Kernefysik: Hvad er det, hvem opdagede det og hvorfor er det vigtigt?

Flere overskyede dage i Paris i 1896 "ødelagde" Henri Becquerels eksperiment, men undervejs blev området for kernefysik født. Becquerel var ude for at bevise sin hypotese om, at uran absorberede sollys og genstrålede det i form af røntgenstråler, der var blevet opdaget året før.
Nuclear Physics Basics: History and Discovery -

Becquerels plan var at bringe kaliumuranylsulfat i sollyset og derefter bringe det i kontakt med fotografiske plader indpakket i sort papir, for mens synligt lys ikke ville komme igennem, ville røntgenstråler gøre det. På trods af manglen på sollys besluttede han alligevel at gå gennem processen og blev chokeret, da han opdagede billeder, der stadig er optaget på den fotografiske plade.

Yderligere test viste, at det overhovedet ikke var røntgenstråler, på trods af antagelser. Lysbanen bøjes ikke af et magnetfelt, men strålingen fra uran blev afbøjet af en, og dette - sammen med det første resultat - var, hvordan stråling blev opdaget. Marie Curie opfandt udtrykket radioaktivitet, og sammen med sin mand Pierre, opdagede polonium og radium, hvor de nøjagtige kilder til radioaktivitet blev fastgjort.

Senere kom Ernest Rutherford op med udtrykkene alfa-partikler, beta-partikler og gamma partikler til det udstrålede materiale, og området med nukleær fysik kom virkelig i gang.

Naturligvis ved folk meget mere om nukleær fysik nu, end de gjorde ved begyndelsen af det 20. århundrede, og det er et afgørende emne at forstå og lære om for enhver fysikstuderende. Uanset om du vil forstå arten af kerneenergi, de stærke og svage kernekræfter eller bidrage til felter som nuklearmedicin, er det vigtigt at lære det grundlæggende.
Hvad er kernefysik?

Kernefysik er hovedsageligt fysik i kernen, den del af atomet, der indeholder de to mest kendte “hadroner”, protoner og neutroner.

Det ser især på kræfterne, der fungerer i kernen (den stærke interaktion, der binder protoner og neutroner sammen i kernen, såvel som at holde deres komponentkvarker sammen, og den svage interaktion, der vedrører radioaktivt henfald), og interaktion mellem kerner med andre partikler.

Kernefysik dækker emner som nuklear fusion (som vedrører bindende energi fra forskellige elementer), nuklear fission (som er opdeling af tunge elementer til at producere energi) samt radioaktivt henfald og den grundlæggende struktur og kræfter, der spiller i kernen.

Der er mange praktisk anvendelser af feltet, herunder (men ikke begrænset til) arbejde inden for kerneenergi, nuklearmedicin og højenergifysik.
Atomets struktur

Et atom er sammensat af en kerne, der indeholder det positive -ladede protoner og uladede neutroner holdt sammen af den stærke atomkraft. Disse er omgivet af negativt ladede elektroner, der danner det, der kaldes en "sky" omkring kernen, og antallet af elektroner matcher antallet af protoner i et neutralt atom.

Der har været adskillige modeller af atomet foreslået gennem fysikens historie, herunder Thomsons “blommeudtagningsmodel” -model, Rutherfords og Bohrs “planetariske” model og den moderne, kvantemekaniske model beskrevet ovenfor.

Kernen er lille, omkring 10 ^{- 15 m, indeholdende hovedparten af atommets masse, mens hele atomet er i størrelsesordenen 10 <10> 10 m. Lad ikke notationen narre dig - det betyder, at kernen er omkring 100.000 gange mindre end atomet samlet, men den indeholder langt de fleste sager. Atomet er altså overvejende tomt rum!}

Atomets masse er dog ikke nøjagtigt den samme som massen af de bestanddel, der består: Hvis du tilføjer masserne af protoner og neutroner, overstiger det allerede massen af atomet, før du endda redegør for elektronens meget mindre masse.

Dette kaldes atomets "massedefekt", og hvis du konverterer denne forskel til energi ved hjælp af Einsteins berømte ligning E
\u003d mc
^{2, du får den "bindende energi" i kernen.}

Dette er den energi, du skulle bruge i systemet for at opdele kerne i dets bestanddele protoner og neutroner. Disse energier er meget, meget større end den energi, det kræver for at fjerne et elektron fra sin "bane" omkring kernen.
Nuclear Matter and Nuclear Structure

De to typer nucleon (dvs. kernepartikel ) er protonet og neutronen, og disse er tæt bundet sammen i atomens kerne.

Selvom dette generelt er de nukleoner, du vil høre om, er de faktisk ikke grundlæggende partikler i standardmodellen af partikelfysik. Protonet og neutronen er begge sammensat af grundlæggende partikler kaldet kvarker, der kommer i seks "smagsstoffer" og hver bærer en brøkdel af ladningen af et proton eller et elektron.

En opkvark har en 2/3 e
ladning, hvor e
er ladningen for et elektron, mens et down quark har en −1/3 e
ladning. Dette betyder, at to opadgående kvarker og en ned-kvark kombineret vil producere en partikel med en positiv ladningsstørrelse e
, som er en proton. På den anden side producerer en op-kvark og to-ned-kvarker en partikel uden samlet ladning, neutronen.
Standardmodellen for partikelfysik

Standardmodellen katalogiserer alle de i øjeblikket kendte grundlæggende partikler, og grupperer dem i to hovedgrupper: fermioner og bosoner. Fermioner er opdelt i kvarker (som igen producerer hadroner som protoner og neutroner) og leptoner (som inkluderer elektroner og neutrinoer), og bosoner er opdelt i gauge- og skalarbosoner.

Higgs Boson er den eneste skalære boson kendt indtil videre med de andre bosoner - fotonen, gluon, Z
-bosoner og W og bosoner - at være gauge-bosoner.

Fermions, i modsætning til bosoner, adlyder ” antal bevaringslove. ”For eksempel er der en lov om bevarelse af leptonnummer, der forklarer ting som partiklerne, der er produceret som en del af nukleare forfaldelsesprocesser (fordi oprettelsen af et elektron med f.eks. lepton nummer 1) afbalanceret med oprettelsen af en anden partikel med leptonnummer −1, såsom et elektron-anti-neutrino).

Quark-nummer er også bevaret, og der er også andre konserverede mængder.

Bosoner er kraftbærende partikler, og således er interaktion mellem de grundlæggende partikler medieret af bosonerne. For eksempel medieres vekselvirkningen af kvarker af gluoner, og elektromagnetiske interaktioner er medieret af fotoner.
Stærk atomkraft og svag kernekraft |

Selvom den elektromagnetiske kraft finder anvendelse i kernen, er de vigtigste kræfter du behov for at overveje er de stærke og svage atomkræfter. Den stærke atomkraft transporteres af gluoner, og den svage atomkraft bæres af W
^{± og Z
0 bosoner.}

Som navnet antyder, den stærke atomkraft er den stærkeste af alle grundlæggende kræfter, efterfulgt af elektromagnetisme (10 ^{2 gange svagere), den svage kraft (10 6 gange svagere) og tyngdekraften (10 40 gange) svagere). Den enorme forskel mellem tyngdekraften og resten af kræfterne er grunden til, at fysikere i det væsentlige forsømmer det, når man diskuterer stof på atomniveau.}

Den stærke kraft har brug for at være stærk for at overvinde den elektromagnetiske frastødning mellem de positivt ladede protoner i kernen - hvis det havde været svagere end den elektromagnetiske kraft, ville ingen atomer med mere end et proton i kernen have været i stand til at dannes. Den stærke kraft har imidlertid et meget kort rækkevidde.

Dette er vigtigt, fordi det viser, hvorfor kraften ikke er synlig selv på skalaen fra hele atomer eller molekyler, men det betyder også, at elektromagnetisk frastødelse bliver mere relevant for tunge kerner (dvs. større atomer). Dette er en af grundene til, at ustabile kerner ofte er dem fra de tunge elementer.

Den svage kraft har også et meget kort rækkevidde, og det får i det væsentlige kvarker til at ændre smag. Dette kan forårsage, at et proton bliver et neutron og vice versa, og det kan derfor tænkes som årsagen til nukleare forfaldsprocesser som beta plus og minus forfald.
Radioactive Decay

Der er tre typer af radioaktivt henfald: alfa-henfald, beta-henfald og gamma-henfald. Alfa-henfald er, når et atom henfalder ved at frigive en "alfa-partikel", som er en anden betegnelse for en heliumkerne.

Der er tre undertyper af beta-henfald, men alle involverer en proton, der forvandles til en neutron eller vice versa. Et beta minus forfald er, når en neutron bliver et proton og frigiver en elektron og en elektron-anti-neutrino i processen, mens i beta plus forfald bliver en proton til en neutron og frigiver en positron (dvs. en anti-elektron) og en elektron neutrino.

Ved elektronfangst absorberes et elektron fra atomets ydre dele i kernen, og en proton omdannes til et neutron, og en neutrino frigøres fra processen.

Gamma-henfald er et henfald, hvor energi frigives, men intet i atomet ændrer sig. Dette er analogt med den måde, en foton frigøres, når en elektron foretager en overgang fra en højenergi til en lavenergitilstand. En ophidset kerne foretager en overgang til en lavenergitilstand og udsender en gammastråle, som den gør.
Nuclear Fission and Nuclear Fusion

Nuclear fusion er, når to kerner smelter sammen og skaber en tungere kerne. Dette er den måde, energi genereres i solen, og at få processen til at finde sted på Jorden til kraftproduktion er et af de største mål for eksperimentel fysik.

Problemet er, at det kræver ekstremt høje temperaturer og tryk, og derfor meget høje energiniveauer. Men hvis forskere opnår det, kan fusion blive en vital kraftkilde, når samfundet fortsætter med at vokse, og vi forbruger stigende mængder energi.

Kernefission er opdeling af et tungt element i to lettere kerner, og det er hvad der styrker den nuværende generation af atomreaktorer.

Fission er også driftsprincippet for atomvåben, som er en af hovedårsagerne til, at det er et kontroversielt område. I praksis fungerer fission gennem en række kædereaktioner. Et neutron, der skaber den indledende opdeling i et tungt element som uran, genererer et yderligere frit neutron efter reaktionen, som derefter kan fortsætte med at forårsage endnu en opdeling og så videre.

I det væsentlige får begge disse processer energi gennem E
\u003d mc
^{2-forholdet, da fusion eller opdeling af atomer indebærer en frigørelse af energi fra den "manglende masse."
Applications of Nuclear Physics}

Der findes en enorm række applikationer inden for nukleær fysik. Navnlig er atomreaktorer og kernekraftværker operationelle i mange lande over hele verden, og mange fysikere arbejder på nye og mere sikre design.

F.eks. Sigter nogle atomreaktorkonstruktioner for at sikre, at kildematerialet ikke kan bruges til at skabe atomvåben, som kræver en meget mere beriget uranskilde (dvs. et "renere" uran) for at fungere.

Atommedicin er et andet vigtigt område for nuklear fysik. Nuklear medicin involverer meget små mængder radioaktivt materiale, der administreres til patienten, og derefter bruges detektorer til at fange billeder fra den stråling, der er afgivet. Dette hjælper læger med at diagnosticere nyre, skjoldbruskkirtel, hjerte og andre tilstande.

Der er selvfølgelig mange andre områder, hvor nukleær fysik hovedsageligt er, herunder højenergifysik og partikelacceleratorer som CERN, og astrofysik, hvor mange af de dominerende processer i stjerner afhænger stærkt af nukleær fysik.