Ядерна фізика: що це, хто її відкрив і чому це важливо?

Кілька похмурих днів у Парижі в 1896 році "зіпсували" експеримент Анрі Беккереля, але в процесі цього народилася область ядерної фізики. Беккерель прагнув довести свою гіпотезу про те, що уран поглинав сонячне світло і перепромінював його у вигляді рентгенівських променів, які були виявлені попереднього року.

План Беккереля полягав у тому, щоб привести урансульфат калію на сонячне світло, а потім привести його в контакт з фотопластинками, загорнутими в чорний папір, оскільки, хоча видиме світло не пробивається, рентгенівські промені б. Незважаючи на відсутність сонячного світла, він вирішив все-таки пройти цей процес і був шокований, коли виявив зображення, все ще записані на фотопластинці.

Подальші випробування показали, що це зовсім не рентген, незважаючи на його припущення. Шлях світла не згинається магнітним полем, а випромінювання урану був відхилений одним, і це - разом з першим результатом - було тим, як було виявлено випромінювання. Марія Кюрі ввів термін радіоактивність, і разом зі своїм чоловіком П'єром відкрив полоній і радій, закріпивши точні джерела радіоактивності.

Пізніше Ернест Резерфорд придумав терміни альфа-частинки, бета-частинки та гамма-частинки для випромінюваного матеріалу та поля ядерна фізика справді почав.

Звичайно, зараз люди знають про ядерну фізику набагато більше, ніж на початку 20 століття, і це є важливою темою для розуміння та вивчення для будь-якого студента-фізика. Якщо ви хочете зрозуміти природу ядерної енергетики, сильні та слабкі ядерні сили чи внести свій внесок у такі галузі, як ядерна медицина, вивчення основ є важливим.

Ядерна фізика - це, по суті, фізика ядра, частина атома, що містить дві найбільш відомі "Адрони", протони та нейтрони.

Зокрема, це стосується сил, що діють в Росії ядро (сильна взаємодія, яка пов'язує протони та нейтрони в ядрі, а також утримує їх компонент кварки разом, і слабка взаємодія, пов'язана з радіоактивним розпадом), і взаємодія ядер з іншими частинки.

Ядерна фізика охоплює такі теми, як ядерний синтез (який стосується енергії зв'язку різних елементів), ділення ядер (що є розщеплення важких елементів для отримання енергії), а також радіоактивний розпад і основна структура та сили, що діють у ядро.

Існує багато практичних застосувань у цій галузі, включаючи (але не обмежуючись цим) роботи в ядерній енергетиці, ядерній медицині та фізиці високих енергій.

Ан атом складається з ядра, що містить позитивно заряджені протони і незаряджені нейтрони, утримувані разом сильною ядерною силою. Вони оточені негативно зарядженими електронами, які утворюють те, що називається "хмарою" навколо ядра, і кількість електронів відповідає кількості протонів у нейтральному атомі.

Протягом історії фізики було запропоновано численні моделі атома, в тому числі «слива Томсона» модель пудингу »,« планетарну »модель Резерфорда та Бора та сучасну, квантово-механічну модель, описану вище.

Ядро крихітне, близько 10⁻¹⁵ м, що містить основну масу атома, тоді як весь атом має порядок 10⁻¹⁰ м. Не дозволяйте позначенням обдурити вас - це означає, що ядро ​​приблизно в 100 000 разів менше атома в цілому, але воно містить переважну більшість речовини. Отже, атом переважно порожній простір!

Маса атома не є точно такою ж, як маса складових частин: якщо скласти маси протонів та нейтронів, це вже перевищує масу атома, перш ніж ви навіть врахуєте набагато меншу масу атома електрон.

Це називається "дефектом маси" атома, і якщо перетворити цю різницю в енергію за допомогою відомого рівняння Ейнштейна Е = мк², ви отримуєте "енергію зв'язку" ядра.

Це енергія, яку ви повинні були б вкласти в систему, щоб розділити ядро ​​на складові протони та нейтрони. Ці енергії набагато, набагато більші за енергію, необхідну для виведення електрона з його “орбіти” навколо ядра.

Два типи нуклон (тобто частинка ядра) - це протон і нейтрон, і вони тісно пов'язані між собою в ядрі атома.

Хоча це загалом нуклони, про які ви почуєте, насправді вони не є фундаментальними частинками у стандартній моделі фізики частинок. Протон і нейтрон складаються з основних частинок, які називаються кварки, які мають шість «ароматів» і кожен несе частку заряду протона або електрона.

Кварк вгору має 2/3 e заряду, де e є зарядом електрона, тоді як вниз кварк має −1/3 e заряду. Це означає, що два вгору кварки та низхідний кварк утворюють частинку з позитивним зарядом величини e, який є протоном. З іншого боку, вгору кварк і два вниз кварки утворюють частинку без загального заряду - нейтрон.

Стандартна модель каталогізує всі основні частинки, відомі на даний момент, та об’єднує їх у дві основні групи: ферміони та бозони. Ферміони підрозділяються на кварки (які, в свою чергу, утворюють адрони, такі як протони та нейтрони) і лептони (які включають електрони та нейтрино), і бозони поділяються на калібровані та скалярні бозони.

Бозон Хіггса - єдиний скалярний бозон, відомий на сьогодні, з іншими бозонами - фотоном, глюоном, Z-бозони і W бозони - будучи калібрувальними бозонами.

Ферміони, на відміну від бозонів, підкоряються "законам збереження чисел". Наприклад, існує закон збереження лептонного числа, який пояснює такі речі, як частки, що утворюються як частина ядерного розпаду процесів (оскільки створення електрона з лептонним числом 1, наприклад, має бути збалансовано створенням іншої частинки з лептоновим числом -1, наприклад, електронного нейтрино).

Номер кварка також зберігається, а є й інші збережені кількості.

Бозони є силоносними частинками, і тому взаємодія основних частинок опосередковується бозонами. Наприклад, взаємодія кварків опосередковується глюонами, а електромагнітна - фотонами.

Хоча електромагнітна сила дійсно діє в ядрі, основними силами, які потрібно враховувати, є сильні та слабкі ядерні сили. Сильну ядерну силу несуть глюони, а слабку ядерну силу W^± та Z⁰ бозони.

Як випливає з назви, сильна ядерна сила є найсильнішою з усіх основних сил, за якою слідує електромагнетизм (10² в рази слабкіше), слабка сила (10⁶ в рази слабкіше) та сили тяжіння (10⁴⁰ в рази слабкіше). Величезна різниця між гравітацією та рештою сил полягає в тому, чому фізики по суті нехтують нею, обговорюючи матерію на атомному рівні.

Сильна сила потреби бути сильним, щоб подолати електромагнітне відштовхування між позитивно зарядженими протонами в ядрі - якби воно мало були б слабшими за електромагнітну силу, жодні атоми з більш ніж одним протоном в ядрі не змогли б форму. Однак сильна сила має дуже короткий радіус дії.

Це важливо, оскільки воно показує, чому сила не помітна навіть у масштабі цілих атомів або молекул, але це також означає, що електромагнітне відштовхування стає більш актуальним для важких ядер (тобто більші атоми). Це одна з причин, чому нестабільними ядрами часто є важкі елементи.

Слабка сила також має дуже малий діапазон, і це, по суті, змушує кварки змінювати смак. Це може призвести до того, що протон перетвориться на нейтрон і навпаки, і тому його можна сприймати як причину ядерний розпад такі процеси, як бета-плюс і мінус-розпад.

Існує три типи радіоактивного розпаду: альфа-розпад, бета-розпад і гамма-розпад. Альфа-розпад - це коли атом розпадається, виділяючи «альфа-частинку», що є іншим терміном для ядра гелію.

Існує три підтипи бета-розпаду, але всі вони включають протон, що перетворюється на нейтрон, або навпаки. Бета-мінус розпад - це коли нейтрон стає протоном і вивільняє електрон і антинейтрино в процесі, перебуваючи в бета-розпаді, протон стає нейтроном і вивільняє позитрон (тобто антиелектрон) і електрон нейтрино.

При захопленні електрона електрон із зовнішніх частин атома поглинається в ядро, а протон перетворюється на нейтрон, а нейтрино вивільняється з процесу.

Гама-розпад - це розпад, при якому виділяється енергія, але в атомі нічого не змінюється. Це аналогічно способу виділення фотона, коли електрон здійснює перехід із високоенергетичного стану в низькоенергетичний. Збуджене ядро ​​здійснює перехід у низькоенергетичний стан і випромінює гамма-промінь, як це робиться.

Ядерний синтез це коли два ядра зливаються і створюють важче ядро. Це спосіб генерування енергії на Сонці, і отримання процесу на Землі для виробництва енергії є однією з найбільших цілей експериментальної фізики.

Проблема полягає в тому, що для цього потрібні надзвичайно високі температури і тиск, а отже, дуже високий рівень енергії. Однак, якщо вчені цього досягнуть, синтез може стати життєво важливим джерелом енергії, оскільки суспільство продовжує зростати, і ми споживаємо все більшу кількість енергії.

Ядерний поділ це розщеплення важкого елемента на два легші ядра, і саме це забезпечує поточне покоління ядерних реакторів.

Ділення також є принципом дії ядерної зброї, що є однією з основних причин, що це суперечлива сфера. На практиці ділення відбувається через ряд ланцюгових реакцій. Нейтрон, який створює початковий розкол у такому важкому елементі, як уран, генерує подальший вільний нейтрон після реакції, який потім може викликати ще одне розщеплення тощо.

По суті, обидва ці процеси отримують енергію через Е = мк² відношення, оскільки сплавлення або розщеплення атомів передбачає вивільнення енергії з “відсутньої маси”.

Існує величезний спектр застосувань ядерної фізики. Примітно, що ядерні реактори та атомні електростанції працюють у багатьох країнах світу, і багато фізиків працюють над новими та більш безпечними конструкціями.

Наприклад, деякі конструкції ядерних реакторів спрямовані на те, щоб не можна було використовувати вихідний матеріал створити ядерну зброю, яка потребує значно збагаченого джерела урану (тобто "чистішого" урану), щоб експлуатувати.

Ядерна медицина є ще одним важливим напрямком для ядерної фізики. Ядерна медицина передбачає введення дуже невеликої кількості радіоактивного матеріалу пацієнту, а потім детектори використовуються для захоплення зображень від випромінювання. Це допомагає лікарям діагностувати нирки, щитовидку, серце та інші захворювання.

Звичайно, є багато інших областей, де по суті є ядерна фізика, включаючи фізику високих енергій та частинки такі прискорювачі, як ЦЕРН та астрофізика, де багато домінуючих процесів у зірках сильно залежать від ядерних фізика.