ฟิสิกส์นิวเคลียร์: มันคืออะไร ใครเป็นคนค้นพบ และเหตุใดจึงสำคัญ

วันที่มีเมฆมากในปารีสในปี พ.ศ. 2439 "ทำลาย" การทดลองของ Henri Becquerel แต่ในกระบวนการนี้ สาขาวิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์ก็ได้ถือกำเนิดขึ้น เบคเคอเรลออกไปเพื่อพิสูจน์สมมติฐานของเขาว่ายูเรเนียมดูดซับแสงแดดและฉายรังสีซ้ำในรูปของรังสีเอกซ์ซึ่งถูกค้นพบเมื่อปีที่แล้ว

แผนของเบคเคอเรลคือการนำโปแตสเซียมยูแรนิลซัลเฟตไปโดนแสงแดดแล้วนำมาสัมผัส ด้วยแผ่นภาพถ่ายที่ห่อด้วยกระดาษสีดำ เพราะในขณะที่แสงที่มองเห็นไม่สามารถผ่านเข้าไปได้ รังสีเอกซ์ จะ แม้จะไม่มีแสงแดด แต่เขาก็ตัดสินใจที่จะผ่านกระบวนการนี้ต่อไป และต้องตกใจเมื่อพบว่าภาพที่ยังคงบันทึกอยู่บนจานถ่ายภาพ

การทดสอบเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าไม่ใช่รังสีเอกซ์เลย แม้จะตั้งสมมติฐานไว้ก็ตาม เส้นทางของแสงไม่ได้โค้งงอด้วยสนามแม่เหล็ก แต่ รังสีจากยูเรเนียม ถูกเบี่ยงเบนไปหนึ่งสิ่ง และสิ่งนี้ – พร้อมกับผลลัพธ์แรก – คือวิธีการค้นพบรังสี Marie Curie เป็นผู้คิดค้นคำว่ากัมมันตภาพรังสี และร่วมกับสามีของเธอ Pierre ได้ค้นพบพอโลเนียมและเรเดียม โดยระบุแหล่งที่มาของกัมมันตภาพรังสีอย่างแม่นยำ

ต่อมา เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ได้คิดค้นคำว่าอนุภาคแอลฟา อนุภาคบีตา และอนุภาคแกมมาสำหรับวัสดุที่แผ่รังสี ฟิสิกส์นิวเคลียร์ ได้ไปจริงๆ

แน่นอนว่าตอนนี้ผู้คนรู้เรื่องฟิสิกส์นิวเคลียร์มากขึ้นกว่าที่พวกเขาทำในช่วงเปลี่ยนศตวรรษที่ 20 และเป็นหัวข้อสำคัญที่ต้องทำความเข้าใจและเรียนรู้สำหรับนักศึกษาฟิสิกส์ทุกคน ไม่ว่าคุณต้องการที่จะเข้าใจธรรมชาติของพลังงานนิวเคลียร์ แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งและอ่อนแอ หรือมีส่วนร่วมในสาขาต่างๆ เช่น เวชศาสตร์นิวเคลียร์ การเรียนรู้พื้นฐานเป็นสิ่งสำคัญ

ฟิสิกส์นิวเคลียร์เป็นหลักฟิสิกส์ของนิวเคลียสซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของอะตอมที่มีสองที่รู้จักกันดีที่สุด the “ฮาดรอน” โปรตอนและนิวตรอน

โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะดูที่แรงที่ทำงานใน นิวเคลียส (อันตรกิริยาอย่างแรงที่ยึดโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกันในนิวเคลียส รวมทั้งจับส่วนประกอบ ควาร์กเข้าด้วยกันและปฏิกิริยาที่อ่อนแอที่เกี่ยวข้องกับการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี) และปฏิกิริยาของนิวเคลียสกับสิ่งอื่น ๆ อนุภาค

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ครอบคลุมหัวข้อต่างๆ เช่น นิวเคลียร์ฟิวชัน (ซึ่งเกี่ยวข้องกับพลังงานยึดเหนี่ยวของธาตุต่างๆ) ฟิชชันนิวเคลียร์ (ซึ่งก็คือ การแยกธาตุหนักเพื่อผลิตพลังงาน) รวมทั้งการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีและโครงสร้างพื้นฐานและแรงที่เล่นใน นิวเคลียส.

มีการใช้งานจริงในสาขานี้มากมาย รวมถึง (แต่ไม่จำกัดเพียง) การทำงานด้านพลังงานนิวเคลียร์ เวชศาสตร์นิวเคลียร์ และฟิสิกส์พลังงานสูง

อัน อะตอม ประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกและนิวตรอนที่ไม่มีประจุซึ่งยึดเข้าด้วยกันโดยแรงนิวเคลียร์อย่างแรง สิ่งเหล่านี้ถูกล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบซึ่งก่อตัวสิ่งที่เรียกว่า "เมฆ" รอบนิวเคลียส และจำนวนอิเล็กตรอนตรงกับจำนวนโปรตอนในอะตอมที่เป็นกลาง

มีแบบจำลองอะตอมมากมายที่เสนอตลอดประวัติศาสตร์ฟิสิกส์ รวมถึง "พลัม ." ของทอมสัน แบบจำลองพุดดิ้ง แบบจำลอง "ดาวเคราะห์" ของรัทเธอร์ฟอร์ดและบอร์ และแบบจำลองกลไกควอนตัมที่ทันสมัย ข้างบน.

นิวเคลียสมีขนาดเล็ก ประมาณ 10⁻¹⁵ m ซึ่งประกอบด้วยมวลของอะตอมในขณะที่อะตอมทั้งหมดอยู่ในลำดับ 10⁻¹⁰ เมตร อย่าปล่อยให้สัญกรณ์หลอกคุณ – นี่หมายความว่านิวเคลียสมีขนาดเล็กกว่าอะตอมโดยรวมประมาณ 100,000 เท่า แต่ประกอบด้วยสสารส่วนใหญ่ อะตอมจึงเด่นกว่า พื้นที่ว่าง!

มวลอะตอมไม่เท่ากันทุกประการกับมวลของส่วนประกอบ: ถ้าคุณรวมมวลของ โปรตอนและนิวตรอน มันมีมวลเกินกว่าอะตอมแล้ว ก่อนที่คุณจะนับมวลที่เล็กกว่ามากของอะตอม อิเล็กตรอน.

สิ่งนี้เรียกว่า "ข้อบกพร่องมวล" ของอะตอม และถ้าคุณแปลงความแตกต่างนี้เป็นพลังงานโดยใช้สมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ อี = mc²คุณจะได้รับ “พลังงานที่ผูกมัด” ของนิวเคลียส

นี่คือพลังงานที่คุณต้องใส่เข้าสู่ระบบเพื่อแยกนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอนที่เป็นส่วนประกอบ พลังงานเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าพลังงานที่จำเป็นมากในการกำจัดอิเล็กตรอนออกจาก "วงโคจร" รอบนิวเคลียส

สองประเภทของ นิวคลีออน (กล่าวคือ อนุภาคของนิวเคลียส) คือโปรตอนและนิวตรอน และสิ่งเหล่านี้ถูกยึดเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนาในนิวเคลียสของอะตอม

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วสิ่งเหล่านี้จะเป็นนิวคลีออนที่คุณได้ยิน แต่จริงๆ แล้วพวกมันไม่ใช่อนุภาคพื้นฐานในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานที่เรียกว่า ควาร์ก ซึ่งมาในหก "รส" และแต่ละอย่างมีประจุของโปรตอนหรืออิเล็กตรอนเพียงเสี้ยวเดียว

อัพควาร์กมี 2/3 อี ชาร์จที่ไหน อี เป็นประจุของอิเล็กตรอน ในขณะที่ดาวน์ควาร์กมี −1/3 อี ค่าใช้จ่าย ซึ่งหมายความว่าอัพควาร์กสองตัวและดาวน์ควาร์กหนึ่งตัวจะทำให้เกิดอนุภาคที่มีประจุบวก อีซึ่งเป็นโปรตอน ในทางกลับกัน อัพควาร์กและดาวน์ควาร์กสองตัวจะสร้างอนุภาคที่ไม่มีประจุทั้งหมด นั่นคือนิวตรอน

โมเดลมาตรฐานรวบรวมอนุภาคพื้นฐานทั้งหมดที่รู้จักในปัจจุบัน และจัดกลุ่มอนุภาคเหล่านี้ออกเป็นสองกลุ่มหลัก: เฟอร์มิออนและโบซอน Fermions ถูกแบ่งออกเป็นควาร์ก (ซึ่งจะสร้างเฮดรอนเช่นโปรตอนและนิวตรอน) และเลปตอน (ซึ่งรวมถึงอิเล็กตรอนและนิวตริโน) และ โบซอน แบ่งออกเป็นเกจและสเกลาร์โบซอน

ฮิกส์โบซอนเป็นสเกลาร์โบซอนเพียงชนิดเดียวที่รู้จักจนถึงขณะนี้ กับโบซอนอื่นๆ – โฟตอน กลูออน Z-bosons และ W bosons – เป็นเกจโบซอน

Fermions ซึ่งแตกต่างจาก boson ปฏิบัติตาม "กฎหมายการอนุรักษ์ตัวเลข" ตัวอย่างเช่น มีกฎการอนุรักษ์หมายเลขเลปตัน ซึ่งอธิบายสิ่งต่าง ๆ เช่น อนุภาคที่ผลิตขึ้นโดยเป็นส่วนหนึ่งของการสลายตัวของนิวเคลียร์ กระบวนการ (เพราะเช่น การสร้างอิเล็กตรอนที่มีเลปตันหมายเลข 1 ต้องสมดุลกับการสร้างอนุภาคอื่นที่มีเลปตันหมายเลข -1 เช่น สารต้านนิวตริโนอิเล็กตรอน)

ตัวเลขควาร์กยังถูกอนุรักษ์ไว้ และยังมีปริมาณอื่นๆ ที่อนุรักษ์ไว้อีกด้วย

โบซอนเป็นอนุภาคที่บรรทุกแรง ดังนั้นปฏิกิริยาของอนุภาคพื้นฐานจึงถูกสื่อกลางโดยโบซอน ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาของควาร์กนั้นอาศัยกลูออน และปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นอาศัยโฟตอนเป็นตัวกลาง

แม้ว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีผลในนิวเคลียส แต่แรงหลักที่คุณต้องพิจารณาคือแรงนิวเคลียร์แบบแรงและแบบอ่อน แรงนิวเคลียร์แบบแรงถูกลำเลียงโดยกลูออน และแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนถูกลำเลียงโดย W^± และ Z⁰ โบซอน

ตามชื่อของมัน แรงนิวเคลียร์อย่างแรงเป็นแรงพื้นฐานที่แรงที่สุด รองลงมาคือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (10 .)² ครั้งที่อ่อนแอกว่า) พลังที่อ่อนแอ (10⁶ อ่อนแอลงหลายเท่า) และแรงโน้มถ่วง (10⁴⁰ อ่อนลงหลายเท่า) ความแตกต่างอย่างใหญ่หลวงระหว่างแรงโน้มถ่วงและแรงที่เหลือคือสาเหตุที่นักฟิสิกส์ละเลยไปโดยปริยายเมื่อพูดถึงเรื่องในระดับอะตอม

พลังที่แข็งแกร่ง ความต้องการ ให้แข็งแกร่งเพื่อเอาชนะแรงผลักแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างโปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียส - หากมี อ่อนแอกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่มีอะตอมที่มีโปรตอนมากกว่าหนึ่งตัวในนิวเคลียสจะสามารถทำได้ แบบฟอร์ม. อย่างไรก็ตาม พลังที่แข็งแกร่งมีมาก ระยะสั้น.

นี่เป็นสิ่งสำคัญเพราะมันแสดงให้เห็นว่าเหตุใดแรงจึงไม่สังเกตเห็นได้แม้ในระดับอะตอมทั้งหมดหรือ โมเลกุล แต่ก็หมายความว่าแรงผลักแม่เหล็กไฟฟ้าจะสัมพันธ์กับนิวเคลียสหนักมากขึ้นด้วย (กล่าวคือ อะตอมที่ใหญ่กว่า) นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลที่นิวเคลียสที่ไม่เสถียรมักเป็นนิวเคลียสของธาตุหนัก

แรงที่อ่อนแอยังมีช่วงที่สั้นมาก และทำให้ควาร์กเปลี่ยนรสชาติเป็นหลัก ซึ่งอาจทำให้โปรตอนกลายเป็นนิวตรอนและในทางกลับกัน ดังนั้นจึงสามารถคิดได้ว่าเป็นสาเหตุของ การสลายตัวของนิวเคลียร์ กระบวนการเช่นการสลายตัวของเบต้าบวกและลบ

การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีมีสามประเภท: การสลายตัวของอัลฟา, การสลายตัวของบีตาและการสลายตัวของแกมมา การสลายตัวของอัลฟ่าเกิดขึ้นเมื่ออะตอมสลายตัวโดยการปล่อย "อนุภาคอัลฟา" ซึ่งเป็นอีกคำหนึ่งสำหรับนิวเคลียสของฮีเลียม

การสลายตัวของเบต้ามีสามประเภทย่อย แต่ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับโปรตอนที่เปลี่ยนเป็นนิวตรอนหรือในทางกลับกัน เบต้าลบด้วยการสลายตัวคือเมื่อนิวตรอนกลายเป็นโปรตอนและปล่อยอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนที่ต่อต้านนิวตริโนในกระบวนการ ในขณะที่เบต้าบวกกับการสลาย โปรตอนจะกลายเป็นนิวตรอนและปล่อยโพซิตรอน (เช่น สารต้านอิเล็กตรอน) และอิเล็กตรอน นิวตริโน

ในการดักจับอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจากส่วนนอกของอะตอมจะถูกดูดกลืนเข้าสู่นิวเคลียสและโปรตอนจะถูกแปลงเป็นนิวตรอน และนิวตริโนจะถูกปลดปล่อยออกจากกระบวนการ

การสลายตัวของแกมมาคือการสลายตัวที่พลังงานถูกปลดปล่อยออกมา แต่ไม่มีสิ่งใดในอะตอมเปลี่ยนแปลง นี่คล้ายกับวิธีที่โฟตอนถูกปล่อยออกมาเมื่ออิเล็กตรอนทำการเปลี่ยนจากสถานะพลังงานสูงไปเป็นสถานะพลังงานต่ำ นิวเคลียสที่ตื่นเต้นจะเปลี่ยนสถานะเป็นพลังงานต่ำและปล่อยรังสีแกมมาออกมาดังเช่นที่มันทำ

นิวเคลียร์ฟิวชั่น คือเมื่อนิวเคลียสสองตัวหลอมรวมและสร้างนิวเคลียสที่หนักกว่า นี่คือวิธีสร้างพลังงานจากดวงอาทิตย์ และการทำให้กระบวนการเกิดขึ้นบนโลกเพื่อผลิตไฟฟ้าเป็นหนึ่งในเป้าหมายที่ใหญ่ที่สุดสำหรับฟิสิกส์ทดลอง

ปัญหาคือต้องใช้อุณหภูมิและแรงดันที่สูงมาก ดังนั้นจึงต้องใช้ระดับพลังงานที่สูงมาก อย่างไรก็ตาม หากนักวิทยาศาสตร์บรรลุเป้าหมาย การหลอมรวมอาจกลายเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญในขณะที่สังคมยังคงเติบโตและเราใช้พลังงานในปริมาณที่เพิ่มขึ้น

นิวเคลียร์ คือการแยกธาตุหนักออกเป็นสองนิวเคลียสที่เบากว่า และนี่คือสิ่งที่ให้พลังแก่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นปัจจุบัน

ฟิชชันยังเป็นหลักการทำงานของอาวุธนิวเคลียร์ ซึ่งเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้พื้นที่ดังกล่าวเป็นพื้นที่ที่มีการโต้เถียง ในทางปฏิบัติ ปฏิกิริยาฟิชชันทำงานผ่านชุดของปฏิกิริยาลูกโซ่ นิวตรอนที่สร้างการแตกตัวเริ่มต้นในองค์ประกอบหนักเช่นยูเรเนียม สร้างนิวตรอนอิสระเพิ่มเติมหลังจากปฏิกิริยา ซึ่งสามารถทำให้เกิดการแยกตัวต่อไปได้ และอื่นๆ

โดยพื้นฐานแล้วกระบวนการทั้งสองนี้ได้รับพลังงานผ่าน อี = mc² ความสัมพันธ์เนื่องจากการหลอมรวมหรือการแยกอะตอมเกี่ยวข้องกับการปลดปล่อยพลังงานจาก "มวลที่หายไป"

มีการประยุกต์ใช้ฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่หลากหลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และโรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีการดำเนินงานในหลายประเทศทั่วโลก และนักฟิสิกส์หลายคนกำลังทำงานในการออกแบบใหม่และปลอดภัยกว่า

ตัวอย่างเช่น การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บางแบบมีเป้าหมายเพื่อให้แน่ใจว่าวัสดุต้นทางไม่สามารถใช้เพื่อ สร้างอาวุธนิวเคลียร์ ซึ่งต้องการแหล่งยูเรเนียมที่เสริมสมรรถนะมากขึ้น (เช่น ยูเรเนียมที่ "บริสุทธิ์กว่า") เพื่อ ดำเนินการ

เวชศาสตร์นิวเคลียร์ เป็นอีกหนึ่งพื้นที่ที่สำคัญสำหรับฟิสิกส์นิวเคลียร์ ยานิวเคลียร์เกี่ยวข้องกับวัสดุกัมมันตภาพรังสีจำนวนเล็กน้อยที่จ่ายให้กับผู้ป่วย จากนั้นเครื่องตรวจจับจะใช้เพื่อจับภาพจากการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมา ซึ่งจะช่วยให้แพทย์วินิจฉัยโรคไต ไทรอยด์ หัวใจ และภาวะอื่นๆ

แน่นอนว่ายังมีอีกหลายด้านที่ฟิสิกส์นิวเคลียร์เป็นหลัก รวมถึงฟิสิกส์พลังงานสูงและอนุภาค เครื่องเร่งอนุภาคเช่น CERN และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ซึ่งกระบวนการที่โดดเด่นหลายอย่างในดวงดาวขึ้นอยู่กับนิวเคลียร์ ฟิสิกส์.