Атомна і ядерна фізики описують фізику дуже малих. При роботі з такими дрібними предметами ваша інтуїція, побудована на основі вашого розуміння класичної механіки, часто підводить. Це сфера квантової механіки, ядерних сил короткого діапазону, електромагнітного випромінювання та стандартної моделі фізики частинок.
Що таке атомна фізика?
Атомна фізика - це розділ фізики, який займається структурою атома, пов'язаними енергетичними станами та взаємодією атома з частинками та полями. На відміну від цього, ядерна фізика зосереджується конкретно на перебігу всередині атомного ядра, що більш докладно описано в наступному розділі.
Є кілька предметів вивчення фізики частинок. Перш за все - це структура самого атома. Атоми складаються з міцно зв’язаного ядра, яке містить протони та нейтрони, та дифузної електронної хмари.
Враховуючи, що ядро зазвичай близько 10-15 до 10-14 м у діаметрі, а самі атоми мають порядок 10-10 м у діаметрі (а розмір електронів незначний), виявляється, що атоми - це переважно порожній простір. Звичайно, вони здаються не такими, якими вони є, і вся речовина, яка складається з атомів, безумовно, відчувається як речовина.
Причина, по якій атоми не здаються в основному порожнім простором, полягає в тому, що ви також створені з атомів, і всі атоми взаємодіють з електромагнітною енергією. Незважаючи на те, що ваша рука, яка складається в основному з атомів порожнього простору, тисне на стіл, також здебільшого порожній простір, він не проходить через стіл через електромагнітні сили між атомами, коли вони надходять контакт.
Однак нейтрино, частинка, яка не взаємодіє з електромагнітною силою, здатна пройти через більшість атомних матеріалів, практично не виявлених. Насправді кожну секунду через ваше тіло проходить 100 трильйонів нейтрино!
Класифікація атомів
Атоми класифікуються за атомним номером у періодичній системі. Атомний номер - це кількість протонів, які атом містить у своєму ядрі. Це число визначає елемент.
Хоча даний елемент завжди матиме однакову кількість протонів, він може містити різну кількість нейтронів. Різні ізотопи елемента містять різну кількість нейтронів. Деякі ізотопи є більш стабільними, ніж інші (що означає меншу ймовірність спонтанного розпаду на щось інше), і ця стабільність як правило, залежить від кількості нейтронів, саме тому для більшості елементів більшість атомів, як правило, належать до одного конкретного ізотоп.
Кількість електронів, що міститься в атомі, визначає, є він іонізованим чи зарядженим. Нейтральний атом містить таку ж кількість електронів, що і протони, але іноді атоми можуть отримувати або втрачати електрони і заряджатися. Наскільки легко атом отримує або втрачає електрони, залежить від його електронної орбітальної структури.
Атом Гідрогену - найпростіший атом, що містить у своєму ядрі лише один протон. Трьома найбільш стабільними ізотопами водню є протій (не містить нейтронів), дейтерій (що містить один нейтрон) та тритій (що містить два нейтрони), причому протій є найбільш поширеним.
Протягом багатьох років були запропоновані різні моделі атома, що призвело до діючої моделі. Ранні роботи виконували Ернест Резерфорд, Нільс Бор та інші.
Спектри поглинання та викиду
Як уже згадувалося, атоми взаємодіють з електромагнітною силою. Протони в атомі несуть позитивний заряд, а електрони - негативний. Електрони в атомі можуть поглинати електромагнітне випромінювання і в результаті досягти вищого енергетичного стану, або випромінювати випромінювання і переходити в нижчий енергетичний стан.
Однією з ключових властивостей цього поглинання та випромінювання випромінювання є те, що атоми поглинають та випромінюють випромінювання лише при дуже конкретних квантованих значеннях. І для кожного різного типу атома ці конкретні значення різні.
Гарячий газ атомного матеріалу буде випромінювати на дуже певних довжинах хвиль. Якщо світло, що виходить від цього газу, пропустити через спектроскоп, який поширює світло в спектрі на довжину хвилі (подібно до веселки), з’являться чіткі лінії випромінювання. Набір ліній викидів, що надходять від газу, можна прочитати майже як штрих-код, який точно повідомляє, які атоми знаходяться в газі.
Подібним чином, якщо безперервний спектр світла падає на холодний газ, а світло, яке проходить через цей газ, тоді пройшовши через спектроскоп, ви побачили б безперервний спектр з темними проміжками на певних довжинах хвиль, які має газ поглинається. Цей спектр поглинання буде виглядати як зворотний спектру випромінювання, темні лінії з'являються там, де яскраві лінії були для того самого газу. Як такий, його також можна читати як штрих-код, що повідомляє про склад газу. Астрономи використовують це весь час для визначення складу матеріалу в просторі.
Що таке ядерна фізика?
Ядерна фізика фокусується на атомному ядрі, ядерних реакціях та взаємодії ядра з іншими частинками. Він досліджує радіоактивний розпад, ядерний синтез та розподіл ядер, а також енергію зв'язку, серед інших тем.
Ядро містить щільно зв’язану групу протонів і нейтронів. Однак це не основні частинки. Протони та нейтрони складаються з ще менших частинок, які називаються кварки.
Кварки - це частинки з дробовим зарядом і дещо дурні назви. Вони бувають шести так званих ароматів: вгору, вниз, зверху, знизу, дивно і чарівно. Нейтрон складається з двох кварків вниз і кварка вгору, а протон - з двох кварків вниз і кварка вниз. Кварки в кожному нуклоні тісно пов'язані сильною ядерною силою.
Сильна ядерна сила опосередковується частинками глюони. Ви відчуваєте тему? Вченим було дуже цікаво називати ці частинки! Глюони, звичайно, «склеюють» кварків. Сильна ядерна сила діє лише на дуже малій дальності - на відстані, порівнянні з діаметром ядра середнього розміру.
Зв’язуюча енергія
Кожен ізольований нейтрон має масу 1,6749275 × 10-27 кг, а кожен ізольований протон має масу 1,6726219 × 10-27 кг; однак, пов'язана між собою в атомному ядрі, атомна маса не є сумою його складових частин через щось, що називається енергією зв'язку.
Ставши щільно зв’язаними, нуклони досягають нижчого енергетичного стану в результаті перетворення певної частини загальної маси, яку вони мали як окремі частинки, в енергію. Ця різниця мас, яка перетворюється в енергію, називається енергією зв’язку ядра. Співвідношення, яке описує, скільки енергії відповідає даній кількості маси, відоме Ейнштейну E = mc2 рівняння де м - маса, c - швидкість світла і Е це енергія.
Пов’язане поняття - це енергія зв’язку на нуклон, яка є загальною енергією зв’язку ядра, усередненою по його складових частинах. Енергія зв’язку на нуклон є хорошим показником того, наскільки стабільним є ядро. Низька енергія зв'язку на нуклон вказує на те, що для цього може існувати сприятливіший стан нижчої загальної енергії конкретне ядро, тобто воно, швидше за все, захоче або розділитися, або злитися з іншим ядром під належним умови.
Загалом, ядра, легші за ядра заліза, як правило, досягають нижчих енергетичних станів і вищої енергії зв’язку на нуклон, сплавляючись з іншими ядрами, тоді як ядра, важчі заліза, як правило, досягають нижчих енергетичних станів, розпадаючись на легші ядра. Процеси, за яких відбуваються ці зміни, описані в наступному розділі.
Ділення, синтез та радіоактивний розпад
Основна увага ядерної фізики приділяється вивченню поділу, синтезу та розпаду ядер атомів. Всі ці процеси керуються фундаментальним уявленням, що всі частинки віддають перевагу нижчим енергетичним станам.
Ділення відбувається, коли важке ядро розпадається на менші ядра. Дуже важкі ядра схильні робити це, оскільки вони мають меншу енергію зв’язку на нуклон. Як ви пам'ятаєте, є кілька сил, які керують тим, що відбувається в атомному ядрі. Сильна ядерна сила міцно пов'язує нуклони, але це дуже мала сила дії. Отже, для дуже великих ядер це менш ефективно.
Позитивно заряджені протони в ядрі також відштовхують один одного за допомогою електромагнітної сили. Це відштовхування повинно бути подолане сильною ядерною силою, а також може бути опосередковане, маючи навколо достатньо нейтронів. Але чим більше ядро, тим менш вигідним є баланс сил для стабільності.
Отже, більші ядра, як правило, хочуть розпастися або через процеси радіоактивного розпаду, або через реакції поділу, такі як ті, що відбуваються в ядерних реакторах або бомбах ділення.
Злиття відбувається, коли два легших ядра досягають більш сприятливого енергетичного стану, об'єднуючись у важче ядро. Однак для того, щоб відбулося розщеплення, ядра, про які йдеться, повинні наблизитися один до одного, щоб сильна ядерна сила могла взяти верх. Це означає, що вони повинні рухатися досить швидко, щоб вони могли подолати електричне відштовхування.
Ядра швидко пересуваються при екстремальних температурах, тому ця умова часто потрібна. Отак ядерний синтез може відбуватися в надзвичайно гарячому ядрі Сонця. До цього часу вчені все ще намагаються знайти спосіб зробити так, щоб стався холодний синтез - тобто синтез при більш низьких температурах. Оскільки енергія виділяється в процесі термоядерного синтезу і не залишає радіоактивних відходів, як це роблять реактори поділу, це було б неймовірним енергетичним ресурсом, якщо б це було досягнуто.
Радіоактивний розпад є загальним засобом, за допомогою якого ядра зазнають змін, щоб стати більш стабільними. Існує три основних типи розпаду: альфа-розпад, бета-розпад і гамма-розпад.
При альфа-розпаді радіоактивне ядро виділяє альфа-частинку (ядро гелію-4) і в результаті стає більш стабільним. Бета-розпад буває декількох різновидів, але по суті є наслідком того, що нейтрон стає протоном, або той, що стає нейтроном і виділяє β- або β+ частинка (електрон або позитрон). Гамма-розпад відбувається, коли ядро у збудженому стані виділяє енергію у вигляді гамма-променів, але підтримує загальну кількість нейтронів і протонів.
Стандартна модель фізики частинок
Вивчення ядерної фізики поширюється на велику область фізики частинок, яка має на меті зрозуміти роботу всіх фундаментальних частинок. Стандартна модель класифікує частинки на ферміони та бозони, а потім класифікує ферміони на кварки та лептони, а бозони - на калібровані та скалярні бозони.
Бозони не підкоряються законам збереження чисел, але ферміони. Існує також закон збереження як для лептонних, так і для кваркових чисел на додаток до інших збережених величин. Взаємодія основних частинок опосередковується бозонами, що несуть енергію.
Застосування ядерної фізики та атомної фізики
Застосування ядерної та атомної фізики є великим. Ядерні реактори на атомних електростанціях створюють чисту енергію, використовуючи енергію, що виділяється під час процесів ділення. Ядерна медицина використовує радіоактивні ізотопи для візуалізації. Астрофізики використовують спектроскопію для визначення складу віддалених туманностей. Магнітно-резонансна томографія дозволяє лікарям створювати детальні зображення внутрішньої частини своїх пацієнтів. Навіть рентгенівські технології використовують ядерну фізику.