприятен баланс сил для стабильности.

Следовательно, более крупные ядра имеют тенденцию разделяться либо посредством процессов радиоактивного распада, либо посредством реакций деления, таких как те, которые происходят в ядерных реакторах или бомбах деления.

Слияние происходит, когда два более легких ядра достигают более благоприятного энергетического состояния путем объединения в более тяжелое ядро. Однако для того, чтобы произошло деление, рассматриваемые ядра должны подойти достаточно близко друг к другу, чтобы сильное ядерное взаимодействие могло взять верх. Это означает, что они должны двигаться достаточно быстро, чтобы преодолеть электрическое отталкивание.

Ядра быстро перемещаются при экстремальных температурах, поэтому это условие часто требуется. Вот как может происходить ядерный синтез в чрезвычайно горячем ядре Солнца. По сей день ученые все еще пытаются найти способ осуществить холодный синтез, то есть синтез при более низких температурах. Поскольку энергия высвобождается в процессе синтеза и не оставляет радиоактивных отходов, как это обычно делают реакторы деления, это было бы невероятным энергетическим ресурсом, если бы оно было реализовано.

Радиоактивный распад - обычное средство, с помощью которого ядра претерпевают изменения, чтобы стать более стабильными. Существует три основных типа распада: альфа-распад, бета-распад и гамма-распад.

При альфа-распаде радиоактивное ядро ​​высвобождает альфа-частицу (ядро гелия-4) и в результате становится более стабильным. Бета-распад бывает нескольких разновидностей, но по сути является результатом превращения нейтрона в протон или превращения протона в нейтрон и высвобождения β^- или же β⁺ частица (электрон или позитрон). Гамма-распад происходит, когда ядро ​​в возбужденном состоянии выделяет энергию в виде гамма-лучей, но сохраняет общее количество нейтронов и протонов.

Изучение ядерной физики распространяется на более широкую область физики элементарных частиц, цель которой - понять работу всех элементарных частиц. В стандартной модели частицы классифицируются на фермионы и бозоны, а затем фермионы классифицируются на кварки и лептоны, а бозоны - на калибровочные и скалярные бозоны.

Бозоны не подчиняются законам сохранения чисел, в отличие от фермионов. Помимо других сохраняющихся величин, существует также закон сохранения как для лептонного, так и для кваркового числа. Взаимодействие элементарных частиц осуществляется бозонами, несущими энергию.

Применения ядерной и атомной физики многочисленны. Ядерные реакторы на атомных электростанциях создают чистую энергию, используя энергию, выделяемую в процессе деления. Ядерная медицина использует радиоактивные изотопы для визуализации. Астрофизики используют спектроскопию для определения состава далеких туманностей. Магнитно-резонансная томография позволяет врачам создавать подробные изображения внутренних органов своих пациентов. Даже в рентгеновских технологиях используется ядерная физика.