Нуклеарна физика: шта је то, ко је то открио и зашто је то важно?

Неколико облачних дана у Паризу 1896. године „уништило“ је експеримент Хенри Бецкуерела, али у том процесу родило се поље нуклеарне физике. Бецкуерел је желео да докаже своју хипотезу да је уранијум апсорбовао сунчеву светлост и поново је зрачио у облику рендгенских зрака, што је откривено претходне године.

Бекерелов план био је да калијум-уранил-сулфат доведе на сунчеву светлост и да га затим доведе у контакт са фотографским плочама умотаним у црни папир, јер док се видљива светлост не би пробила, рендгенски зраци би. Упркос недостатку сунчеве светлости, он је ипак одлучио да прође кроз процес и био је шокиран када је открио слике још увек забележене на фотографској плочи.

Даља испитивања показала су да то уопште нису рендгенски зраци, упркос његовим претпоставкама. Пут светлости не савија магнетно поље, већ зрачење уранијума је скренуо један, и ово је - заједно са првим резултатом - открило зрачење. Марија Кири је сковала термин радиоактивност, а заједно са супругом Пјером открила је полонијум и радијум, утврђујући прецизне изворе радиоактивности.

Касније је Ернест Рутхерфорд смислио термине алфа честице, бета честице и гама честице за зрачени материјал и поље нуклеарна физика стварно кренуо.

Наравно, људи сада знају много више о нуклеарној физици него што су знали на пријелазу у 20. век, и то је пресудна тема коју треба разумети и научити о било ком студенту физике. Било да желите да разумете природу нуклеарне енергије, јаке и слабе нуклеарне силе или допринесете областима попут нуклеарне медицине, учење основа је од суштинске важности.

Нуклеарна физика је у основи физика језгра, део атома који садржи два најпознатија „Хадрони“, протони и неутрони.

Конкретно, посматра се снаге које делују у језгро (јака интеракција која везује протоне и неутроне у језгру, као и задржавање њихове компоненте кваркови заједно, и слаба интеракција која се односи на радиоактивни распад), и интеракција језгара са другима честице.

Нуклеарна физика покрива теме попут нуклеарне фузије (која се односи на енергију везивања различитих елемената), нуклеарне фисије (која је цепање тешких елемената за производњу енергије) као и радиоактивни распад и основна структура и силе у игри у језгро.

Постоји много практичних примена на терену, укључујући (али не ограничавајући се на) рад у нуклеарној енергији, нуклеарној медицини и физици високих енергија.

Ан атом састоји се од језгра, које садржи позитивно наелектрисане протоне и ненаелектрисане неутроне, које држи јака нуклеарна сила. Они су окружени негативно наелектрисаним електронима, који чине оно што се назива „облак“ око језгра, а број електрона одговара броју протона у неутралном атому.

Током историје физике су предложени бројни модели атома, укључујући Томсонову „шљиву модел пудинга, Рутхерфордов и Боров „планетарни“ модел и савремени, квантно-механички модел који су описани горе.

Језгро је сићушно, око 10⁻¹⁵ м, који садржи главнину масе атома, док је цео атом величине 10⁻¹⁰ м. Не дозволите да вас нотација завара - то значи да је језгро око 100.000 пута мање од атома, али садржи велику већину материје. Дакле, атом је претежно празан простор!

Маса атома ипак није потпуно иста маси саставних делова: Ако збројите масе протона и неутрона, то већ премашује масу атома, пре него што уопште узмете у обзир знатно мању масу атома електрона.

Ово се назива „дефект масе“ атома и ако ову разлику претворите у енергију помоћу Ајнштајнове чувене једначине Е. = мц², добијате „енергију везивања“ језгра.

То је енергија коју бисте морали да унесете у систем да бисте поделили језгро на саставне протоне и неутроне. Те енергије су много, много веће од енергије потребне за уклањање електрона из његове „орбите“ око језгра.

Две врсте нуклеон (тј. честица језгра) су протон и неутрон и они су чврсто повезани заједно у језгру атома.

Иако су ово углавном нуклеони о којима ћете чути, они заправо нису основне честице у стандардном моделу физике честица. И протон и неутрон су састављени од основних честица тзв кваркови, који долазе у шест „укуса“ и сваки носи делић наелектрисања протона или електрона.

Горњи кварк има 2/3 е набој, где е је наелектрисање електрона, док доњи кварк има −1/3 е напунити. То значи да би два горња кварка и доњи кварк заједно произвели честицу са позитивним наелектрисањем величине е, који је протон. Са друге стране, горњи кварк и два доња кварка производе честицу без укупног наелектрисања, неутрон.

Стандардни модел каталогизира све основне честице које су тренутно познате и групише их у две главне групе: фермиони и бозони. Фермионс су подељени на кваркове (који заузврат производе хадроне попут протона и неутрона) и лептоне (који укључују електроне и неутрине), и бозони подељени су на мерне и скаларне бозоне.

Хиггсов бозон је једини скаларни бозон до сада познат, са осталим бозонима - фотоном, глуоном, З.-босони и В бозони - бити мерни бозони.

Фермиони, за разлику од бозона, поштују „законе о очувању броја“. На пример, постоји закон очувања лептонског броја, који објашњава ствари попут честица насталих као део нуклеарног распада процеси (јер стварање електрона са лептонским бројем 1, на пример, мора бити уравнотежено са стварањем друге честице са лептонским бројем -1, као што је електронски анти-неутрино).

Очуван је и број кварка, а постоје и друге очуване количине.

Бозони су честице које носе силу, па су интеракције основних честица посредоване бозонима. На пример, интеракција кваркова посредује се глуонима, а електромагнетне интеракције фотонима.

Иако се електромагнетна сила примењује у језгру, главне силе које требате узети у обзир су јаке и слабе нуклеарне силе. Јаку нуклеарну силу носе глуони, а слабу нуклеарну силу В^± и З.⁰ бозони.

Као што и само име говори, јака нуклеарна сила је најјача од свих основних сила, праћена електромагнетизмом (10² пута слабија), слаба сила (10⁶ пута слабија) и гравитација (10⁴⁰ пута слабији). Огромна разлика између гравитације и осталих сила је разлог зашто је физичари у основи занемарују када разговарају о материји на атомском нивоу.

Јака сила потребе да буде јак за превазилажење електромагнетне одбојности између позитивно наелектрисаних протона у језгру - ако га има били слабији од електромагнетне силе, ниједан атом са више од једног протона у језгру не би могао да облик. Међутим, јака сила има врло кратког домета.

Ово је важно јер показује зашто сила није приметна ни на скали целих атома или молекула, али то такође значи да електромагнетна одбојност постаје релевантнија за тешка језгра (тј. већи атоми). То је један од разлога зашто су нестабилна језгра често она тешких елемената.

Слаба сила такође има врло мали домет и у основи узрокује да кваркови промене укус. То може проузроковати да протон постане неутрон и обрнуто, па се о томе може размишљати као о узроку нуклеарни распад процеси попут бета плус и минус пропадања.

Постоје три врсте радиоактивног распада: алфа распад, бета распад и гама распад. Алфа распад је када се атом распада ослобађањем „алфа честице“, што је други израз за језгро хелијума.

Постоје три подврсте бета распада, али сви они укључују протон који се претвара у неутрон или обрнуто. Бета минус распад је када неутрон постане протон и ослободи електрон и електронски анти-неутрино у процесу, док је у бета плус распаду, протон постаје неутрон и ослобађа позитрон (тј. антиелектрон) и електрон неутрино.

При хватању електрона, електрон из спољних делова атома се апсорбује у језгро и протон се претвара у неутрон, а неутрино се ослобађа из процеса.

Гама распад је распад где се енергија ослобађа, али се у атому ништа не мења. Ово је аналогно начину на који се фотон ослобађа када електрон направи прелаз из високоенергетског у нискоенергетско стање. Узбуђено језгро прави прелаз у нискоенергетско стање и емитује гама зрак као што то чини.

Нуклеарна фузија је када се два језгра стопе и стварају теже језгро. Ово је начин на који се енергија генерише на сунцу, а постизање процеса на Земљи за производњу електричне енергије један је од највећих циљева експерименталне физике.

Проблем је што захтевају изузетно високе температуре и притиске, а самим тим и веома висок ниво енергије. Међутим, ако га научници постигну, фузија би могла постати витални извор енергије како друштво наставља да расте, а ми трошимо све веће количине енергије.

Нуклеарна фисија је цепање тешког елемента на два лакша језгра и то је оно што покреће тренутну генерацију нуклеарних реактора.

Фисија је такође принцип деловања нуклеарног оружја, што је један од главних разлога што је контроверзно подручје. У пракси фисија делује кроз низ ланчаних реакција. Неутрон који ствара почетни расцеп у тешком елементу попут уранијума, генерише даљи слободни неутрон након реакције, који затим може да изазове нови раскол и тако даље.

У основи, оба ова процеса добијају енергију путем Е. = мц² однос, јер стапање или цепање атома укључује ослобађање енергије из „масе која недостаје“.

Нуклеарна физика има огроман спектар примена. Нужно је да нуклеарни реактори и нуклеарне електране раде у многим земљама света, а многи физичари раде на новим и сигурнијим пројектима.

На пример, неки пројекти нуклеарних реактора имају за циљ да обезбеде да изворни материјал не може да се користи створити нуклеарно оружје, које захтева много богатији извор уранијума (тј. „чистији“ уранијум) да би оперишу.

Нуклеарна медицина је још једно важно подручје за нуклеарну физику. Нуклеарна медицина подразумева давање врло малих количина радиоактивног материјала пацијенту, а затим се детектори користе за хватање слика од одашиљаног зрачења. Ово помаже лекарима у дијагнози бубрега, штитне жлезде, срца и других стања.

Наравно, постоје многа друга подручја у којима је у основи нуклеарна физика, укључујући физику високих енергија и честице акцелератори попут ЦЕРН-а и астрофизике, где многи од доминантних процеса у звездама снажно зависе од нуклеара стање.