Nükleer Fizik: Nedir, Kim Keşfetti ve Neden Önemli?

1896'da Paris'te birkaç bulutlu gün Henri Becquerel'in deneyini "mahvetti", ancak bu süreçte nükleer fizik alanı doğdu. Becquerel, geçen yıl keşfedilen uranyumun güneş ışığını emdiği ve onu X-ışınları biçiminde yeniden yaydığı hipotezini kanıtlamak üzereydi.

Becquerel'in planı, potasyum uranil sülfatı güneş ışığına çıkarmak ve sonra onu temasa geçirmekti. siyah kağıda sarılmış fotoğraf plakaları ile, çünkü görünür ışık geçemezken, X-ışınları olurdu. Güneş ışığı olmamasına rağmen, yine de bu süreçten geçmeye karar verdi ve fotoğraf plakasında hala kayıtlı olan görüntüleri keşfettiğinde şok oldu.

Daha ileri testler, varsayımlarına rağmen X-ışınları olmadığını gösterdi. Işığın yolu bir manyetik alan tarafından bükülmez, ancak uranyumdan gelen radyasyon biri tarafından saptırıldı ve bu - ilk sonuçla birlikte - radyasyonun nasıl keşfedildiğiydi. Marie Curie radyoaktivite terimini icat etti ve kocası Pierre ile birlikte polonyum ve radyumu keşfetti ve radyoaktivitenin kesin kaynaklarını belirledi.

Daha sonra Ernest Rutherford, yayılan malzeme için alfa parçacıkları, beta parçacıkları ve gama parçacıkları terimlerini ortaya attı. nükleer Fizik gerçekten yola çıktı.

Tabii ki, insanlar şimdi nükleer fizik hakkında 20. yüzyılın başında olduğundan çok daha fazla şey biliyorlar ve bu, herhangi bir fizik öğrencisi için anlaşılması ve öğrenilmesi gereken çok önemli bir konu. Nükleer enerjinin doğasını, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetleri anlamak veya nükleer tıp gibi alanlara katkıda bulunmak istiyorsanız, temel bilgileri öğrenmek çok önemlidir.

Nükleer fizik, esasen, atomun en iyi bilinen ikisini içeren kısmı olan çekirdeğin fiziğidir. "hadronlar" protonlar ve nötronlar.

Özellikle, bölgede faaliyet gösteren kuvvetlere bakar. çekirdek (çekirdekte protonları ve nötronları birbirine bağlayan ve bileşenlerini tutan güçlü etkileşim birlikte kuarklar ve radyoaktif bozunma ile ilgili zayıf etkileşim) ve çekirdeklerin diğerleriyle etkileşimi parçacıklar.

Nükleer fizik, nükleer füzyon (farklı elementlerin bağlanma enerjisi ile ilgilidir), nükleer fisyon (ki bu ağır elementlerin enerji üretmek için ayrılması) ve ayrıca radyoaktif bozunma ve temel yapı ve oyunda yer alan kuvvetler. çekirdek.

Alanın nükleer enerji, nükleer tıp ve yüksek enerji fiziği dahil (ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere) birçok pratik uygulaması vardır.

bir atom güçlü nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulan pozitif yüklü protonları ve yüksüz nötronları içeren bir çekirdekten oluşur. Bunlar, çekirdeğin etrafında "bulut" denilen şeyi oluşturan negatif yüklü elektronlarla çevrilidir ve elektronların sayısı nötr bir atomdaki protonların sayısıyla eşleşir.

Fizik tarihi boyunca, Thomson'ın "erik" modeli de dahil olmak üzere, atomun sayısız modeli önerilmiştir. puding” modeli, Rutherford'un ve Bohr'un “gezegensel” modeli ve açıklanan modern, kuantum mekanik modeli yukarıda.

Çekirdek küçük, yaklaşık 10⁻¹⁵ m, atomun kütlesinin büyük kısmını içerirken, tüm atom 10 mertebesindedir.⁻¹⁰ m. Gösterimin sizi aldatmasına izin vermeyin - bu, çekirdeğin toplam atomdan yaklaşık 100.000 kat daha küçük olduğu anlamına gelir, ancak maddenin büyük çoğunluğunu içerir. Yani atom ağırlıklı olarak Boş alan!

Atomun kütlesi, onu oluşturan parçaların kütlesi ile tam olarak aynı değildir: protonlar ve nötronlar, daha küçük kütlesini hesaba katmadan önce, atomun kütlesini çoktan aşıyor. elektron.

Buna atomun "kütle kusuru" denir ve bu farkı Einstein'ın ünlü denklemini kullanarak enerjiye dönüştürürseniz E = mc², çekirdeğin “bağlanma enerjisini” alırsınız.

Çekirdeği oluşturan proton ve nötronlara bölmek için sisteme vermeniz gereken enerji budur. Bu enerjiler, bir elektronu çekirdeğin etrafındaki "yörüngesinden" çıkarmak için gereken enerjiden çok daha büyüktür.

İki tür nükleon (yani çekirdeğin parçacığı) proton ve nötrondur ve bunlar atomun çekirdeğinde birbirine sıkıca bağlıdır.

Bunlar genellikle adını duyacağınız nükleonlar olsa da, aslında standart parçacık fiziği modelinde temel parçacıklar değillerdir. Proton ve nötron, her ikisi de denilen temel parçacıklardan oluşur. kuarklar, altı "tat" içinde gelir ve her biri bir proton veya elektron yükünün bir kısmını taşır.

Yukarı kuark 2/3'e sahiptir e şarj, nerede e bir elektronun yüküdür, aşağı kuark ise -1/3'e sahiptir. e şarj etmek. Bu, iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarkın birleştiğinde, pozitif büyüklükte bir yüke sahip bir parçacık üreteceği anlamına gelir. e, ki bu bir protondur. Öte yandan, bir yukarı kuark ve iki aşağı kuark, toplam yükü olmayan bir parçacık olan nötron üretir.

Standart model, şu anda bilinen tüm temel parçacıkları kataloglar ve bunları iki ana gruba ayırır: fermiyonlar ve bozonlar. fermiyonlar kuarklara (bu da protonlar ve nötronlar gibi hadronlar üretir) ve leptonlara (elektronları ve nötrinoları içerir) bölünür ve bozonlar ayar ve skaler bozonlar olarak ikiye ayrılır.

Higgs Bozonu, diğer bozonlarla birlikte şimdiye kadar bilinen tek skaler bozondur - foton, gluon, Z-bozonlar ve W bozonlar - ayar bozonları olmak.

Bozonlardan farklı olarak fermiyonlar “sayıların korunumu yasalarına” uyarlar. Örneğin, nükleer bozunmanın bir parçası olarak üretilen parçacıklar gibi şeyleri açıklayan bir lepton sayısının korunumu yasası vardır. (çünkü örneğin 1 numaralı leptonlu bir elektronun yaratılması, bir elektron anti-nötrino gibi lepton sayısı -1 olan başka bir parçacığın yaratılmasıyla dengelenmelidir).

Kuark sayısı da korunur ve başka korunan nicelikler de vardır.

Bozonlar kuvvet taşıyan parçacıklardır ve bu nedenle temel parçacıkların etkileşimlerine bozonlar aracılık eder. Örneğin, kuarkların etkileşimine gluonlar aracılık eder ve elektromanyetik etkileşimlere fotonlar aracılık eder.

Elektromanyetik kuvvet çekirdeğe uygulansa da, dikkate almanız gereken ana kuvvetler güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerdir. Güçlü nükleer kuvvet gluonlar tarafından, zayıf nükleer kuvvet ise gluonlar tarafından taşınır. W^± ve Z⁰ bozonlar.

Adından da anlaşılacağı gibi, güçlü nükleer kuvvet tüm temel kuvvetlerin en güçlüsüdür ve bunu elektromanyetizma (10) takip eder.² kat daha zayıf), zayıf kuvvet (10⁶ kat daha zayıf) ve yerçekimi (10⁴⁰ kez daha zayıf). Yerçekimi ile diğer kuvvetler arasındaki büyük fark, fizikçilerin maddeyi atomik düzeyde tartışırken onu esasen ihmal etmelerinin nedenidir.

güçlü kuvvet ihtiyaçlar çekirdekteki pozitif yüklü protonlar arasındaki elektromanyetik itmenin üstesinden gelmek için güçlü olmak - eğer Elektromanyetik kuvvetten daha zayıf olsaydı, çekirdeğinde birden fazla proton bulunan hiçbir atom bunu yapamazdı. form. Bununla birlikte, güçlü kuvvetin çok kısa mesafe.

Bu önemlidir, çünkü kuvvetin neden bütün atomlar veya atomlar ölçeğinde bile fark edilmediğini gösterir. moleküller değil, aynı zamanda elektromanyetik itmenin ağır çekirdekler için daha uygun hale geldiği anlamına gelir (örn. daha büyük atomlar). Kararsız çekirdeklerin genellikle ağır elementler olmasının nedenlerinden biri de budur.

Zayıf kuvvet de çok kısa bir menzile sahiptir ve esasen kuarkların tat değiştirmesine neden olur. Bu, bir protonun bir nötrona dönüşmesine ve bunun tersi olmasına neden olabilir ve bu nedenle, bunun nedeni olarak düşünülebilir. nükleer bozulma beta artı ve eksi bozunma gibi süreçler.

Üç tür radyoaktif bozunma vardır: alfa bozunması, beta bozunması ve gama bozunması. Alfa bozunması, bir atomun helyum çekirdeği için başka bir terim olan bir "alfa parçacığı" salarak bozunmasıdır.

Beta bozunmasının üç alt türü vardır, ancak bunların hepsi bir protonun bir nötrona dönüşmesini veya tam tersini içerir. Beta eksi bozunması, bir nötronun bir proton haline gelmesi ve bu süreçte bir elektron ve bir elektron anti-nötrino salmasıdır. beta artı bozunmadayken, bir proton bir nötron olur ve bir pozitron (yani bir anti-elektron) ve bir elektron serbest bırakır. nötrino.

Elektron yakalamada, atomun dış kısımlarından bir elektron çekirdeğe emilir ve bir proton bir nötrona dönüştürülür ve süreçten bir nötrino salınır.

Gama bozunması, enerjinin serbest bırakıldığı ancak atomdaki hiçbir şeyin değişmediği bir bozunmadır. Bu, bir elektron yüksek enerjili bir durumdan düşük enerjili bir duruma geçiş yaptığında bir fotonun serbest bırakılma şekline benzer. Uyarılmış bir çekirdek, düşük enerji durumuna geçiş yapar ve yaptığı gibi bir gama ışını yayar.

Nükleer füzyon iki çekirdeğin birleşip daha ağır bir çekirdek oluşturduğu zamandır. Bu, güneşte enerjinin üretilme şeklidir ve enerji üretimi için Dünya'da meydana gelen sürecin elde edilmesi, deneysel fiziğin en büyük hedeflerinden biridir.

Sorun, aşırı yüksek sıcaklıklar ve basınçlar ve dolayısıyla çok yüksek enerji seviyeleri gerektirmesidir. Ancak bilim adamları bunu başarırsa, toplum büyümeye devam ettikçe ve biz artan miktarlarda enerji tükettikçe füzyon hayati bir güç kaynağı haline gelebilir.

nükleer fisyon ağır bir elementin daha hafif iki çekirdeğe bölünmesidir ve mevcut nükleer reaktör nesline güç veren de budur.

Fisyon aynı zamanda nükleer silahların çalışma prensibidir ve tartışmalı bir alan olmasının ana nedenlerinden biridir. Uygulamada, fisyon bir dizi zincirleme reaksiyon yoluyla çalışır. Uranyum gibi ağır bir elementte ilk bölünmeyi yaratan bir nötron, reaksiyondan sonra başka bir serbest nötron üretir ve bu daha sonra başka bir bölünmeye neden olabilir ve bu böyle devam eder.

Esasen, bu süreçlerin her ikisi de enerji kazanır. E = mc² atomların kaynaşması veya parçalanması, “eksik kütleden” bir enerjinin serbest bırakılmasını içerdiğinden, ilişki.

Nükleer fiziğin çok çeşitli uygulamaları vardır. Özellikle nükleer reaktörler ve nükleer santraller dünyanın birçok ülkesinde faaliyette ve birçok fizikçi yeni ve daha güvenli tasarımlar üzerinde çalışıyor.

Örneğin, bazı nükleer reaktör tasarımları, kaynak materyalin bu amaçla kullanılamamasını sağlamayı amaçlamaktadır. çok daha zenginleştirilmiş bir uranyum kaynağı (yani “daha ​​saf” bir uranyum) gerektiren nükleer silahlar yaratmak işletmek.

Nükleer Tıp nükleer fizik için bir başka önemli alandır. Nükleer tıp, hastaya çok az miktarda radyoaktif madde verilmesini içerir ve ardından yayılan radyasyondan görüntüleri yakalamak için dedektörler kullanılır. Bu, doktorların böbrek, tiroid, kalp ve diğer durumları teşhis etmesine yardımcı olur.

Tabii ki, yüksek enerji fiziği ve parçacık dahil olmak üzere nükleer fiziğin esas olduğu birçok başka alan var. CERN gibi hızlandırıcılar ve yıldızlardaki baskın süreçlerin çoğunun nükleer enerjiye güçlü bir şekilde bağlı olduğu astrofizik fizik.