Jadrová fyzika: Čo to je, kto to objavil a prečo je to dôležité?

Niekoľko zamračených dní v Paríži v roku 1896 „zničilo“ experiment Henriho Becquerela, ale v tomto procese sa zrodila oblasť jadrovej fyziky. Becquerel mal dokázať svoju hypotézu, že urán absorboval slnečné svetlo a znovu ho vyžaroval vo forme röntgenových lúčov, ktoré boli objavené v predchádzajúcom roku.

Becquerelovým plánom bolo dostať uranylsulfát draselný do slnečného žiarenia a potom ho priviesť do kontaktu s fotografickými doštičkami zabalenými v čiernom papieri, pretože zatiaľ čo viditeľné svetlo by to neprešlo, röntgenové lúče by. Napriek nedostatku slnečného žiarenia sa rozhodol napriek tomu týmto procesom prejsť a zostal v šoku, keď objavil obrázky stále zaznamenané na fotografickej doske.

Ďalšie testovanie ukázalo, že to napriek jeho predpokladom vôbec nebolo röntgenové žiarenie. Dráha svetla nie je ohnutá magnetickým poľom, ale žiarenie z uránu bol vychýlený jedným, a to - spolu s prvým výsledkom - bolo to, ako bolo objavené žiarenie. Marie Curie zaviedla pojem rádioaktivita a spolu so svojím manželom Pierrom objavili polónium a rádium, čím zachytili presné zdroje rádioaktivity.

Neskôr Ernest Rutherford prišiel s pojmami alfa častice, beta častice a gama častice pre vyžarovaný materiál a pole jadrová fyzika naozaj išlo.

Ľudia dnes samozrejme vedia o jadrovej fyzike oveľa viac ako na prelome 20. storočia a pre každého študenta fyziky je to dôležitá téma, o ktorej by ste mali vedieť a dozvedieť sa o nej. Či už chcete pochopiť podstatu jadrovej energie, silné a slabé jadrové sily alebo prispieť do oblastí, ako je nukleárna medicína, osvojenie základov je nevyhnutné.

Jadrová fyzika je v podstate fyzika jadra, časti atómu, ktorá obsahuje dve najznámejšie „Hadróny“ protóny a neutróny.

Obzvlášť sa zameriava na sily pôsobiace v EÚ jadro (silná interakcia, ktorá viaže protóny a neutróny dohromady v jadre, ako aj držanie ich zložky kvarky spolu a slabá interakcia súvisiaca s rádioaktívnym rozpadom) a interakcia jadier s inými častice.

Jadrová fyzika sa venuje témam ako jadrová fúzia (ktorá sa týka väzbovej energie rôznych prvkov), jadrové štiepenie (čo je štiepenie ťažkých prvkov na výrobu energie), ako aj rádioaktívny rozpad a základná štruktúra a sily, ktoré v hre prebiehajú jadro.

Existuje mnoho praktických aplikácií v odbore, vrátane (ale nielen) prác v jadrovej energii, nukleárnej medicíne a fyzike vysokých energií.

An atóm sa skladá z jadra, ktoré obsahuje kladne nabité protóny a nenabité neutróny, ktoré drží pohromade silná jadrová sila. Sú obklopené záporne nabitými elektrónmi, ktoré tvoria okolo jadra takzvaný „mrak“, a počet elektrónov sa zhoduje s počtom protónov v neutrálnom atóme.

V priebehu dejín fyziky bolo navrhnutých množstvo modelov atómu, vrátane Thomsonovej „slivky“ „pudingový“ model, Rutherfordov a Bohrov „planetárny“ model a opísaný moderný kvantovo-mechanický model vyššie.

Jadro je malé, okolo 10⁻¹⁵ m, obsahujúci väčšinu hmotnosti atómu, zatiaľ čo celý atóm je rádovo 10⁻¹⁰ m. Nenechajte sa zmiasť notáciou - to znamená, že jadro je asi 100 000-krát menšie ako atóm celkovo, ale obsahuje veľkú väčšinu hmoty. Takže atóm je prevažne prázdne miesto!

Hmotnosť atómu nie je úplne rovnaká ako hmotnosť jeho základných častí: Ak spočítate hmotnosti protónov a neutrónov, už presahuje hmotnosť atómu, ešte predtým, ako zohľadníte oveľa menšiu hmotnosť elektrón.

Toto sa nazýva „hromadný defekt“ atómu a ak tento rozdiel premeníte na energiu pomocou slávnej Einsteinovej rovnice E = mc², získate „väzbovú energiu“ jadra.

Toto je energia, ktorú by ste museli vložiť do systému, aby ste rozdelili jadro na jednotlivé protóny a neutróny. Tieto energie sú oveľa, oveľa väčšie ako energia potrebná na odstránenie elektrónu z jeho „obežnej dráhy“ okolo jadra.

Tieto dva typy nukleón (tj. častica jadra) sú protón a neutrón a sú navzájom pevne spojené v jadre atómu.

Aj keď to sú zvyčajne nukleóny, o ktorých budete počuť, v skutočnosti to nie sú základné častice v štandardnom modeli časticovej fyziky. Protón aj neutrón sú zložené zo základných častíc tzv kvarky, ktoré majú šesť „príchutí“ a každá z nich nesie zlomok náboja protónu alebo elektrónu.

Up kvark má 2/3 e poplatok, kde e je náboj elektrónu, zatiaľ čo down kvark má −1/3 e poplatok. To znamená, že dva hore-kvarky a dolné kvarky by v kombinácii vytvorili časticu s kladným nábojom veľkosti e, čo je protón. Na druhej strane up kvark a dva down kvarky produkujú časticu bez celkového náboja, neutrón.

Štandardný model katalogizuje všetky základné častice, ktoré sú v súčasnosti známe, a zoskupuje ich do dvoch hlavných skupín: fermiony a bozóny. Fermiony sú rozdelené na kvarky (ktoré zase produkujú hadróny ako protóny a neutróny) a leptóny (ktoré zahŕňajú elektróny a neutrína) a bozóny sú rozdelené na kalibrované a skalárne bozóny.

Higgsov boson je jediný doteraz známy skalárny bozón, s ostatnými bozónmi - fotónom, gluónom, Z-bozóny a Ž bozóny - sú to rozchodové bozóny.

Fermiony sa na rozdiel od bozónov riadia „zákonmi na ochranu počtu“. Napríklad existuje zákon zachovania leptónového čísla, ktorý vysvetľuje veci ako častice produkované ako súčasť jadrového rozpadu procesy (pretože napríklad vytvorenie elektrónu s leptónom číslo 1 musí byť vyvážené vytvorením inej častice s leptónom číslo -1, ako je elektrónové anti-neutríno).

Číslo kvarku je tiež konzervované a existujú aj ďalšie konzervované množstvá.

Bosóny sú častice nesúce silu, a tak interakcie základných častíc sprostredkujú bozóny. Napríklad interakciu kvarkov sprostredkujú gluóny a elektromagnetické interakcie sprostredkujú fotóny.

Aj keď elektromagnetická sila v jadre skutočne platí, hlavné sily, ktoré musíte brať do úvahy, sú silné a slabé jadrové sily. Silná jadrová sila je nesená gluónmi a slabá jadrová sila je nesená Ž^± a Z⁰ bozóny.

Ako naznačuje názov, silná jadrová sila je najsilnejšou zo všetkých základných síl, po ktorej nasleduje elektromagnetizmus (10² slabšia), slabá sila (10⁶ slabšie) a gravitácia (10⁴⁰ slabšie). Obrovský rozdiel medzi gravitáciou a zvyškom síl je dôvod, prečo to fyzici v podstate zanedbávajú, keď diskutujú o hmote na atómovej úrovni.

Silná sila potreby byť silný na prekonanie elektromagnetického odpudzovania medzi kladne nabitými protónmi v jadre - ak by mal neboli slabšie ako elektromagnetická sila, neboli by schopné žiadne atómy s viac ako jedným protónom v jadre formulár. Silná sila má však veľmi krátky dosah.

Je to dôležité, pretože to ukazuje, prečo nie je sila badateľná ani na škále celých atómov molekuly, ale tiež to znamená, že elektromagnetické odpudzovanie sa stáva dôležitejším pre ťažké jadrá (t.j. väčšie atómy). To je jeden z dôvodov, prečo sú nestabilné jadrá často tie, ktoré obsahujú ťažké prvky.

Slabá sila má tiež veľmi krátky rozsah a v podstate spôsobuje zmenu chuti kvarkov. To môže spôsobiť, že sa z protónu stane neutrón a naopak, a preto ho možno považovať za príčinu jadrový rozpad procesy ako beta plus a mínus rozpad.

Existujú tri typy rádioaktívneho rozpadu: rozpad alfa, rozpad beta a rozpad gama. Alfa rozpad je, keď sa atóm rozpadne uvoľnením „alfa častice“, čo je ďalší výraz pre jadro hélia.

Existujú tri podtypy rozpadu beta, ale všetky zahŕňajú protón, ktorý sa mení na neutrón alebo naopak. K úpadku beta mínus dôjde, keď sa z neutrónu stane protón a uvoľní pri tom elektrón a elektrónové antineutríno, zatiaľ čo v beta fáze plus rozpad sa z protónu stane neutrón a uvoľní pozitrón (t.j. anti-elektrón) a elektrón neutríno.

Pri zachytávaní elektrónov sa elektrón z vonkajších častí atómu absorbuje do jadra a protón sa premieňa na neutrón a z procesu sa uvoľňuje neutríno.

Gama rozpad je rozpad, pri ktorom sa uvoľňuje energia, ale nič v atóme sa nemení. Je to analogické so spôsobom, akým sa uvoľňuje fotón, keď elektrón prechádza z vysokoenergetického do nízkoenergetického stavu. Nabudené jadro prechádza do stavu nízkoenergetického stavu a pri tom vysiela gama lúč.

Jadrová fúzia je, keď sa dve jadrá spoja a vytvoria ťažšie jadro. Týmto spôsobom sa generuje energia na slnku a získanie procesu na Zemi na výrobu energie je jedným z najväčších cieľov experimentálnej fyziky.

Problém je v tom, že vyžaduje extrémne vysoké teploty a tlaky, a teda veľmi vysoké energetické hladiny. Ak to však vedci dosiahnu, fúzia by sa mohla stať životne dôležitým zdrojom energie, pretože spoločnosť neustále rastie a my spotrebúvame čoraz väčšie množstvo energie.

Jadrové štiepenie je rozdelenie ťažkého prvku na dve ľahšie jadrá, a to je to, čo poháňa súčasnú generáciu jadrových reaktorov.

Štiepenie je tiež princípom fungovania jadrových zbraní, čo je jeden z hlavných dôvodov, prečo ide o kontroverznú oblasť. V praxi štiepenie prebieha prostredníctvom série reťazových reakcií. Neutrón, ktorý vytvára počiatočné rozdelenie na ťažký prvok, ako je urán, generuje po reakcii ďalší voľný neutrón, ktorý potom môže spôsobiť ďalšie rozdelenie atď.

Oba tieto procesy v podstate získavajú energiu prostredníctvom E = mc² vzťah, pretože fúzia alebo štiepenie atómov zahŕňa uvoľnenie energie z „chýbajúcej hmoty“.

Existuje široká škála aplikácií jadrovej fyziky. Je pozoruhodné, že jadrové reaktory a jadrové elektrárne fungujú v mnohých krajinách sveta a veľa fyzikov pracuje na nových a bezpečnejších konštrukciách.

Napríklad niektoré návrhy jadrových reaktorov sa zameriavajú na zabezpečenie toho, aby sa na zdrojový materiál nedalo zvyknúť vytvárať jadrové zbrane, ktoré si vyžadujú oveľa obohatenejší zdroj uránu (t. j. „čistejší“ urán) pracovať.

Nukleárna medicína je ďalšou dôležitou oblasťou pre jadrovú fyziku. Nukleárna medicína zahŕňa veľmi malé množstvo rádioaktívneho materiálu, ktorý sa podáva pacientovi, a potom sa pomocou detektorov zachytávajú snímky z vydávaného žiarenia. To pomáha lekárom diagnostikovať obličky, štítnu žľazu, srdce a ďalšie stavy.

Samozrejme, existuje veľa ďalších oblastí, v ktorých sa jadrová fyzika v podstate nachádza, vrátane fyziky vysokých energií a častíc urýchľovače ako CERN a astrofyzika, kde mnoho dominantných procesov vo hviezdach silne závisí od jadra fyzika.