Kärnfysik: Vad är det, vem upptäckte det och varför är det viktigt?

Flera molniga dagar i Paris 1896 ”förstörde” Henri Becquerels experiment, men under processen föddes kärnfysikens område. Becquerel var ute efter att bevisa sin hypotes att uran absorberade solljus och strålade ut det igen i form av röntgenstrålar, vilket hade upptäckts föregående år.

Becquerels plan var att föra kaliumuranylsulfatet i solljuset och sedan bringa det i kontakt med fotografiska plattor insvept i svart papper, för medan synligt ljus inte skulle klara det, röntgenstrålar skulle. Trots bristen på solljus bestämde han sig för att gå igenom processen ändå och blev chockad när han upptäckte bilder som fortfarande spelats in på fotoplattan.

Ytterligare tester visade att det inte alls var röntgenstrålar trots hans antaganden. Ljusvägen är inte böjd av ett magnetfält, utan strålning från uran avböjdes av en, och detta - tillsammans med det första resultatet - var hur strålning upptäcktes. Marie Curie myntade termen radioaktivitet och upptäckte tillsammans med sin man Pierre polonium och radium och fastnade i de exakta källorna till radioaktiviteten.

Senare kom Ernest Rutherford med termerna alfapartiklar, betapartiklar och gammapartiklar för det utstrålade materialet och fältet för kärnfysik kom verkligen igång.

Naturligtvis vet människor mycket mer om kärnfysik nu än vad de gjorde vid början av 1900-talet, och det är ett viktigt ämne att förstå och lära sig om för alla fysikstudenter. Oavsett om du vill förstå arten av kärnenergi, de starka och svaga kärnkrafterna eller bidra till områden som kärnmedicin, är det viktigt att lära dig grunderna.

Kärnfysik är i huvudsak kärnans fysik, den del av atomen som innehåller de två mest kända "Hadroner" protoner och neutroner.

I synnerhet ser det på krafterna som arbetar i kärna (den starka interaktionen som binder protoner och neutroner i kärnan, såväl som att de håller sin komponent kvarkar tillsammans, och den svaga interaktionen relaterad till radioaktivt förfall) och interaktionen mellan kärnor och andra partiklar.

Kärnfysik täcker ämnen som kärnfusion (som relaterar till bindningsenergin hos olika element), kärnklyvning (vilket är klyvning av tunga element för att producera energi) såväl som radioaktivt sönderfall och den grundläggande strukturen och krafterna som spelas i kärna.

Det finns många praktiska tillämpningar inom området, inklusive (men inte begränsat till) arbete inom kärnenergi, kärnmedicin och högenergifysik.

Ett atom består av en kärna, som innehåller de positivt laddade protonerna och oladdade neutronerna, som hålls samman av den starka kärnkraften. Dessa omges av negativt laddade elektroner, som bildar det som kallas ett "moln" runt kärnan, och antalet elektroner matchar antalet protoner i en neutral atom.

Det har föreslagits många modeller av atomen genom fysikens historia, inklusive Thomsons ”plommon pudding-modellen, Rutherfords och Bohrs "planetariska" modell och den moderna, kvantmekaniska modellen som beskrivs ovan.

Kärnan är liten, cirka 10⁻¹⁵ m, innehållande huvuddelen av atommassan, medan hela atomen är i storleksordningen 10⁻¹⁰ m. Låt inte notationen lura dig - det betyder att kärnan är ungefär 100 000 gånger mindre än atomen totalt sett, men den innehåller den stora majoriteten av saken. Så atomen är övervägande tomt utrymme!

Atommassan är dock inte exakt densamma som massan av de ingående delarna: Om du lägger till massorna av protoner och neutroner överstiger den redan atomens massa innan du ens tar hänsyn till den mycket mindre massan av elektron.

Detta kallas atomens "massdefekt", och om du konverterar denna skillnad till energi med Einsteins berömda ekvation E = mc², du får kärnans "bindande energi".

Detta är den energi du skulle behöva lägga in i systemet för att dela kärnan i dess ingående protoner och neutroner. Dessa energier är mycket, mycket större än den energi som krävs för att ta bort en elektron från sin "bana" runt kärnan.

De två typerna av nukleon (dvs partikel av kärnan) är protonen och neutronen, och dessa är tätt bundna i atomens kärna.

Även om dessa i allmänhet är de nukleoner du kommer att höra om, är de egentligen inte grundläggande partiklar i standardmodellen för partikelfysik. Protonen och neutronen består båda av grundläggande partiklar som kallas kvarkar, som finns i sex "smaker" och var och en bär en bråkdel av laddningen av en proton eller en elektron.

En uppkvark har en 2/3 e avgift, var e är laddningen av en elektron, medan en nedkvark har en −1/3 e avgift. Detta innebär att två uppkvarkar och en nedkvark tillsammans skulle producera en partikel med en positiv laddning av storlek e, vilket är ett proton. Å andra sidan producerar en uppkvark och två nerkvarkar en partikel utan total laddning, neutronen.

Standardmodellen katalogiserar alla de grundläggande partiklar som för närvarande är kända och grupperar dem i två huvudgrupper: fermioner och bosoner. Fermions är indelade i kvarkar (som i sin tur producerar hadroner som protoner och neutroner) och leptoner (som inkluderar elektroner och neutriner), och bosoner är indelade i mät- och skalarbosoner.

Higgs Boson är den enda skalära bosonen som hittills är känd, med de andra bosonerna - foton, gluon, Z-bosons och W bosoner - vara mätarbosoner.

Fermions, till skillnad från bosoner, följer "nummerbevarande lagar." Till exempel finns det en lag för bevarande av leptontal, som förklarar saker som partiklar som produceras som en del av kärnförfall processer (eftersom skapandet av en elektron med lepton nummer 1, till exempel, måste balanseras med skapandet av en annan partikel med lepton nummer −1, såsom ett elektronantineutrino).

Kvarknummer bevaras också, och det finns också andra konserverade kvantiteter.

Bosoner är kraftbärande partiklar, så interaktioner mellan de grundläggande partiklarna förmedlas av bosonerna. Exempelvis förmedlas interaktionen mellan kvarkar av gluoner och elektromagnetiska interaktioner förmedlas av fotoner.

Även om den elektromagnetiska kraften gäller i kärnan är de viktigaste krafterna du behöver tänka på de starka och svaga kärnkrafterna. Den starka kärnkraften bärs av gluoner och den svaga kärnkraften bärs av W^± och den Z⁰ bosoner.

Som namnet antyder är den starka kärnkraften den starkaste av alla grundläggande krafter, följt av elektromagnetism (10² gånger svagare), den svaga kraften (10⁶ gånger svagare) och tyngdkraften (10⁴⁰ gånger svagare). Den stora skillnaden mellan gravitationen och resten av krafterna är varför fysiker i huvudsak försummar den när man diskuterar materia på atomnivå.

Den starka kraften behov att vara stark för att övervinna det elektromagnetiska avstötningen mellan de positivt laddade protonerna i kärnan - om den hade varit svagare än den elektromagnetiska kraften skulle inga atomer med mer än en proton i kärnan ha kunnat form. Men den starka kraften har en mycket kort avstånd.

Detta är viktigt eftersom det visar varför kraften inte märks ens på skalan av hela atomer eller molekyler, men det betyder också att elektromagnetisk avstötning blir mer relevant för tunga kärnor (dvs. större atomer). Detta är en av anledningarna till att instabila kärnor ofta är de av de tunga elementen.

Den svaga kraften har också en mycket kort räckvidd, och det orsakar i huvudsak kvarker att ändra smak. Detta kan orsaka att en proton blir en neutron och vice versa, och så kan den ses som orsaken till kärnkraftsförfall processer som beta plus och minus förfall.

Det finns tre typer av radioaktivt sönderfall: alfa-sönderfall, beta-sönderfall och gammaförfall. Alfa-sönderfall är när en atom sönderfaller genom att släppa en "alfa-partikel", vilket är en annan term för en heliumkärna.

Det finns tre undertyper av betaförfall, men alla involverar en proton som förvandlas till en neutron eller vice versa. En beta minus sönderfall är när en neutron blir en proton och släpper ut en elektron och en elektron-anti-neutrino i processen, medan i beta plus sönderfall blir en proton en neutron och frigör en positron (dvs. en anti-elektron) och en elektron neutrino.

Vid elektronupptagning absorberas en elektron från atomens yttre delar i kärnan och en proton omvandlas till en neutron och en neutrino frigörs från processen.

Gamma-sönderfall är ett sönderfall där energi frigörs men ingenting i atomen förändras. Detta är analogt med hur en foton frigörs när en elektron gör en övergång från ett högenergi till ett lågt energitillstånd. En upphetsad kärna gör en övergång till ett lågenergitillstånd och avger en gammastråle som den gör.

Kärnfusion är när två kärnor smälter samman och skapar en tyngre kärna. Det här är hur energi genereras i solen och att få processen att ske på jorden för kraftproduktion är ett av de största målen för experimentell fysik.

Problemet är att det kräver extremt höga temperaturer och tryck, och därför mycket höga energinivåer. Men om forskare uppnår det kan fusion bli en viktig kraftkälla när samhället fortsätter att växa och vi konsumerar ökande mängder energi.

Kärnfission är att dela ett tungt element i två lättare kärnor, och det är det som driver den nuvarande generationen av kärnreaktorer.

Fission är också funktionsprincipen för kärnvapen, vilket är en av de främsta anledningarna till att det är ett kontroversiellt område. I praktiken fungerar klyvning genom en serie kedjereaktioner. En neutron som skapar den initiala uppdelningen i ett tungt element som uran, genererar ytterligare en fri neutron efter reaktionen, som sedan kan fortsätta att orsaka en ny uppdelning och så vidare.

I huvudsak får båda dessa processer energi genom E = mc² förhållande, eftersom smältning eller splittring av atomer innebär frigöring av energi från den "saknade massan."

Det finns ett stort utbud av tillämpningar av kärnfysik. Särskilt kärnreaktorer och kärnkraftverk är operativa i många länder runt om i världen, och många fysiker arbetar med nya och säkrare konstruktioner.

Till exempel syftar vissa kärnreaktordesigner till att säkerställa att källmaterialet inte kan användas skapa kärnvapen, som kräver en mycket mer anrikad källa av uran (dvs. ett "renare" uran) för att fungera.

Kärnmedicin är ett annat viktigt område för kärnfysik. Kärnmedicin innebär att mycket små mängder radioaktivt material administreras till patienten, och sedan används detektorer för att fånga bilder från den avgivna strålningen. Detta hjälper läkare att diagnostisera njure, sköldkörtel, hjärta och andra tillstånd.

Naturligtvis finns det många andra områden där kärnfysik i huvudsak är, inklusive högenergifysik och partiklar acceleratorer som CERN och astrofysik, där många av de dominerande processerna i stjärnor är starkt beroende av kärnkraft fysik.