Nükleer ve Atomik (Fizik): Öğrenciler için Başlangıç ​​Kılavuzu

Atomik ve nükleer fizik, çok küçüklerin fiziğini tanımlar. Böyle küçük nesnelerle çalışırken, klasik mekanik anlayışınıza dayanan sezginiz genellikle başarısız olur. Bu, kuantum mekaniğinin, kısa menzilli nükleer kuvvetlerin, elektromanyetik radyasyonun ve parçacık fiziğinin standart modelinin alanıdır.

Atom fiziği, atomun yapısı, ilişkili enerji durumları ve atomun parçacıklar ve alanlarla etkileşimi ile ilgilenen fizik dalıdır. Buna karşılık, nükleer fizik, bir sonraki bölümde daha ayrıntılı olarak açıklanan atom çekirdeğinin içindeki gelişmelere özel olarak odaklanır.

Parçacık fiziğinde birkaç çalışma öğesi vardır. Birincisi ve en önemlisi, atomun kendisinin yapısıdır. Atomlar, protonlar ve nötronlar içeren sıkıca bağlı bir çekirdek ve dağınık bir elektron bulutundan oluşur.

Çekirdeğin genellikle 10 mertebesinde olduğu göz önüne alındığında^-15 10'a kadar^-14 çapı m ve atomların kendileri 10 mertebesinde^-10 m çapında (ve elektronların boyutu ihmal edilebilir), atomların çoğunlukla boş uzay olduğu ortaya çıkıyor. Elbette oldukları gibi görünmüyorlar ve atomlardan oluşan tüm maddeler kesinlikle madde gibi geliyor.

Atomların çoğunlukla boş uzay gibi görünmemesinin nedeni, sizin de atomlardan yapılmış olmanız ve tüm atomların elektromanyetik enerji ile etkileşime girmesidir. Çoğunlukla boşluk atomlarından oluşan eliniz, yine çoğunlukla boşluk atomlarından oluşan bir masaya bastırsa da. boşluk, içeri girerken atomlar arasındaki elektromanyetik kuvvetler nedeniyle masadan geçmez. İletişim.

Elektromanyetik kuvvetle etkileşime girmeyen bir parçacık olan nötrino, çoğu atomik materyalden neredeyse fark edilmeden geçebilir. Aslında, her saniye 100 trilyon nötrino vücudunuzdan geçer!

Atomlar periyodik cetvelde atom numaralarına göre sınıflandırılır. Atom numarası, atomun çekirdeğinde içerdiği proton sayısıdır. Bu sayı elemanı tanımlar.

Belirli bir element her zaman aynı sayıda protona sahip olurken, farklı sayıda nötron içerebilir. Bir elementin farklı izotopları farklı sayıda nötron içerir. Bazı izotoplar diğerlerinden daha kararlıdır (yani kendiliğinden başka bir şeye bozunma olasılığı daha düşüktür) ve bu kararlılık tipik olarak nötron sayısına bağlıdır, bu nedenle çoğu element için atomların çoğunluğu belirli bir izotop.

Bir atomun içerdiği elektron sayısı, iyonize mi yoksa yüklü mü olduğunu belirler. Nötr bir atom, protonlarla aynı sayıda elektron içerir, ancak bazen atomlar elektron kazanabilir veya kaybedebilir ve yüklenebilir. Bir atomun elektronları ne kadar kolay kazandığı veya kaybettiği elektron yörünge yapısına bağlıdır.

Hidrojen atomu, çekirdeğinde yalnızca bir proton içeren en basit atomdur. Hidrojenin en kararlı üç izotopu protium (nötron içermez), döteryum (bir nötron içerir) ve trityumdur (iki nötron içerir), protium en bol olanıdır.

Yıllar içinde atomun farklı modelleri önerildi ve mevcut modele yol açtı. Erken çalışmalar Ernest Rutherford, Niels Bohr ve diğerleri tarafından yapıldı.

Belirtildiği gibi, atomlar elektromanyetik kuvvetle etkileşime girer. Bir atomdaki protonlar pozitif yük taşır ve elektronlar negatif yük taşır. Atomdaki elektronlar elektromanyetik radyasyonu emebilir ve sonuç olarak daha yüksek bir enerji durumuna ulaşabilir veya radyasyon yayarak daha düşük bir enerji durumuna geçebilir.

Radyasyonun bu absorpsiyon ve yayılımının temel özelliklerinden biri, atomların radyasyonu yalnızca çok özel nicelenmiş değerlerde absorbe etmesi ve yaymasıdır. Ve her farklı atom türü için bu spesifik değerler farklıdır.

Sıcak bir atomik malzeme gazı, çok spesifik dalga boylarında radyasyon yayacaktır. Bu gazdan gelen ışık, ışığı dalga boyuna göre bir spektrumda (gökkuşağı gibi) yayan bir spektroskoptan geçirilirse, belirgin emisyon çizgileri görünecektir. Gazdan gelen emisyon çizgileri seti, size gazdaki atomların tam olarak ne olduğunu söyleyen bir barkod gibi okunabilir.

Benzer şekilde, soğuk bir gaz üzerine sürekli bir ışık spektrumu geliyorsa ve bu gazdan geçen ışık o zaman bir spektroskoptan geçtiğinizde, gazın algıladığı belirli dalga boylarında karanlık boşluklarla sürekli bir spektrum görürsünüz. emilir. Bu absorpsiyon spektrumu, emisyon spektrumunun tersi gibi görünecek, aynı gaz için parlak çizgilerin olduğu yerde görünen koyu çizgiler. Bu nedenle, gazın bileşimini söyleyen bir barkod gibi de okunabilir. Gökbilimciler, uzaydaki malzemenin bileşimini belirlemek için bunu her zaman kullanırlar.

Nükleer fizik, atom çekirdeğine, nükleer reaksiyonlara ve çekirdeğin diğer parçacıklarla etkileşimine odaklanır. Diğer konuların yanı sıra radyoaktif bozunma, nükleer füzyon ve nükleer fisyon ve bağlayıcı enerjiyi araştırıyor.

Çekirdek, sıkıca bağlı bir proton ve nötron yığını içerir. Ancak bunlar temel parçacıklar değildir. Protonlar ve nötronlar, adı verilen daha küçük parçacıklardan oluşur. kuarklar.

Kuarklar, kesirli yüklü parçacıklardır ve biraz saçma isimlerdir. Altı sözde tatta gelirler: yukarı, aşağı, üst, alt, tuhaf ve çekicilik. Bir nötron iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşur ve bir proton iki yukarı ve bir aşağı kuarktan oluşur. Her nükleondaki kuarklar, güçlü nükleer kuvvet tarafından sıkıca bağlanır.

Güçlü nükleer kuvvete, adı verilen parçacıklar aracılık eder. gluonlar. Bir tema mı hissediyorsunuz? Bilim adamları bu parçacıkları adlandırırken çok eğlendiler! Gluonlar, elbette, kuarkları birbirine “yapıştırır”. Güçlü nükleer kuvvet, yalnızca çok kısa bir aralıkta - ortalama büyüklükteki çekirdeğin çapıyla karşılaştırılabilir bir mesafede - etki eder.

Her izole nötronun kütlesi 1.6749275 × 10'dur.^-27 kg ve izole edilmiş her protonun kütlesi 1.6726219 × 10^-27 kilogram; Bununla birlikte, bir atom çekirdeğinde birbirine bağlandığında, atom kütlesi, bağlayıcı enerji adı verilen bir şeyden dolayı onu oluşturan parçaların toplamı değildir.

Nükleonlar sıkı bir şekilde bağlanarak, bireysel parçacıklar olarak sahip oldukları toplam kütlenin bir kısmının enerjiye dönüştürülmesinin bir sonucu olarak daha düşük bir enerji durumuna ulaşırlar. Enerjiye dönüştürülen bu kütle farkına, çekirdeğin bağlanma enerjisi denir. Belirli bir kütle miktarına ne kadar enerjinin karşılık geldiğini açıklayan ilişki Einstein'ın ünlü E = mc² denklem nerede m kütle mi, c ışık hızıdır ve E enerjidir.

İlgili bir kavram, bir çekirdeğin kurucu parçaları üzerinden ortalaması alınan toplam bağlanma enerjisi olan nükleon başına bağlanma enerjisidir. Nükleon başına bağlanma enerjisi, bir çekirdeğin ne kadar kararlı olduğunun iyi bir göstergesidir. Nükleon başına düşük bağlanma enerjisi, bunun için daha uygun bir düşük toplam enerji durumunun var olabileceğini gösterir. belirli bir çekirdek, yani muhtemelen uygun koşullar altında ayrılmak veya başka bir çekirdekle birleşmek isteyecektir. koşullar.

Genel olarak, demir çekirdeklerden daha hafif olan çekirdekler, kaynaştırarak daha düşük enerji durumları ve nükleon başına daha yüksek bağlanma enerjisi elde etme eğilimindedir. diğer çekirdeklerle birlikte, demirden daha ağır olan çekirdekler daha hafif parçalara ayrılarak daha düşük enerji durumları elde etme eğilimindedir. çekirdekler. Bu değişikliklerin meydana geldiği süreçler bir sonraki bölümde açıklanmaktadır.

Nükleer fiziğin ana odak noktası, atom çekirdeğinin fisyon, füzyon ve bozunmasını incelemektir. Bu süreçlerin tümü, tüm parçacıkların daha düşük enerji durumlarını tercih ettiği temel bir kavram tarafından yönlendirilir.

Fisyon, ağır bir çekirdek daha küçük çekirdeklere ayrıldığında meydana gelir. Çok ağır çekirdekler bunu yapmaya daha yatkındır çünkü nükleon başına daha küçük bir bağlanma enerjisine sahiptirler. Hatırlayabileceğiniz gibi, bir atom çekirdeğinde olup bitenleri yöneten birkaç kuvvet vardır. Güçlü nükleer kuvvet, nükleonları birbirine sıkıca bağlar, ancak çok kısa menzilli bir kuvvettir. Yani çok büyük çekirdekler için daha az etkilidir.

Çekirdekteki pozitif yüklü protonlar da elektromanyetik kuvvet yoluyla birbirlerini iterler. Bu itme, güçlü nükleer kuvvet tarafından üstesinden gelinmelidir ve ayrıca etrafta yeterli nötron bulunması aracılık edebilir. Ancak çekirdek ne kadar büyükse, kuvvet dengesi istikrar için o kadar az elverişlidir.

Bu nedenle, daha büyük çekirdekler ya radyoaktif bozunma süreçleri yoluyla ya da nükleer reaktörlerde veya fisyon bombalarında meydana gelenler gibi fisyon reaksiyonları yoluyla parçalanma eğilimindedir.

Füzyon, iki hafif çekirdek daha ağır bir çekirdeğe birleşerek daha uygun bir enerji durumuna ulaştığında meydana gelir. Ancak fisyonun oluşabilmesi için söz konusu çekirdeklerin güçlü nükleer kuvvetin devralabilmesi için birbirine yeterince yakın olması gerekir. Bu, elektriksel itmenin üstesinden gelebilmeleri için yeterince hızlı hareket etmeleri gerektiği anlamına gelir.

Çekirdekler aşırı sıcaklıklarda hızla hareket eder, bu nedenle bu koşul genellikle gereklidir. Nükleer füzyon, güneşin aşırı sıcak çekirdeğinde bu şekilde gerçekleşebilir. Bilim adamları bugüne kadar hala soğuk füzyon, yani daha düşük sıcaklıklarda füzyon gerçekleştirmenin bir yolunu bulmaya çalışıyorlar. Füzyon işleminde enerji açığa çıktığı ve fisyon reaktörlerinin yapma eğiliminde olduğu gibi radyoaktif atık bırakmadığı için, elde edildiğinde inanılmaz bir enerji kaynağı olacaktır.

Radyoaktif bozunma, çekirdeklerin daha kararlı hale gelmek için değişikliklere uğramasının yaygın bir yoludur. Üç ana bozunma türü vardır: alfa bozunması, beta bozunması ve gama bozunması.

Alfa bozunmasında, radyoaktif bir çekirdek bir alfa parçacığı (bir helyum-4 çekirdeği) yayar ve sonuç olarak daha kararlı hale gelir. Beta bozunması birkaç çeşittir, ancak özünde ya bir nötronun protona dönüşmesi ya da bir protonun bir nötrona dönüşmesi ve bir β^- veya β⁺ parçacık (bir elektron veya bir pozitron). Gama bozunması, uyarılmış durumdaki bir çekirdek, gama ışınları şeklinde enerji saldığında, ancak toplam nötron ve proton sayısını koruduğunda meydana gelir.

Nükleer fizik çalışması, tüm temel parçacıkların işleyişini anlamayı amaçlayan daha geniş parçacık fiziği alanına uzanır. Standart model, parçacıkları fermiyonlar ve bozonlar olarak sınıflandırır ve ardından fermiyonları kuark ve leptonlar, bozonları da ölçü ve skaler bozonlar olarak sınıflandırır.

Bozonlar sayı korunumu yasalarına uymaz, ancak fermiyonlar yapar. Diğer korunan niceliklere ek olarak hem lepton hem de kuark sayıları için de bir korunum yasası vardır. Temel parçacıkların etkileşimlerine enerji taşıyan bozonlar aracılık eder.

Nükleer ve atom fiziğinin uygulamaları çoktur. Nükleer santrallerdeki nükleer reaktörler, fisyon süreçleri sırasında açığa çıkan enerjiyi kullanarak temiz enerji yaratır. Nükleer tıp, görüntüleme için radyoaktif izotoplardan yararlanır. Astrofizikçiler uzak bulutsuların bileşimini belirlemek için spektroskopi kullanırlar. Manyetik rezonans görüntüleme, doktorların hastalarının içinin ayrıntılı görüntülerini oluşturmasına olanak tanır. X-ışını teknolojisi bile nükleer fizikten yararlanır.