Nuclear & Atomic (ฟิสิกส์): คู่มือสำหรับผู้เริ่มต้นสำหรับนักเรียน

ฟิสิกส์ปรมาณูและนิวเคลียร์ทั้งสองอธิบายฟิสิกส์ของวัตถุขนาดเล็กมาก เมื่อทำงานกับวัตถุขนาดเล็กเช่นนี้ สัญชาตญาณของคุณที่สร้างขึ้นจากความเข้าใจเกี่ยวกับกลไกแบบคลาสสิกมักจะล้มเหลว นี่คือขอบเขตของกลศาสตร์ควอนตัม แรงนิวเคลียร์ระยะสั้น การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า และแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค

ฟิสิกส์อะตอมเป็นสาขาของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างของอะตอม สถานะพลังงานที่เกี่ยวข้อง และปฏิสัมพันธ์ของอะตอมกับอนุภาคและสนาม ในทางตรงกันข้าม ฟิสิกส์นิวเคลียร์มุ่งเน้นไปที่สิ่งที่เกิดขึ้นภายในนิวเคลียสของอะตอมโดยเฉพาะ ซึ่งจะอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมในหัวข้อถัดไป

มีการศึกษาหลายรายการในฟิสิกส์อนุภาค ประการแรกคือโครงสร้างของอะตอมเอง อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีพันธะแน่น ซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน และเมฆอิเล็กตรอนแบบกระจาย

เนื่องจากนิวเคลียสมักจะอยู่ในลำดับ 10^-15 ถึง 10^-14 เส้นผ่านศูนย์กลาง ม. และอะตอมเองก็อยู่ในลำดับ 10^-10 เส้นผ่านศูนย์กลาง ม. (และขนาดของอิเล็กตรอนนั้นเล็กน้อย) ปรากฎว่าอะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง แน่นอนว่าพวกมันดูไม่เหมือนพวกมัน และเรื่องทั้งหมดที่ทำจากอะตอมก็รู้สึกเหมือนกับสสารอย่างแน่นอน

เหตุผลที่อะตอมไม่ได้ดูเหมือนส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่างเพราะคุณถูกสร้างขึ้นจากอะตอมด้วย และอะตอมทั้งหมดมีปฏิสัมพันธ์กับพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า แม้ว่ามือของคุณซึ่งประกอบขึ้นจากอะตอมในอวกาศเป็นส่วนใหญ่ ไปกดทับโต๊ะก็ประกอบขึ้นด้วย พื้นที่ว่างมันไม่ผ่านโต๊ะเพราะแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอะตอมเมื่อพวกมันเข้ามา ติดต่อ.

อย่างไรก็ตาม นิวตริโนซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีปฏิกิริยากับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถผ่านวัสดุอะตอมส่วนใหญ่โดยแทบไม่ตรวจพบ ในความเป็นจริง 100 ล้านล้านนิวตริโนผ่านร่างกายของคุณทุกวินาที!

อะตอมถูกจำแนกตามเลขอะตอมในตารางธาตุ เลขอะตอมคือจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม ตัวเลขนี้กำหนดองค์ประกอบ

แม้ว่าองค์ประกอบที่กำหนดจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่ก็สามารถมีจำนวนนิวตรอนต่างกันได้ ไอโซโทปที่แตกต่างกันของธาตุมีจำนวนนิวตรอนต่างกัน ไอโซโทปบางชนิดมีความคงตัวมากกว่าไอโซโทปชนิดอื่น (หมายถึงมีโอกาสน้อยที่จะสลายไปเองตามธรรมชาติ) และความเสถียรนี้ โดยทั่วไปแล้วจะขึ้นอยู่กับจำนวนของนิวตรอน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสำหรับองค์ประกอบส่วนใหญ่ อะตอมส่วนใหญ่มักจะมีจำนวนอะตอมเฉพาะ ไอโซโทป.

จำนวนของอิเล็กตรอนที่อะตอมมีจะเป็นตัวกำหนดว่าอิออนหรือประจุไฟฟ้า อะตอมที่เป็นกลางมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับโปรตอน แต่บางครั้งอะตอมสามารถได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอนและกลายเป็นประจุ อะตอมได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอนได้ง่ายเพียงใดขึ้นอยู่กับโครงสร้างการโคจรของอิเล็กตรอน

อะตอมไฮโดรเจนเป็นอะตอมที่ง่ายที่สุดซึ่งมีโปรตอนเพียงตัวเดียวในนิวเคลียส ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดสามไอโซโทปของไฮโดรเจนคือโปรเทียม (ไม่มีนิวตรอน) ดิวเทอเรียม (ประกอบด้วยนิวตรอนหนึ่งตัว) และทริเทียม (ประกอบด้วยสองนิวตรอน) โดยที่โปรเทียมมีมากที่สุด

มีการเสนอแบบจำลองต่างๆ ของอะตอมในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ซึ่งนำไปสู่แบบจำลองปัจจุบัน งานแรกทำโดย Ernest Rutherford, Niels Bohr และคนอื่นๆ

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วอะตอมมีปฏิสัมพันธ์กับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า โปรตอนในอะตอมมีประจุบวกและอิเล็กตรอนมีประจุลบ อิเล็กตรอนในอะตอมสามารถดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและบรรลุสถานะพลังงานที่สูงขึ้น หรือการแผ่รังสีและเคลื่อนที่ไปยังสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า

คุณสมบัติสำคัญประการหนึ่งของการดูดกลืนและการปล่อยรังสีนี้คืออะตอมดูดซับและปล่อยรังสีเฉพาะที่ค่าเชิงปริมาณที่จำเพาะเจาะจงเท่านั้น และสำหรับอะตอมแต่ละชนิด ค่าเฉพาะเหล่านั้นก็ต่างกัน

ก๊าซร้อนของวัสดุปรมาณูจะปล่อยรังสีที่ความยาวคลื่นที่จำเพาะเจาะจง หากแสงที่มาจากก๊าซนี้ถูกส่งผ่านสเปกโตรสโคป ซึ่งจะกระจายแสงออกเป็นสเปกตรัมตามความยาวคลื่น (เช่น รุ้ง) เส้นการแผ่รังสีที่ชัดเจนจะปรากฏขึ้น ชุดของท่อส่งก๊าซที่มาจากก๊าซสามารถอ่านได้เกือบจะเหมือนกับบาร์โค้ดที่บอกคุณว่าอะตอมในก๊าซมีอะไรบ้าง

ในทำนองเดียวกัน หากสเปกตรัมของแสงต่อเนื่องตกกระทบบนก๊าซเย็น และแสงที่ผ่านก๊าซนั้นก็จะเป็นเช่นนั้น ผ่านสเปกโตรสโคปคุณจะเห็นสเปกตรัมต่อเนื่องที่มีช่องว่างมืดที่ความยาวคลื่นเฉพาะที่ก๊าซ ดูดซึม สเปกตรัมการดูดกลืนนี้จะดูเหมือนผกผันของสเปกตรัมการแผ่รังสี ซึ่งเป็นเส้นสีดำที่ปรากฏในตำแหน่งที่เส้นสว่างเป็นก๊าซชนิดเดียวกัน ด้วยเหตุนี้จึงสามารถอ่านได้เหมือนบาร์โค้ดที่บอกองค์ประกอบของแก๊ส นักดาราศาสตร์ใช้สิ่งนี้ตลอดเวลาเพื่อกำหนดองค์ประกอบของวัสดุในอวกาศ

ฟิสิกส์นิวเคลียร์มุ่งเน้นไปที่นิวเคลียสของอะตอม ปฏิกิริยานิวเคลียร์ และปฏิสัมพันธ์ของนิวเคลียสกับอนุภาคอื่นๆ สำรวจการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี นิวเคลียสฟิวชันและนิวเคลียร์ฟิชชัน และพลังงานยึดเหนี่ยว ตลอดจนหัวข้ออื่นๆ

นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่จับกันแน่น อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่อนุภาคพื้นฐาน โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่า ควาร์ก.

ควาร์กเป็นอนุภาคที่มีประจุเป็นเศษส่วนและเป็นชื่อที่ค่อนข้างไร้สาระ มีทั้งหมด 6 รส ได้แก่ ขึ้น ลง บน ล่าง แปลก และมีเสน่ห์ นิวตรอนประกอบด้วยดาวน์ควาร์กสองตัวและอัพควาร์ก และโปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์กสองตัวและดาวน์ควาร์กหนึ่งตัว ควาร์กในนิวคลีออนแต่ละนิวคลีออนถูกผูกมัดอย่างแน่นหนาด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างแรง

แรงนิวเคลียร์อย่างแรงนั้นอาศัยอนุภาคที่เรียกว่า กลูออน. คุณรู้สึกถึงธีมหรือไม่? นักวิทยาศาสตร์สนุกกับการตั้งชื่ออนุภาคเหล่านี้มาก! Gluons แน่นอน "กาว" ควาร์กเข้าด้วยกัน แรงนิวเคลียร์อย่างแรงกระทำในช่วงสั้น ๆ เท่านั้น - ในระยะทางที่เทียบได้กับเส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียสขนาดเฉลี่ย

นิวตรอนที่แยกเดี่ยวทุกตัวมีมวล 1.6749275 × 10^-27 กิโลกรัม และโปรตอนแยกทุกตัวมีมวล 1.6726219 × 10^-27 กิโลกรัม; อย่างไรก็ตาม เมื่อรวมเข้าด้วยกันในนิวเคลียสของอะตอม มวลอะตอมไม่ใช่ผลรวมของส่วนประกอบต่างๆ อันเนื่องมาจากสิ่งที่เรียกว่าพลังงานยึดเหนี่ยว

นิวคลีออนจะมีสถานะพลังงานต่ำลงอันเป็นผลมาจากมวลรวมบางส่วนที่พวกมันมีจากการที่อนุภาคแต่ละตัวถูกแปลงเป็นพลังงานโดยการเกาะติดกันอย่างแน่นหนา ความต่างของมวลที่แปลงเป็นพลังงานนี้เรียกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส ความสัมพันธ์ที่อธิบายจำนวนพลังงานที่สอดคล้องกับมวลที่กำหนดนั้นมีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ E = mc² สมการที่ ม คือมวล ค คือความเร็วแสงและ อี คือพลังงาน

แนวคิดที่เกี่ยวข้องกันคือพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน ซึ่งเป็นพลังงานยึดเหนี่ยวทั้งหมดของนิวเคลียสที่หาค่าเฉลี่ยในส่วนที่เป็นส่วนประกอบ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนเป็นตัวบ่งชี้ที่ดีว่านิวเคลียสมีความเสถียรเพียงใด พลังงานการจับที่ต่ำต่อนิวคลีออนบ่งชี้ว่าอาจมีสถานะที่ดีกว่าของพลังงานรวมที่ต่ำกว่าสำหรับสิ่งนั้น นิวเคลียสเฉพาะ หมายความว่ามันมีแนวโน้มที่จะต้องการแยกออกจากกันหรือหลอมรวมกับนิวเคลียสอื่นภายใต้ที่เหมาะสม เงื่อนไข

โดยทั่วไป นิวเคลียสที่เบากว่านิวเคลียสของเหล็กมีแนวโน้มที่จะบรรลุสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า และพลังงานการยึดเกาะต่อนิวคลีออนที่สูงขึ้น โดยการหลอมรวม กับนิวเคลียสอื่น ๆ ในขณะที่นิวเคลียสที่หนักกว่าเหล็กมักจะได้รับสถานะพลังงานที่ต่ำกว่าโดยแยกออกเป็นไฟแช็ก นิวเคลียส กระบวนการที่การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อธิบายไว้ในส่วนถัดไป

จุดสนใจหลักของฟิสิกส์นิวเคลียร์คือการศึกษาฟิชชัน ฟิวชัน และการสลายตัวของนิวเคลียสของอะตอม กระบวนการเหล่านี้ขับเคลื่อนโดยแนวคิดพื้นฐานที่ว่าอนุภาคทั้งหมดต้องการสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า

ฟิชชันเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสหนักแตกออกเป็นนิวเคลียสที่เล็กกว่า นิวเคลียสที่หนักมากมักจะทำเช่นนี้เพราะมีพลังงานจับต่อนิวคลีออนน้อยกว่า อย่างที่คุณอาจจำได้ มีแรงสองสามอย่างควบคุมสิ่งที่เกิดขึ้นในนิวเคลียสของอะตอม แรงนิวเคลียร์อย่างแรงจะยึดนิวคลีออนเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา แต่มันเป็นแรงระยะสั้นมาก ดังนั้นสำหรับนิวเคลียสที่ใหญ่มาก มันจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่า

โปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียสจะผลักกันผ่านแรงแม่เหล็กไฟฟ้า การขับไล่นี้ต้องเอาชนะด้วยแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งและสามารถไกล่เกลี่ยได้ด้วยนิวตรอนที่เพียงพอ แต่ยิ่งนิวเคลียสมีขนาดใหญ่เท่าใด ความสมดุลของแรงก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้นสำหรับความเสถียร

ดังนั้นนิวเคลียสที่ใหญ่กว่าจึงมักต้องการแยกออกจากกันโดยผ่านกระบวนการสลายกัมมันตภาพรังสี หรือผ่านปฏิกิริยาฟิชชัน เช่น ที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือระเบิดฟิชชัน

การหลอมรวมเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสที่เบากว่าสองนิวเคลียสบรรลุสถานะพลังงานที่น่าพอใจมากขึ้นโดยการรวมตัวเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เกิดการแตกตัว นิวเคลียสที่เป็นปัญหาจะต้องอยู่ใกล้กันมากพอที่จะรับแรงนิวเคลียร์อย่างแรงได้ ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะต้องเคลื่อนที่เร็วพอที่จะเอาชนะแรงผลักไฟฟ้า

นิวเคลียสจะเคลื่อนที่ไปรอบๆ อย่างรวดเร็วในอุณหภูมิที่ร้อนจัด เงื่อนไขนี้จึงมักเป็นสิ่งจำเป็น นี่คือวิธีที่นิวเคลียร์ฟิวชันสามารถเกิดขึ้นได้ในแกนกลางที่ร้อนจัดของดวงอาทิตย์ จนถึงทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังคงพยายามหาวิธีที่จะทำให้เกิดการหลอมรวมแบบเย็น นั่นคือ การหลอมรวมที่อุณหภูมิต่ำกว่า เนื่องจากพลังงานถูกปลดปล่อยออกมาในกระบวนการหลอมรวมและไม่ทิ้งของเสียกัมมันตภาพรังสีเหมือนที่เครื่องปฏิกรณ์แบบฟิชชันมักจะทำ มันจะเป็นแหล่งพลังงานที่เหลือเชื่อหากทำได้

การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีเป็นวิธีการทั่วไปที่นิวเคลียสได้รับการเปลี่ยนแปลงเพื่อให้มีความเสถียรมากขึ้น การสลายตัวมีสามประเภทหลัก: การสลายตัวของอัลฟ่า, การสลายตัวของเบต้าและการสลายตัวของแกมมา

ในการสลายแอลฟา นิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีจะปล่อยอนุภาคแอลฟา (นิวเคลียสฮีเลียม-4) และส่งผลให้มีเสถียรภาพมากขึ้น การสลายตัวของเบต้ามีอยู่สองสามชนิด แต่โดยพื้นฐานแล้วเป็นผลมาจากนิวตรอนกลายเป็นโปรตอนหรือโปรตอนกลายเป็นนิวตรอนและปล่อย a β^- หรือ β⁺ อนุภาค (อิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน) การสลายตัวของแกมมาเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสในสภาวะตื่นเต้นปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีแกมมา แต่จะรักษาจำนวนนิวตรอนและโปรตอนไว้ทั้งหมด

การศึกษาฟิสิกส์นิวเคลียร์ขยายไปสู่สาขาฟิสิกส์อนุภาคที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อทำความเข้าใจการทำงานของอนุภาคพื้นฐานทั้งหมด โมเดลมาตรฐานจะจำแนกอนุภาคออกเป็น fermions และ boson จากนั้นจึงจำแนก fermion เป็น quarks และ leptons และ bosons เป็น gauge และ scalar boson

โบซอนไม่ปฏิบัติตามกฎหมายการอนุรักษ์จำนวน แต่เฟอร์มิออนทำ นอกจากนี้ยังมีกฎการอนุรักษ์สำหรับตัวเลขเลปตันและควาร์กนอกเหนือจากปริมาณที่สงวนไว้อื่นๆ ปฏิกิริยาของอนุภาคพื้นฐานถูกสื่อกลางโดยโบซอนที่ส่งพลังงาน

การประยุกต์ใช้ฟิสิกส์นิวเคลียร์และอะตอมมีมากมาย เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์สร้างพลังงานสะอาดโดยควบคุมพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างกระบวนการฟิชชัน ยานิวเคลียร์ใช้ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีในการถ่ายภาพ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ใช้สเปกโทรสโกปีเพื่อกำหนดองค์ประกอบของเนบิวลาที่อยู่ห่างไกล การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กช่วยให้แพทย์สามารถสร้างภาพที่มีรายละเอียดภายในของผู้ป่วยได้ แม้แต่เทคโนโลยีเอ็กซ์เรย์ก็ใช้ประโยชน์จากฟิสิกส์นิวเคลียร์