И атомска и нуклеарна физика описују физику врло малих. Када радите са тако малим предметима, ваша интуиција изграђена на основу вашег разумевања класичне механике често не успева. Ово је подручје квантне механике, нуклеарних сила кратког домета, електромагнетног зрачења и стандардног модела физике честица.
Шта је атомска физика?
Атомска физика је грана физике која се бави структуром атома, повезаним енергетским стањима и интеракцијом атома са честицама и пољима. Супротно томе, нуклеарна физика се посебно фокусира на дешавања унутар атомског језгра, што је детаљније описано у следећем одељку.
Постоји неколико предмета из физике честица. Прво и најважније је структура самог атома. Атоми се састоје од чврсто повезаног језгра које садржи протоне и неутроне и дифузног електронског облака.
С обзиром на то да је језгро обично реда 10-15 до 10-14 м у пречнику, а сами атоми су реда величине 10-10 м у пречнику (а величина електрона је занемарљива), испоставља се да су атоми углавном празан простор. Наравно да се не чине као да јесу и сва материја од атома сигурно се осећа као супстанца.
Разлог зашто атоми не изгледају као да су углавном празан простор је тај што сте и ви направљени од атома, а сви атоми комуницирају са електромагнетном енергијом. Иако се ваша рука, коју чине углавном атоми празног простора, притиска на стол, такође састављен од већином празан простор, он не пролази кроз сто због електромагнетних сила између атома док улазе контакт.
Неутрино, честица која не ступа у интеракцију са електромагнетном силом, међутим, у могућности је да прође кроз већину атомских материјала практично неоткривен. Заправо, кроз ваше тело прође 100 билиона неутрина сваке секунде!
Класификација атома
Атоми су класификовани према атомском броју у периодном систему. Атомски број је број протона које атом садржи у свом језгру. Овај број дефинише елемент.
Иако ће дати елемент увек имати исти број протона, он може садржати различит број неутрона. Различити изотопи елемента садрже различит број неутрона. Неки изотопи су стабилнији од других (што значи да је мања вероватноћа да спонтано пропадну у нешто друго), а ова стабилност типично зависи од броја неутрона, што је разлог зашто је за већину елемената већина атома обично једног специфичног изотоп.
Број електрона који садржи атом одређује да ли је он јонизован или наелектрисан. Неутрални атом садржи исти број електрона као и протони, али понекад атоми могу добити или изгубити електроне и постати наелектрисани. Колико лако атом стиче или губи електроне, зависи од његове електронске орбиталне структуре.
Атом водоника је најједноставнији атом, који у свом језгру садржи само један протон. Три најстабилнија изотопа водоника су протијум (који не садржи неутроне), деутеријум (који садржи један неутрон) и трицијум (који садржи два неутрона), а најчешћи је протијум.
Током година предложени су различити модели атома, што је довело до тренутног модела. Рано су радили Ернест Рутхерфорд, Ниелс Бохр и други.
Спектри за апсорпцију и емисију
Као што је поменуто, атоми интерагују са електромагнетном силом. Протони у атому носе позитивно, а електрони негативно. Електрони у атому могу да апсорбују електромагнетно зрачење и као резултат постигну више енергетско стање или емитују зрачење и пређу у ниже енергетско стање.
Једно од кључних својстава овог апсорбовања и емитовања зрачења је да атоми апсорбују и емитују зрачење само на врло специфичним квантизованим вредностима. А за сваку различиту врсту атома, те специфичне вредности су различите.
Врући гас атомског материјала емитоваће зрачење на врло одређеним таласним дужинама. Ако светлост која долази од овог гаса прође кроз спектроскоп, који шири светлост у спектру по таласној дужини (попут дуге), појавит ће се јасне емисионе линије. Скуп емисионих линија које долазе из гаса може се читати готово као бар код који вам тачно говори који су атоми у гасу.
Слично томе, ако континуирани спектар светлости пада на хладан гас, а светлост која пролази кроз тај гас је тада пролазећи кроз спектроскоп, видели бисте континуирани спектар са тамним празнинама на одређеним таласним дужинама које гас има апсорбован. Овај спектар апсорпције ће изгледати обрнуто од спектра емисије, тамне линије које се појављују тамо где су светле линије за исти гас. Као такав, може се читати и као бар код који вам говори о саставу гаса. Астрономи то све време користе за одређивање састава материјала у свемиру.
Шта је нуклеарна физика?
Нуклеарна физика се фокусира на атомско језгро, нуклеарне реакције и интеракцију језгра са другим честицама. Између осталих тема истражује радиоактивни распад, нуклеарну фузију и нуклеарну фисију, те везујућу енергију.
Језгро садржи чврсто повезан скуп протона и неутрона. Међутим, то нису основне честице. Протони и неутрони су направљени од још мањих честица тзв кваркови.
Кваркови су честице са делимичним набојем и помало глупа имена. Долазе у шест такозваних укуса: горе, доле, горе, одоздо, необично и шармантно. Неутрон се састоји од два доња кварка и горњег кварка, а протон од два горња кварка и доњег кварка. Кваркови у сваком нуклеону чврсто су повезани јаком нуклеарном силом.
Јака нуклеарна сила посредује се честицама тзв глуони. Осећате ли тему? Научници су се забавили именовањем ових честица! Глуони, наравно, "лепе" кваркове. Јака нуклеарна сила делује на врло кратком домету - на растојању упоредивом са пречником језгра просечне величине.
Енергија која повезује
Сваки изоловани неутрон има масу од 1,6749275 × 10-27 кг, а сваки изоловани протон има масу од 1,6726219 × 10-27 кг; међутим, када је повезана заједно у атомско језгро, атомска маса није збир њених саставних делова због нечега што се назива везна енергија.
Постајући чврсто везани, нуклеони постижу ниже енергетско стање као резултат претварања неке енергије у укупну масу коју су имали као појединачне честице. Ова разлика у маси која се претвара у енергију назива се енергија везивања језгра. Однос који описује колико енергије одговара датој количини масе је Ајнштајнов чувени Е = мц2 једначина где м је маса, ц је брзина светлости и Е. је енергија.
Сродни концепт је енергија везивања по нуклеону, што је укупна енергија везивања језгра просечена по његовим саставним деловима. Енергија везивања по нуклеону је добар показатељ колико је језгро стабилно. Ниска енергија везивања по нуклеону указује да би за то могло постојати повољније стање ниже укупне енергије одређено језгро, што значи да ће вероватно желети да се раздвоји или стапи са другим језгром под одговарајућим Услови.
Генерално, језгра лакша од језгара гвожђа теже да постигну нижа енергетска стања и већу енергију везивања по нуклеону, стапањем са другим језгрима, док језгра тежа од гвожђа теже да постигну нижа енергетска стања распадањем на лакша језгра. Процеси у којима се јављају ове промене описани су у следећем одељку.
Фисија, фузија и радиоактивни распад
Главни фокус нуклеарне физике је на проучавању фисије, фузије и распадања атомских језгара. Сви ови процеси вођени су основном представом да све честице преферирају нижа енергетска стања.
До фисије долази када се тешко језгро распадне на мања језгра. Веома тешка језгра су склонија томе јер имају мању енергију везивања по нуклеону. Као што се сећате, постоји неколико сила које управљају оним што се догађа у атомском језгру. Јака нуклеарна сила чврсто веже нуклеоне, али је сила кратког домета. Дакле, за врло велика језгра је мање ефикасан.
Позитивно наелектрисани протони у језгру такође се међусобно одбијају помоћу електромагнетне силе. Ова одбојност мора бити превазиђена јаком нуклеарном силом, а може се посредовати и ако се има довољно неутрона у близини. Али што је веће језгро, то је равнотежа сила неповољнија за стабилност.
Отуда већа језгра имају тенденцију да желе да се распадну или путем радиоактивног процеса распадања, или путем фисионих реакција какве се јављају у нуклеарним реакторима или фисионим бомбама.
Фузија се дешава када два лакша језгра постигну повољније енергетско стање комбиновањем у теже језгро. Међутим, да би дошло до цепања, дотична језгра морају да се приближе једна другој тако да јака нуклеарна сила може да преузме власт. То значи да се морају кретати довољно брзо да би могли превладати електричну одбојност.
Нуклеуси се брзо крећу по екстремним температурама, па је ово стање често потребно. Тако се нуклеарна фузија може одвијати у изузетно врућем сунчевом језгру. До данас научници још увек покушавају да пронађу начин да се догоди хладна фузија - односно фузија на нижим температурама. Будући да се енергија ослобађа у процесу фузије и не оставља радиоактивни отпад као што то чине фисиони реактори, био би невероватан енергетски ресурс ако би се постигао.
Радиоактивни распад је уобичајено средство којим језгра пролазе кроз промене да би постала стабилнија. Постоје три главне врсте распадања: алфа распадање, бета распадање и гама распадање.
У алфа распаду, радиоактивно језгро ослобађа алфа честицу (језгро хелијум-4) и као резултат постаје стабилније. Бета распад се јавља у неколико варијанти, али у суштини је резултат тога што неутрон постаје протон или протон који постаје неутрон и ослобађа β- или β+ честица (електрон или позитрон). Гама распад се дешава када језгро у побуђеном стању ослобађа енергију у облику гама зрака, али задржава свој укупан број неутрона и протона.
Стандардни модел физике честица
Проучавање нуклеарне физике проширује се на шире подручје физике честица, чији је циљ разумевање деловања свих основних честица. Стандардни модел класификује честице у фермионе и бозоне, а затим даље класификује фермионе у кваркове и лептоне, а бозоне у габаритне и скаларне бозоне.
Бозони се не покоравају законима о очувању броја, али фермиони. Такође постоји закон очувања и за лептонске и за кварковске бројеве, као и за остале очуване количине. Интеракције основних честица посредују бозони који преносе енергију.
Примене нуклеарне физике и атомске физике
Примене нуклеарне и атомске физике има у изобиљу. Нуклеарни реактори у нуклеарним електранама стварају чисту енергију искоришћавањем енергије ослобођене током процеса цепања. Нуклеарна медицина користи радиоактивне изотопе за снимање. Астрофизичари спектроскопијом одређују састав удаљених маглина. Снимање магнетне резонанце омогућава лекарима да креирају детаљне слике унутрашњости својих пацијената. Чак и рендгенска технологија користи нуклеарну физику.
