Atómová aj jadrová fyzika popisujú fyziku veľmi malých. Pri práci s takými malými objektmi často zlyháva vaša intuícia postavená na porozumení klasickej mechaniky. Toto je oblasť kvantovej mechaniky, jadrových síl krátkeho dosahu, elektromagnetického žiarenia a štandardného modelu fyziky častíc.
Čo je to atómová fyzika?
Atómová fyzika je odvetvie fyziky, ktoré sa zaoberá štruktúrou atómu, súvisiacimi energetickými stavmi a interakciou atómu s časticami a poľami. Naproti tomu sa jadrová fyzika zameriava osobitne na vývoj vo vnútri atómového jadra, ktorý je podrobnejšie popísaný v nasledujúcej časti.
Existuje niekoľko študijných predmetov v časticovej fyzike. Najdôležitejšia je štruktúra samotného atómu. Atómy sa skladajú z pevne viazaného jadra, ktoré obsahuje protóny a neutróny, a z difúzneho elektrónového mraku.
Vzhľadom na to, že jadro je zvyčajne rádovo 10-15 do 10-14 m v priemere a samotné atómy sú rádovo 10-10 m v priemere (a veľkosť elektrónov je zanedbateľná), ukazuje sa, že atómy sú väčšinou prázdnym priestorom. Samozrejme, že sa nezdajú byť také a všetka hmota tvorená atómami sa určite cíti ako podstata.
Dôvodom, prečo sa zdá, že atómy nie sú väčšinou prázdnym priestorom, je to, že ste tiež vyrobené z atómov a všetky atómy interagujú s elektromagnetickou energiou. Aj keď vaša ruka, ktorú tvoria väčšinou atómy prázdneho priestoru, tlačí na stôl, tiež väčšinou tvorený prázdny priestor, neprechádza cez stôl kvôli elektromagnetickým silám medzi atómami pri ich vstupe kontakt.
Neutríno, častica, ktorá neinteraguje s elektromagnetickou silou, je však schopná prechádzať väčšinou atómového materiálu prakticky nezistená. V skutočnosti vašim telom prejde každú sekundu 100 biliónov neutrín!
Atómová klasifikácia
Atómy sú v periodickej tabuľke klasifikované podľa atómového čísla. Atómové číslo je počet protónov, ktoré atóm obsahuje vo svojom jadre. Toto číslo definuje prvok.
Aj keď daný prvok bude mať vždy rovnaký počet protónov, môže obsahovať rôzny počet neutrónov. Rôzne izotopy prvku obsahujú rozdielny počet neutrónov. Niektoré izotopy sú stabilnejšie ako iné (to znamená, že je menej pravdepodobné, že sa spontánne rozpadnú na niečo iné), a táto stabilita zvyčajne závisí od počtu neutrónov, a preto pre väčšinu prvkov býva väčšina atómov jedného špecifického izotop.
Počet elektrónov, ktoré atóm obsahuje, určuje, či je ionizovaný alebo nabitý. Neutrálny atóm obsahuje rovnaký počet elektrónov ako protóny, ale niekedy môžu atómy získať alebo stratiť elektróny a nabiť ich. To, ako ľahko atóm získa alebo stratí elektróny, závisí od jeho elektrónovej orbitálnej štruktúry.
Atóm vodíka je najjednoduchší atóm obsahujúci v jadre iba jeden protón. Tri najstabilnejšie izotopy vodíka sú protium (neobsahujúce neutróny), deutérium (obsahujúce jeden neutrón) a trícium (obsahujúce dva neutróny), pričom najviac sa vyskytuje protium.
V priebehu rokov boli navrhnuté rôzne modely atómu, ktoré viedli k súčasnému modelu. Skorú prácu vykonali Ernest Rutherford, Niels Bohr a ďalší.
Absorpčné a emisné spektrum
Ako už bolo spomenuté, atómy interagujú s elektromagnetickou silou. Protóny v atóme nesú kladný náboj a elektróny záporný náboj. Elektróny v atóme môžu absorbovať elektromagnetické žiarenie a dosiahnuť tak vyšší energetický stav, alebo emitovať žiarenie a prechádzať do stavu s nižšou energiou.
Jednou z kľúčových vlastností tejto absorpcie a emitovania žiarenia je, že atómy absorbujú a emitujú žiarenie iba pri veľmi špecifických kvantovaných hodnotách. A pre každý iný typ atómu sú tieto konkrétne hodnoty odlišné.
Horúci plyn atómového materiálu bude vyžarovať žiarenie pri veľmi špecifických vlnových dĺžkach. Ak svetlo prichádzajúce z tohto plynu prechádza spektroskopom, ktorý šíri svetlo v spektre o vlnovú dĺžku (ako dúha), objavia sa zreteľné emisné čiary. Sada emisných čiar pochádzajúcich z plynu sa dá čítať takmer ako čiarový kód, ktorý vám presne hovorí, aké atómy sú v plyne.
Podobne, ak na chladný plyn dopadá spojité spektrum svetla a potom k nemu prechádza aj svetlo, ktoré týmto plynom prechádza prešli spektroskopom, videli by ste spojité spektrum s tmavými medzerami pri špecifických vlnových dĺžkach, ktoré má plyn absorbovaný. Toto absorpčné spektrum bude vyzerať ako inverzná hodnota emisného spektra, pričom tmavé čiary sa objavia tam, kde jasné čiary boli pre ten istý plyn. Môže sa preto čítať ako čiarový kód, ktorý vám povie zloženie plynu. Astronómovia to neustále používajú na zisťovanie zloženia materiálu vo vesmíre.
Čo je to jadrová fyzika?
Jadrová fyzika sa zameriava na atómové jadro, jadrové reakcie a interakciu jadra s inými časticami. Skúma okrem iného rádioaktívny rozpad, jadrovú fúziu a jadrové štiepenie a väzbovú energiu.
Jadro obsahuje pevne viazaný zhluk protónov a neutrónov. Nejde však o základné častice. Protóny a neutróny sú vyrobené z ešte menších častíc tzv kvarky.
Kvarky sú častice s frakčným nábojom a trochu hlúpe názvy. Prichádzajú v šiestich takzvaných príchutiach: hore, dole, zhora, zdola, zvláštne a pôvabné. Neutrón je tvorený dvoma down kvarkami a up kvarkom a protón je tvorený dvoma up kvarkami a down kvarkom. Kvarky v každom nukleóne sú pevne spojené silnou jadrovou silou.
Silnú jadrovú silu sprostredkujú častice tzv gluóny. Cítite tému? Vedci sa pri pomenovaní týchto častíc veľmi bavili! Gluóny samozrejme „lepia“ kvarky dokopy. Silná jadrová sila pôsobí iba vo veľmi malom rozsahu - na vzdialenosť porovnateľnú s priemerom priemerne veľkého jadra.
Väzbová energia
Každý izolovaný neutrón má hmotnosť 1,6749275 × 10-27 kg a každý izolovaný protón má hmotnosť 1,6726219 × 10-27 kg; keď sú však spojené v atómovom jadre, atómová hmotnosť nie je súčtom jej základných častí v dôsledku niečoho, čo sa nazýva väzobná energia.
Tým, že sa nukleóny pevne spoja, dosiahnu nižší energetický stav v dôsledku premeny časti celkovej hmotnosti, ktorú mali ako jednotlivé častice na energiu. Tento hmotnostný rozdiel, ktorý sa prevedie na energiu, sa nazýva väzbová energia jadra. Vzťah, ktorý popisuje, koľko energie zodpovedá danému množstvu hmoty, je Einsteinov slávny E = mc2 rovnica kde m je hmota, c je rýchlosť svetla a E je energia.
Príbuzným konceptom je väzbová energia na nukleón, čo je celková väzobná energia jadra spriemerovaná z jeho základných častí. Väzbová energia na nukleón je dobrým indikátorom toho, ako stabilné je jadro. Nízka väzbová energia na nukleón naznačuje, že by pre to mohol existovať priaznivejší stav s nižšou celkovou energiou konkrétne jadro, čo znamená, že sa pravdepodobne bude chcieť rozdeliť alebo spojiť s iným jadrom pod správnym podmienky.
Všeobecne majú jadrá ľahšie ako železné tendenciu spájaním dosiahnuť nižšie energetické stavy a vyššiu väzbovú energiu na nukleón s inými jadrami, zatiaľ čo jadrá, ktoré sú ťažšie ako železo, majú tendenciu dosiahnuť nižšie energetické stavy rozpadom na ľahšie jadrá. Procesy, podľa ktorých k týmto zmenám dochádza, sú opísané v nasledujúcej časti.
Štiepenie, štiepenie a rádioaktívny rozklad
Jadrová fyzika sa zameriava hlavne na štúdium štiepenia, fúzie a rozpadu atómových jadier. Všetky tieto procesy sú riadené základnou predstavou, že všetky častice uprednostňujú nižšie energetické stavy.
K štiepeniu dochádza, keď sa ťažké jadro rozpadne na menšie jadrá. Veľmi ťažké jadrá sú na to náchylnejšie, pretože majú menšiu väzobnú energiu na jeden nukleón. Ako si možno pamätáte, existuje niekoľko síl, ktoré riadia dianie v atómovom jadre. Silná jadrová sila pevne spája nukleóny dohromady, je to však sila veľmi krátkeho dosahu. Takže pre veľmi veľké jadrá je to menej efektívne.
Kladne nabité protóny v jadre sa tiež prostredníctvom elektromagnetickej sily navzájom odpudzujú. Tento odpor musí byť prekonaný silnou jadrovou silou a môže byť tiež sprostredkovaný dostatkom neutrónov v okolí. Ale čím väčšie je jadro, tým menej priaznivá je silová rovnováha pre stabilitu.
Preto väčšie jadrá majú tendenciu chcieť sa rozpadnúť buď pomocou procesu rádioaktívneho rozpadu, alebo pomocou štiepnych reakcií, ako sú reakcie, ktoré sa vyskytujú v jadrových reaktoroch alebo štiepnych bombách.
K fúzii dochádza, keď dve ľahšie jadrá dosiahnu priaznivejší energetický stav spojením do ťažšieho jadra. Aby však mohlo dôjsť k štiepeniu, príslušné jadrá sa musia dostať do dostatočnej blízkosti k sebe, aby ich mohla prevziať silná jadrová sila. To znamená, že sa musia pohybovať dostatočne rýchlo, aby dokázali prekonať elektrický odpor.
Jadrá sa pri extrémnych teplotách pohybujú rýchlo, takže táto podmienka je často požadovaná. Takto je schopná prebiehať jadrová fúzia v extrémne horúcom jadre slnka. Vedci sa dodnes snažia nájsť spôsob, ako dosiahnuť studenú fúziu - teda fúziu pri nižších teplotách. Pretože energia sa uvoľňuje v procese fúzie a nezanecháva rádioaktívny odpad, ako to zvyknú robiť štiepne reaktory, bol by to neuveriteľný zdroj energie, ak by sa dosiahol.
Rádioaktívny rozpad je bežný prostriedok, ktorým sa jadrá menia, aby sa stali stabilnejšími. Existujú tri hlavné typy rozpadu: rozpad alfa, rozpad beta a rozpad gama.
Pri rozpade alfa rádioaktívne jadro uvoľňuje častice alfa (jadro hélia-4) a vďaka tomu sa stáva stabilnejším. Beta rozpad sa vyskytuje v niekoľkých odrodách, ale v zásade vyplýva z toho, že sa z neutrónu stane protón alebo z protónu sa stane neutrón a uvoľní sa z neho β- alebo β+ častica (elektrón alebo pozitrón). K rozpadu gama dochádza, keď jadro v excitovanom stave uvoľňuje energiu vo forme gama lúčov, ale zachováva si celkový počet neutrónov a protónov.
Štandardný model časticovej fyziky
Štúdium jadrovej fyziky siaha do rozsiahlejšej oblasti časticovej fyziky, ktorej cieľom je porozumieť fungovaniu všetkých základných častíc. Štandardný model klasifikuje častice na fermióny a bozóny a potom ďalej klasifikuje fermióny na kvarky a leptóny a bozóny na kalibrované a skalárne bozóny.
Bosoni nedodržiavajú zákony na zachovanie počtu, ale fermioni áno. Okrem iných konzervovaných množstiev existuje zákon zachovania pre čísla leptónu aj kvarku. Interakcie základných častíc sú sprostredkované bozónmi nesúcimi energiu.
Aplikácie jadrovej fyziky a atómovej fyziky
Aplikácií jadrovej a atómovej fyziky je veľa. Jadrové reaktory v jadrových elektrárňach vytvárajú čistú energiu využitím energie uvoľnenej počas štiepnych procesov. Nukleárna medicína využíva na zobrazovanie rádioaktívne izotopy. Astrofyzici používajú spektroskopiu na stanovenie zloženia vzdialených hmlovín. Zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie umožňuje lekárom vytvárať podrobné obrázky vnútorných častí pacientov. Aj röntgenová technológia využíva jadrovú fyziku.
