Jedrska in atomska (fizika): Začetniški vodnik za študente

Atomska in jedrska fizika opisujeta fiziko zelo majhnih. Pri delu s tako majhnimi predmeti vaša intuicija, zgrajena iz vašega razumevanja klasične mehanike, pogosto odpove. To je področje kvantne mehanike, jedrskih sil kratkega dosega, elektromagnetnega sevanja in standardnega modela fizike delcev.

Atomska fizika je veja fizike, ki se ukvarja s strukturo atoma, povezanimi energetskimi stanji in interakcijo atoma z delci in polji. Nasprotno pa se jedrska fizika posebej osredotoča na dogajanje znotraj atomskega jedra, kar je podrobneje opisano v naslednjem poglavju.

Obstaja več predmetov iz fizike delcev. V prvi vrsti je struktura samega atoma. Atomi so sestavljeni iz tesno vezanega jedra, ki vsebuje protone in nevtrone, in difuznega elektronskega oblaka.

Glede na to, da je jedro običajno velikosti 10^-15 do 10^-14 m v premeru, sami atomi pa imajo velikost 10^-10 m v premeru (in velikost elektronov je zanemarljiva), se izkaže, da so atomi večinoma prazen prostor. Seveda se ne zdijo takšni, kot je, in vsa snov iz atomov se zagotovo počuti kot snov.

Razlog, da se atomi ne zdijo večinoma prazen prostor, je, da ste tudi vi izdelani iz atomov in vsi atomi komunicirajo z elektromagnetno energijo. Čeprav vaša roka, ki jo sestavljajo večinoma prazni atomi, pritiska na mizo, ki je prav tako sestavljena iz večinoma prazen prostor, ne prehaja skozi mizo zaradi elektromagnetnih sil med atomi, ko vstopijo stik.

Nevtrino, delec, ki ne vpliva na elektromagnetno silo, pa lahko preide skozi večino atomskih snovi, tako rekoč neopaženih. Dejansko skozi vaše telo vsako sekundo preide 100 bilijonov nevtrinov!

Atomi so v periodnem sistemu razvrščeni po atomskem številu. Atomsko število je število protonov, ki jih atom vsebuje v svojem jedru. Ta številka določa element.

Čeprav bo imel dani element vedno enako število protonov, lahko vsebuje različno število nevtronov. Različni izotopi elementa vsebujejo različno število nevtronov. Nekateri izotopi so bolj stabilni kot drugi (kar pomeni, da je manj verjetno, da bodo spontano propadli v kaj drugega) in ta stabilnost je običajno odvisno od števila nevtronov, zato je za večino elementov večina atomov ponavadi ene posebne izotop.

Število elektronov, ki jih vsebuje atom, določa, ali je ioniziran ali napolnjen. Nevtralni atom vsebuje enako število elektronov kot protoni, včasih pa lahko atomi pridobijo ali izgubijo elektrone in se napolnijo. Kako enostavno atom pridobi ali izgubi elektrone, je odvisno od njegove elektronske orbitalne strukture.

Vodikov atom je najpreprostejši atom, ki v svojem jedru vsebuje samo en proton. Trije najbolj stabilni izotopi vodika so protium (brez nevtronov), devterij (ki vsebuje en nevtron) in tritij (ki vsebuje dva nevtrona), pri čemer je protium največ.

V preteklih letih so bili predlagani različni modeli atoma, kar je privedlo do trenutnega modela. Zgodnje delo so opravili Ernest Rutherford, Niels Bohr in drugi.

Kot smo že omenili, atomi sodelujejo z elektromagnetno silo. Protoni v atomu nosijo pozitiven naboj, elektroni pa negativni naboj. Elektroni v atomu lahko absorbirajo elektromagnetno sevanje in posledično dosežejo višje energijsko stanje ali oddajajo sevanje in se premaknejo v nižje energijsko stanje.

Ena ključnih lastnosti tega absorbiranja in oddajanja sevanja je, da atomi absorbirajo in oddajajo sevanje le pri zelo specifičnih kvantiziranih vrednostih. In za vsako različno vrsto atoma so te posebne vrednosti različne.

Vroč plin iz atomskega materiala bo oddajal sevanje pri zelo določenih valovnih dolžinah. Če svetlobo, ki prihaja iz tega plina, speljemo skozi spektroskop, ki razširi svetlobo v spektru glede na valovno dolžino (kot mavrica), se pojavijo ločene emisijske črte. Emisijske črte, ki prihajajo iz plina, lahko beremo skoraj kot črtno kodo, ki natančno pove, kateri atomi so v plinu.

Podobno, če na hladen plin pade neprekinjen spekter svetlobe in je svetloba, ki gre skozi ta plin, v tem primeru skozi spektroskop bi videli neprekinjen spekter s temnimi režami na določenih valovnih dolžinah, ki jih ima plin absorbiran. Ta absorpcijski spekter bo videti kot inverzna vrednost emisijskega spektra, temne črte se bodo pojavile tam, kjer so bile svetle črte za isti plin. Kot tak ga lahko beremo tudi kot črtno kodo, ki vam pove sestavo plina. Astronomi to ves čas uporabljajo za določanje sestave materiala v vesolju.

Jedrska fizika se osredotoča na atomsko jedro, jedrske reakcije in interakcijo jedra z drugimi delci. Med drugim raziskuje radioaktivni razpad, jedrsko fuzijo in jedrsko cepitev ter vezavno energijo.

Jedro vsebuje tesno povezano kopico protonov in nevtronov. Vendar to niso temeljni delci. Protoni in nevtroni so narejeni iz še manjših delcev, imenovanih kvarki.

Kvarki so delci z delnim nabojem in nekoliko neumna imena. Na voljo so v šestih tako imenovanih okusih: navzgor, navzdol, zgoraj, spodaj, čudno in očarljivo. Nevtron je sestavljen iz dveh spodnjih kvarkov in gornjega kvarka, proton pa iz dveh gornjih kvarkov in spodnjega kvarka. Kvarke v vsakem nukleonu tesno veže močna jedrska sila.

Močno jedrsko silo posredujejo delci, imenovani gluoni. Ali zaznavate temo? Znanstveniki so se zelo zabavali z poimenovanjem teh delcev! Gluoni kvarke seveda "zlepijo". Močna jedrska sila deluje le na zelo kratkem območju - na razdalji, primerljivi s premerom povprečno velikega jedra.

Vsak izoliran nevtron ima maso 1,6749275 × 10^-27 kg in vsak izolirani proton ima maso 1,6726219 × 10^-27 kg; kadar pa je atomska masa vezana skupaj v jedro atoma, ni vsota sestavnih delov zaradi nečesa, čemur pravimo vezavna energija.

Ko postanejo nukleoni tesno vezani, dosežejo nižje energijsko stanje, ker se nekatera skupna masa, ki so jo imeli kot posamezni delci, pretvori v energijo. Ta masna razlika, ki se pretvori v energijo, se imenuje vezavna energija jedra. Razmerje, ki opisuje, koliko energije ustreza določeni količini mase, je Einsteinovo slavno E = mc² enačba kjer m je masa, c je hitrost svetlobe in E je energija.

S tem povezan koncept je vezavna energija na nukleon, ki je celotna vezavna energija jedra, povprečena po njegovih sestavnih delih. Vezna energija na nukleon je dober pokazatelj, kako stabilno je jedro. Nizka vezavna energija na nukleon kaže, da bi za to lahko obstajalo ugodnejše stanje nižje skupne energije določeno jedro, kar pomeni, da se bo verjetno želelo bodisi ločiti ali zliti z drugim jedrom pod ustreznim pogoji.

Na splošno jedra, lažja od jeder železa, ponavadi dosežejo nižja energijska stanja in večjo energijo vezave na nukleon s spajanjem z drugimi jedri, medtem ko jedra, ki so težja od železa, ponavadi dosežejo nižja energetska stanja z razpadom na lažja jedra. Procesi, do katerih pride do teh sprememb, so opisani v naslednjem poglavju.

Glavni poudarek jedrske fizike je na proučevanju fisije, fuzije in razpada atomskih jeder. Vse te procese vodi temeljna predstava, da imajo vsi delci raje nižja energijska stanja.

Cepitev se zgodi, ko se težko jedro razpade na manjša jedra. Zelo težka jedra so bolj nagnjena k temu, ker imajo manjšo vezno energijo na nukleon. Kot se lahko spomnite, obstaja nekaj sil, ki urejajo dogajanje v atomskem jedru. Močna jedrska sila tesno veže nukleone, vendar je sila kratkega dosega. Torej je za zelo velika jedra manj učinkovit.

Pozitivno nabiti protoni v jedru se med seboj odbijajo tudi z elektromagnetno silo. To odbijanje mora premagati močna jedrska sila, lahko pa jo posreduje tudi dovolj nevtronov. Toda večje kot je jedro, manj ugodno je ravnovesje sil za stabilnost.

Zato se večja jedra ponavadi želijo razbiti bodisi s postopki radioaktivnega razpada bodisi s cepitvenimi reakcijami, kakršne se pojavijo v jedrskih reaktorjih ali fisurnih bombah.

Do fuzije pride, ko dve lažji jedri z združitvijo v težje jedro dosežeta ugodnejše energijsko stanje. Da pa pride do cepitve, se morajo zadevna jedra med seboj približati dovolj, da lahko prevzame močno jedrsko silo. To pomeni, da se morajo gibati dovolj hitro, da lahko premagajo električno odbijanje.

Jedra se hitro gibljejo v ekstremnih temperaturah, zato je ta pogoj pogosto potreben. Tako lahko v izredno vročem sončnem jedru poteka jedrska fuzija. Do danes znanstveniki še vedno poskušajo najti način, kako doseči hladno fuzijo - torej fuzijo pri nižjih temperaturah. Ker se energija sprosti v fuzijskem procesu in ne pušča radioaktivnih odpadkov, kot to običajno počnejo cepitveni reaktorji, bi bil neverjeten vir energije, če bi ga dosegli.

Radioaktivni razpad je običajno sredstvo, s katerim se jedra spreminjajo, da postanejo stabilnejša. Obstajajo tri glavne vrste razpada: alfa razpad, beta razpad in gama razpad.

Pri alfa razpadu radioaktivno jedro sprosti alfa-delce (jedro helija-4) in posledično postane bolj stabilno. Beta razpad je na voljo v nekaj sortah, vendar v bistvu izhaja iz tega, da nevtron postane proton ali da proton postane nevtron in sprosti β^- ali β⁺ delcev (elektron ali pozitron). Razpad gama se zgodi, ko jedro v vzbujenem stanju sprošča energijo v obliki gama žarkov, vendar ohranja skupno število nevtronov in protonov.

Študij jedrske fizike sega v širše področje fizike delcev, katerega cilj je razumeti delovanje vseh temeljnih delcev. Standardni model delce razvrsti na fermione in bozone, nato pa fermione razvrsti na kvarke in leptone, bozone pa na merilne in skalarne bozone.

Bozoni ne upoštevajo zakonov o ohranjanju števila, fermioni pa. Poleg ostalih ohranjenih količin obstaja tudi zakon o ohranjanju leptonov in kvarkov. Interakcije osnovnih delcev posredujejo bozoni, ki prenašajo energijo.

Uporabe jedrske in atomske fizike so številne. Jedrski reaktorji v jedrskih elektrarnah ustvarjajo čisto energijo z izkoriščanjem energije, ki se sprosti med procesi cepitve. Jedrska medicina za slikanje uporablja radioaktivne izotope. Astrofiziki s pomočjo spektroskopije določajo sestavo oddaljenih meglic. Slikanje z magnetno resonanco omogoča zdravnikom, da ustvarijo podrobne slike notranjosti svojih pacientov. Tudi rentgenska tehnologija uporablja jedrsko fiziko.