Jedrska fizika: kaj je to, kdo jo je odkril in zakaj je pomembna?

Nekaj ​​oblačnih dni v Parizu leta 1896 je "uničilo" poskus Henrija Becquerela, vendar se je v tem procesu rodilo področje jedrske fizike. Becquerel je želel dokazati svojo hipotezo, da je uran absorbiral sončno svetlobo in jo ponovno seval v obliki rentgenskih žarkov, ki so ga odkrili prejšnje leto.

Becquerelov načrt je bil, da kalijev uranil sulfat pripelje na sončno svetlobo in ga nato pripelje v stik s fotografskimi ploščami, ovitimi v črni papir, ker sicer vidna svetloba ne bi prodrla skozi rentgenske žarke bi. Kljub pomanjkanju sončne svetlobe se je vseeno odločil, da bo šel skozi postopek, in je bil šokiran, ko je odkril slike, še vedno zabeležene na fotografski plošči.

Nadaljnja testiranja so pokazala, da kljub njegovim predpostavkam sploh ni šlo za rentgenske žarke. Pot svetlobe ne upogiba magnetno polje, ampak sevanje urana je ena odklonila in tako - skupaj s prvim rezultatom - je bilo odkrito sevanje. Marie Curie je skovala izraz radioaktivnost in skupaj s svojim možem Pierrom odkrila polonij in radij ter natančno določila natančne vire radioaktivnosti.

Kasneje je Ernest Rutherford prišel do izrazov alfa delci, beta delci in gama delci za sevan material ter področje jedrska fizika res začela.

Seveda ljudje zdaj o jedrski fiziki vedo veliko več kot na prelomu 20. stoletja in za vsakega študenta fizike je ključna tema, ki jo je treba razumeti in spoznati. Ne glede na to, ali želite razumeti naravo jedrske energije, močne in šibke jedrske sile ali prispevati k področjem, kot je jedrska medicina, je učenje osnov nujno.

Jedrska fizika je v bistvu fizika jedra, del atoma, ki vsebuje dva najbolj znana "Hadroni", protoni in nevtroni.

Zlasti si ogleduje sile, ki delujejo v jedro (močna interakcija, ki veže protone in nevtrone v jedru, pa tudi zadrževanje njihove komponente kvarki skupaj in šibka interakcija v zvezi z radioaktivnim razpadom) ter interakcija jeder z drugimi delcev.

Jedrska fizika zajema teme, kot so jedrska fuzija (ki se nanaša na energijo vezave različnih elementov), ​​jedrska fisija (ki je delitev težkih elementov za proizvodnjo energije), pa tudi radioaktivni razpad in osnovna zgradba in sile v igri jedro.

Obstaja veliko praktičnih aplikacij na tem področju, vključno z (vendar ne omejeno na) delom na področju jedrske energije, jedrske medicine in fizike visokih energij.

An atom je sestavljen iz jedra, ki vsebuje pozitivno naelektrene protone in nenaelektrene nevtrone, ki jih močna jedrska sila drži skupaj. Ti so obdani z negativno nabitimi elektroni, ki okoli jedra tvorijo tako imenovani "oblak", število elektronov pa ustreza številu protonov v nevtralnem atomu.

V zgodovini fizike so bili predlagani številni modeli atoma, vključno s Thomsonovo "slivo model pudinga, Rutherfordov in Bohrov model "planetarni" ter sodobni, kvantno mehanski model, nad.

Jedro je majhno, približno 10⁻¹⁵ m, ki vsebuje glavnino mase atoma, medtem ko je cel atom velikosti 10⁻¹⁰ m. Naj vas zapis ne zavede - to pomeni, da je jedro približno 100.000 krat manjše od atoma na splošno, vendar vsebuje veliko večino snovi. Torej je atom pretežno prazen prostor!

Masa atoma sicer ni povsem enaka masi sestavnih delov: če seštejemo mase protonov in nevtronov, že presega maso atoma, še preden sploh upoštevate veliko manjšo maso atoma elektrona.

To se imenuje "masna napaka" atoma in če pretvorite to razliko v energijo s pomočjo Einsteinove slavne enačbe E = mc², dobite "vezno energijo" jedra.

To je energija, ki bi jo morali vložiti v sistem, da bi jedro razdelili na sestavljene protone in nevtrone. Te energije so veliko, veliko večje od energije, ki jo potrebuje za odstranitev elektrona iz njegove "orbite" okoli jedra.

Dve vrsti nukleon (tj. delček jedra) sta proton in nevtron in sta v jedru atoma tesno povezana.

Čeprav so to navadno nukleoni, o katerih boste slišali, v standardnem modelu fizike delcev pravzaprav niso temeljni delci. Proton in nevtron sta sestavljena iz osnovnih delcev, imenovanih kvarki, ki imajo šest "okusov" in nosijo delček naboja protona ali elektrona.

Gornji kvark ima 2/3 e polnjenje, kje e je naboj elektrona, spodnji kvark pa ima −1/3 e napolniti. To pomeni, da bi dva gornja kvarka in spodnji kvark skupaj ustvarila delce s pozitivnim nabojem velikosti e, ki je proton. Po drugi strani pa gornji kvark in dva spodnja kvarka tvorita delček, ki nima celotnega naboja, nevtron.

Standardni model katalogizira vse temeljne delce, ki so trenutno znani, in jih razdeli v dve glavni skupini: fermioni in bozoni. Fermioni so razdeljeni na kvarke (ki nato proizvajajo hadrone, kot so protoni in nevtroni) in leptone (ki vključujejo elektrone in nevtrine), in bozoni so razdeljeni na merilne in skalarne bozone.

Higgsov bozon je edini skalarni bozon, ki je doslej znan z drugimi bozoni - fotonom, gluonom, Z-bosoni in W bozoni - so merilni bozoni.

Fermioni v nasprotju z bozoni spoštujejo "zakone o ohranjanju števil". Na primer, obstaja zakon o ohranjanju leptonskega števila, ki pojasnjuje stvari, kot so delci, ki nastanejo kot del jedrskega razpada procese (ker je treba na primer ustvarjanje elektrona z leptonskim številom 1 uravnotežiti z ustvarjanjem drugega delca z leptonskim številom -1, na primer elektronskega nevtrinina).

Število kvarkov je prav tako ohranjeno, obstajajo pa tudi druge ohranjene količine.

Bozoni so delci, ki prenašajo silo, zato interakcije osnovnih delcev posredujejo bozoni. Na primer, interakcijo kvarkov posredujejo gluoni, elektromagnetne interakcije pa fotoni.

Čeprav elektromagnetna sila v jedru deluje, so glavne sile, ki jih morate upoštevati, močne in šibke jedrske sile. Močno jedrsko silo nosijo gluoni, šibko jedrsko silo pa nosijo W^± in Z⁰ bozoni.

Kot že ime pove, je močna jedrska sila najmočnejša izmed vseh temeljnih sil, ki ji sledi elektromagnetizem (10² krat šibkejša), šibka sila (10⁶ krat šibkejša) in gravitacija (10⁴⁰ krat šibkejši). Ogromna razlika med gravitacijo in preostalimi silami je, zakaj jo fiziki v bistvu zanemarjajo, ko razpravljajo o snovi na atomski ravni.

Močna sila potrebe biti močan za premagovanje elektromagnetnega odbijanja med pozitivno nabitimi protoni v jedru - če bi imel šibkejši od elektromagnetne sile, noben atom z več kot enim protonom v jedru ne bi mogel oblika. Vendar ima močna sila zelo kratkega dosega.

To je pomembno, ker kaže, zakaj sila ni opazna niti na lestvici celih atomov oz molekul, pomeni pa tudi, da postane elektromagnetna odbojnost pomembnejša za težka jedra (tj. večji atomi). To je eden od razlogov, da so nestabilna jedra pogosto jedra težkih elementov.

Šibka sila ima tudi zelo majhen domet in v bistvu povzroči, da kvarki spremenijo okus. To lahko povzroči, da proton postane nevtron in obratno, zato ga lahko razumemo kot vzrok jedrski razpad procesi, kot sta beta plus in minus razpadanje.

Obstajajo tri vrste radioaktivnega razpada: alfa razpad, beta razpad in gama razpad. Alfa razpad je, ko atom razpade s sproščanjem "delca alfa", kar je še en izraz za helijevo jedro.

Obstajajo tri podvrste beta razpada, vendar vsi vključujejo protone, ki se spremenijo v nevtron ali obratno. Beta minus razpad je, ko nevtron postane proton in v tem procesu sprosti elektron in elektronski anti-nevtrin, medtem ko pri beta in razpadu protona postane nevtron in sprosti pozitron (tj. antielektron) in elektron nevtrino.

Pri zajetju elektronov se elektron iz zunanjih delov atoma absorbira v jedro in proton pretvori v nevtron in iz procesa se sprosti nevtrino.

Gama razpad je razpad, pri katerem se sprošča energija, vendar se v atomu nič ne spremeni. To je analogno načinu sproščanja fotona, ko elektron preide iz visokoenergijskega v nizkoenergijsko stanje. Navdušeno jedro preide v nizkoenergijsko stanje in oddaja gama žarke, kot to počne.

Jedrska fuzija je, ko se dve jedri zlijeta in ustvarita težje jedro. To je način, kako se energija proizvaja na soncu, in doseganje procesa na Zemlji za pridobivanje električne energije je eden največjih ciljev eksperimentalne fizike.

Težava je v tem, da zahteva izredno visoke temperature in tlake ter s tem zelo visoke ravni energije. Če pa jo znanstveniki dosežejo, bi fuzija lahko postala življenjski vir energije, saj družba še naprej raste in porabljamo vedno večje količine energije.

Jedrska fisija je razdelitev težkega elementa na dve lažji jedri in to je tisto, kar poganja sedanjo generacijo jedrskih reaktorjev.

Fisija je tudi načelo delovanja jedrskega orožja, kar je eden glavnih razlogov, da je sporno področje. V praksi fisija deluje skozi vrsto verižnih reakcij. Nevtron, ki ustvari začetni razkol v težkem elementu, kot je uran, po reakciji ustvari nadaljnji prosti nevtron, ki lahko nato povzroči še en razkol in tako naprej.

V bistvu oba procesa pridobivata energijo s pomočjo E = mc² razmerje, saj taljenje ali cepitev atomov vključuje sproščanje energije iz "manjkajoče mase".

Jedrska fizika uporablja ogromno različnih aplikacij. Predvsem jedrski reaktorji in jedrske elektrarne delujejo v mnogih državah po svetu, številni fiziki pa delajo na novih in varnejših izvedbah.

Na primer, nekatere zasnove jedrskih reaktorjev si prizadevajo zagotoviti, da se izvorne snovi ne bi moglo uporabiti ustvariti jedrsko orožje, ki zahteva veliko bolj obogaten vir urana (tj. "čistejši" uran), delujejo.

Jedrska medicina je drugo pomembno področje za jedrsko fiziko. Nuklearna medicina vključuje zelo majhne količine radioaktivnega materiala, ki se daje bolniku, nato pa se z detektorji zajemajo slike oddanega sevanja. To pomaga zdravnikom pri diagnosticiranju bolezni ledvic, ščitnice, srca in drugih bolezni.

Seveda obstaja veliko drugih področij, kjer je jedrska fizika v bistvu, vključno z visokoenergijsko fiziko in delci pospeševalniki, kot sta CERN in astrofizika, kjer so številni prevladujoči procesi v zvezdah močno odvisni od jedrske energije fizika.