Nuclear & Atomic (Physics): En nybörjarhandbok för studenter

Atom- och kärnfysik beskriver båda de mycket små fysiken. När du arbetar med sådana små föremål misslyckas ofta din intuition som bygger på din förståelse för klassisk mekanik. Detta är kvantmekanikens rike, kärnkrafter med kort räckvidd, elektromagnetisk strålning och standardmodellen för partikelfysik.

Atomfysik är den gren av fysiken som behandlar atomens struktur, associerade energitillstånd och interaktionen mellan atomen och partiklar och fält. Däremot fokuserar kärnfysik specifikt på pågår inuti atomkärnan, vilket beskrivs mer detaljerat i nästa avsnitt.

Det finns flera studier i partikelfysik. Först och främst är själva atomens struktur. Atomer består av en tätt bunden kärna, som innehåller protoner och neutroner, och ett diffust elektronmoln.

Med tanke på att kärnan vanligtvis är i storleksordningen 10^-15 till 10^-14 m i diameter, och själva atomerna är i storleksordningen 10^-10 m i diameter (och storleken på elektronerna är försumbar) visar det sig att atomer mestadels är tomma utrymmen. Naturligtvis verkar de inte som de är och allt som är gjort av atomer känns verkligen som substans.

Anledningen till att atomer inte verkar vara tomma rum är att du också är gjord av atomer, och alla atomer interagerar med elektromagnetisk energi. Även om din hand, som består av mestadels tomrumsatomer, pressar mot ett bord, består den också mestadels av tomt utrymme, passerar den inte genom bordet på grund av de elektromagnetiska krafterna mellan atomerna när de kommer in Kontakt.

Neutrino, en partikel som inte interagerar med den elektromagnetiska kraften, kan emellertid passera genom det mesta atommaterialet praktiskt taget oupptäckt. Faktum är att 100 biljoner neutrino passerar genom din kropp varje sekund!

Atomer klassificeras efter atomnummer i det periodiska systemet. Atomtalet är antalet protoner som atomen innehåller i sin kärna. Detta nummer definierar elementet.

Medan ett givet element alltid kommer att ha samma antal protoner, kan det innehålla olika antal neutroner. Olika isotoper av ett element innehåller olika antal neutroner. Vissa isotoper är mer stabila än andra (vilket betyder mindre benägna att spontant förfalla till något annat), och denna stabilitet beror vanligtvis på antalet neutroner, vilket är anledningen till att majoriteten av atomerna för de flesta elementen har en specifik isotop.

Antalet elektroner som en atom innehåller avgör om den är joniserad eller laddad. En neutral atom innehåller samma antal elektroner som protoner, men ibland kan atomer få eller förlora elektroner och bli laddade. Hur lätt en atom vinner eller förlorar elektroner beror på dess elektronbana-struktur.

Väteatomen är den enklaste atomen, som bara innehåller en proton i sin kärna. De tre mest stabila isotoperna av väte är protium (utan neutroner), deuterium (innehållande en neutron) och tritium (innehållande två neutroner) med protium som är den vanligaste.

Olika modeller av atomen har föreslagits genom åren, vilket leder till den nuvarande modellen. Tidigt arbete utfördes av Ernest Rutherford, Niels Bohr och andra.

Som nämnts interagerar atomer med den elektromagnetiska kraften. Protonerna i en atom bär positiv laddning och elektronerna bär negativ laddning. Elektronerna i atomen kan absorbera elektromagnetisk strålning och uppnå ett högre energitillstånd som ett resultat, eller avge strålning och flytta till ett lägre energitillstånd.

En viktig egenskap för denna absorbering och utsändning av strålning är att atomer absorberar och avger strålning endast vid mycket specifika kvantiserade värden. Och för varje annan typ av atom är dessa specifika värden olika.

En het gas av atommaterial avger strålning vid mycket specifika våglängder. Om ljus som kommer från denna gas passerar genom ett spektroskop, som sprider ut ljuset i ett spektrum med våglängd (som en regnbåge), kommer olika distributionslinjer att dyka upp. Uppsättningen av utsläppslinjer som kommer från gasen kan läsas nästan som en streckkod som berättar exakt vilka atomer som finns i gasen.

På samma sätt, om ett kontinuerligt spektrum av ljus inträffar på en sval gas, och ljuset som passerar genom den gasen är då passerade genom ett spektroskop, skulle du se ett kontinuerligt spektrum med mörka luckor vid de specifika våglängderna som gasen absorberad. Detta absorptionsspektrum kommer att se ut som det inversa av emissionsspektrumet, de mörka linjerna visas där de ljusa linjerna var för samma gas. Som sådan kan den också läsas som en streckkod som berättar gasens sammansättning. Astronomer använder detta hela tiden för att bestämma materialets sammansättning i rymden.

Kärnfysik fokuserar på atomkärnan, kärnreaktioner och interaktionen mellan kärnan och andra partiklar. Den utforskar bland annat radioaktivt förfall, kärnfusion och kärnklyvning och bindande energi.

Kärnan innehåller en tätt bunden klump av protoner och neutroner. Dessa är dock inte grundläggande partiklar. Protoner och neutroner är tillverkade av ännu mindre partiklar som kallas kvarkar.

Kvarkar är partiklar med fraktionerad laddning och något dumma namn. De finns i sex så kallade smaker: upp, ner, topp, botten, konstigt och charmigt. En neutron består av två nerkvarkar och en uppkvark, och ett proton består av två uppkvarkar och en nedkvark. Kvarkerna i varje nukleon är tätt bundna av den starka kärnkraften.

Den starka kärnkraften förmedlas av partiklar som kallas gluoner. Känner du ett tema? Forskarna hade mycket roligt att namnge dessa partiklar! Limar limar naturligtvis kvarkerna ihop. Den starka kärnkraften verkar endast på mycket kort räckvidd - på ett avstånd som kan jämföras med diametern på den medelstora kärnan.

Varje isolerad neutron har en massa av 1,6749275 × 10^-27 kg, och varje isolerad proton har en massa av 1,6726219 × 10^-27 kg; Men när den är bunden i en atomkärna är inte atommassan summan av dess beståndsdelar på grund av något som kallas bindande energi.

Genom att bli tätt bundna uppnår nukleonerna ett lägre energitillstånd till följd av att en del av den totala massan de hade som individuella partiklar omvandlades till energi. Denna massskillnad som omvandlas till energi kallas kärnans bindningsenergi. Förhållandet som beskriver hur mycket energi som motsvarar en viss mängd massa är Einsteins berömda E = mc² ekvation var m är massan, c är ljusets hastighet och E är energin.

Ett besläktat koncept är bindningsenergin per nukleon, som är den totala bindningsenergin för en kärna i genomsnitt över dess beståndsdelar. Bindningsenergin per nukleon är en bra indikator på hur stabil en kärna är. En låg bindande energi per nukleon indikerar att ett mer gynnsamt tillstånd med lägre total energi kan existera för det särskild kärna, vilket betyder att den antagligen vill splittras eller smälta samman med en annan kärna under rätt betingelser.

I allmänhet tenderar kärnor som är lättare än järnkärnor att uppnå lägre energitillstånd och högre bindningsenergi per nukleon genom smältning med andra kärnor, medan kärnor som är tyngre än järn tenderar att uppnå lägre energitillstånd genom att bryta sönder till lättare kärnor. Processerna genom vilka dessa förändringar sker beskrivs i nästa avsnitt.

Huvudfokus för kärnfysik är att studera klyvning, fusion och sönderfall av atomkärnor. Dessa processer drivs alla av en grundläggande uppfattning att alla partiklar föredrar lägre energitillstånd.

Klyvning uppstår när en tung kärna bryts sönder i mindre kärnor. Mycket tunga kärnor är mer benägna att göra detta eftersom de har en mindre bindningsenergi per nukleon. Som ni kanske kommer ihåg finns det några krafter som styr vad som händer i en atomkärna. Den starka kärnkraften binder samman nukleonerna tätt, men det är en mycket kortdistansstyrka. Så för mycket stora kärnor är det mindre effektivt.

De positivt laddade protonerna i kärnan stöter också bort varandra via den elektromagnetiska kraften. Denna avstötning måste övervinnas av den starka kärnkraften och kan också förmedlas genom att ha tillräckligt med neutroner i närheten. Men ju större kärnan är, desto mindre gynnsam är kraftbalansen för stabilitet.

Därför tenderar större kärnor att bryta sönder antingen via radioaktiva sönderfallsprocesser eller via fissionsreaktioner som de som förekommer i kärnreaktorer eller fissionsbomber.

Fusion uppstår när två lättare kärnor uppnår ett mer gynnsamt energitillstånd genom att de kombineras till en tyngre kärna. För att klyvning ska kunna ske måste emellertid kärnorna i fråga komma tillräckligt nära varandra så att den starka kärnkraften kan ta över. Detta innebär att de måste gå tillräckligt snabbt så att de kan övervinna elektrisk avstötning.

Kärnor rör sig snabbt i extrema temperaturer, så detta tillstånd krävs ofta. Så här kan kärnfusion äga rum i den extremt heta solen. Fram till i dag försöker forskare fortfarande hitta ett sätt att få kall fusion att inträffa - det vill säga fusion vid lägre temperaturer. Eftersom energi släpps ut i fusionsprocessen och inte lämnar radioaktivt avfall som klyvningsreaktorer tenderar att göra, skulle det vara en otrolig energiresurs om den uppnås.

Radioaktivt sönderfall är ett vanligt sätt genom vilket kärnor genomgår förändringar för att bli mer stabila. Det finns tre huvudtyper av förfall: alfa-förfall, beta-förfall och gammaförfall.

Vid alfa-sönderdelning frigör en radioaktiv kärna en alfapartikel (en helium-4-kärna) och blir mer stabil som ett resultat. Betaförfall finns i några få varianter, men i huvudsak beror det på att antingen en neutron blir en proton eller att en proton blir en neutron och släpper ut en β^- eller β⁺ partikel (en elektron eller en positron). Gamma-sönderfall uppstår när en kärna i ett upphetsat tillstånd släpper ut energi i form av gammastrålar, men bibehåller sitt totala antal neutroner och protoner.

Studien av kärnfysik sträcker sig in i det större området för partikelfysik, som syftar till att förstå hur alla grundläggande partiklar fungerar. Standardmodellen klassificerar partiklar i fermioner och bosoner och klassificerar sedan ytterligare fermioner i kvarker och leptoner och bosoner i mät- och skalarbosoner.

Bosons följer inte nummerbevarande lagar, men fermioner gör det. Det finns också en lag för bevarande för både lepton- och kvarknummer förutom andra konserverade mängder. Samspelet mellan de grundläggande partiklarna förmedlas av de energibärande bosonerna.

Tillämpningar av kärn- och atomfysik är rikliga. Kärnreaktorer i kärnkraftverk skapar ren energi genom att utnyttja den energi som släpps ut under fissionsprocesser. Kärnmedicin använder radioaktiva isotoper för avbildning. Astrofysiker använder spektroskopi för att bestämma sammansättningen av avlägsna nebulosor. Magnetisk resonanstomografi gör det möjligt för läkare att skapa detaljerade bilder av deras patients insida. Även röntgenteknologi använder kärnfysik.