Nuclear & Atomic (Physics): En begynderguide for studerende

Atom- og nukleærfysik beskriver begge fysikernes meget små. Når du arbejder med så små genstande, mislykkes din intuition, der bygger på din forståelse af klassisk mekanik, ofte. Dette er kvantemekanikens område, atomkraft med kort rækkevidde, elektromagnetisk stråling og standardmodellen for partikelfysik.
Hvad er atomfysik?

Atomfysik er den gren af fysik, der beskæftiger sig med strukturen i atomet, tilknyttede energitilstander og atomets interaktion med partikler og felter. I modsætning hertil fokuserer nukleær fysik specifikt på udviklingen inde i atomkernen, som er beskrevet mere detaljeret i det næste afsnit.

Der er flere undersøgelsesemner inden for partikelfysik. Først og fremmest er strukturen af selve atomet. Atomer består af en tæt bundet kerne, der indeholder protoner og neutroner, og en diffus elektronsky.

I betragtning af at kernen normalt er i størrelsesordenen 10 <-15 til 10 ^{-14 m i diameter, og atomer i sig selv er i størrelsesordenen 10 <-10 m i diameter (og størrelsen på elektronerne er ubetydelig), det viser sig, at atomer stort set er tomt. Selvfølgelig virker de ikke som de er, og alt det, der er lavet af atomer, føles bestemt som stof.}

Grunden til atomer ser ikke ud som om de for det meste er tom plads er, at du også er lavet af atomer, og alle atomer interagerer med elektromagnetisk energi. Selvom din hånd, der består af for det meste tomme rumatomer, presser mod et bord, også består af stort set tom plads, passerer den ikke gennem tabellen på grund af de elektromagnetiske kræfter mellem atomerne, når de kommer i kontakt.

Neutrinoen, en partikel, der ikke interagerer med den elektromagnetiske kraft, er dog i stand til at passere det meste atommateriale praktisk talt uopdaget. Faktisk passerer 100 billioner neutrinoer gennem din krop hvert sekund!
Atomklassificering

Atomer klassificeres efter atomnummer i den periodiske tabel. Atomnummeret er antallet af protoner, atomet indeholder i sin kerne. Dette nummer definerer elementet.

Mens et givet element altid vil have det samme antal protoner, kan det indeholde forskellige antal neutroner. Forskellige isotoper af et element indeholder forskellige antallet af neutroner. Nogle isotoper er mere stabile end andre (hvilket betyder mindre sandsynligt, at det spontant nedbrydes til noget andet), og denne stabilitet afhænger typisk af antallet af neutroner, hvilket er grunden til, at de fleste af atomerne for de fleste elementer har en bestemt isotop .

Antallet af elektroner, som et atom indeholder, bestemmer, om det er ioniseret eller ladet. Et neutralt atom indeholder det samme antal elektroner som protoner, men undertiden kan atomer vinde eller miste elektroner og blive ladet. Hvor let et atom vinder eller mister elektroner afhænger af dets elektroniske orbitalstruktur.

Brintatomet er det enkleste atom, der kun indeholder et proton i sin kerne. De tre mest stabile isotoper af brint er protium (der indeholder ingen neutroner), deuterium (der indeholder en neutron) og tritium (indeholdende to neutroner), hvor protium er den mest rigelige.

Forskellige modeller af atomet er blevet foreslået over årene, der fører til den nuværende model. Tidligt arbejde blev udført af Ernest Rutherford, Niels Bohr og andre.
Absorption and Emission Spectra

Som nævnt interagerer atomer med den elektromagnetiske kraft. Protonerne i et atom bærer positiv ladning, og elektronerne bærer negativ ladning. Elektronerne i atomet kan absorbere elektromagnetisk stråling og opnå en højere energitilstand som et resultat eller udsende stråling og bevæge sig til en lavere energitilstand.

En nøgleegenskab ved denne absorbering og udsendelse af stråling er, at atomer absorberer og udsender kun stråling ved meget specifikke kvantiserede værdier. Og for hver anden type atom er disse specifikke værdier forskellige.

En varm gas af atomisk materiale udsender stråling ved meget specifikke bølgelængder. Hvis lys, der kommer fra denne gas, føres gennem et spektroskop, der spreder lyset ud i et spektrum med bølgelængde (som en regnbue), vises forskellige emissionslinjer. Sættet med emissionslinjer, der kommer fra gassen, kan læses næsten som en stregkode, der fortæller dig nøjagtigt, hvilke atomer der er i gassen.

Tilsvarende, hvis et kontinuerligt spektrum af lys indtræder på en kølig gas, og lyset der passerer gennem den gas, der derefter føres gennem et spektroskop, ville du se et kontinuerligt spektrum med mørke huller ved de specifikke bølgelængder, som gassen absorberede. Dette absorptionsspektrum vil ligne det inverse af emissionsspektret, hvor de mørke linjer vises, hvor de lyse linjer var for den samme gas. Som sådan kan det også læses som en stregkode, der fortæller dig gasens sammensætning. Astronomer bruger dette hele tiden til at bestemme sammensætningen af materiale i rummet.
Hvad er kernefysik?

Kernefysik fokuserer på atomkernen, nukleare reaktioner og samspillet mellem kernen og andre partikler. Det udforsker blandt andet radioaktivt forfald, nuklear fusion og nuklear fission og bindende energi.

Kernen indeholder en tæt bundet klump af protoner og neutroner. Dette er dog ikke grundlæggende partikler. Protoner og neutroner er lavet af stadig mindre partikler kaldet kvarker.

Kvarker er partikler med fraktioneret ladning og noget fjollede navne. De kommer i seks såkaldte smag: op, ned, top, bund, underlig og charme. Et neutron består af to nedadgående kvarker og en op-kvark, og en proton består af to op-kvarker og en ned-kvark. Kvarkerne i hver nukleon er tæt bundet af den stærke atomkraft.

Den stærke atomkraft formidles af partikler kaldet gluoner
. Føler du et tema? Forskerne havde det sjovt at navngive disse partikler! Lim, selvfølgelig, "limer" kvarkerne sammen. Den stærke atomkraft virker kun på meget kort rækkevidde - i en afstand, der kan sammenlignes med diameteren af den gennemsnitlige størrelse kerne.
Binding Energy

Hver isoleret neutron har en masse på 1,6749275 × 10 ^{-27 kg, og hver isoleret proton har en masse på 1,6726219 × 10 <-27 kg; når den er bundet sammen i en atomkerne, er atommassen imidlertid ikke summen af dens bestanddele på grund af noget, der kaldes bindingsenergi.}

Ved at blive tæt bundet opnår nukleonerne en lavere energitilstand som et resultat af noget af den samlede masse, de havde som individuelle partikler, konverteres til energi. Denne masseforskel, der omdannes til energi, kaldes den bindende energi i kernen. Forholdet, der beskriver hvor meget energi der svarer til en given mængde masse er Einsteins berømte E \u003d mc ^{2
ligning, hvor m
er massen, c
er lysets hastighed, og E
er energien.}

Et beslægtet koncept er den bindende energi pr. nukleon, som er den samlede bindingsenergi i en kerne, der er gennemsnitligt over dens bestanddele. Bindingsenergien pr. Nukleon er en god indikator for, hvor stabil en kerne er. En lav bindende energi pr. Nukleon indikerer, at en gunstigere tilstand med lavere totalenergi muligvis kan eksistere for den bestemte kerne, hvilket betyder, at den sandsynligvis vil enten splitte fra hinanden eller smelte sammen med en anden kerne under de rette betingelser.

Generelt , kerner, der er lettere end jernkerner, har en tendens til at opnå lavere energitilstander og højere bindingsenergi pr. Processerne, hvormed disse ændringer sker, er beskrevet i det næste afsnit.
Fission, Fusion and Radioactive Decay

Hovedfokus for nukleær fysik er at studere fission, fusion og forfald af atomkerner. Disse processer er alle drevet af en grundlæggende opfattelse af, at alle partikler foretrækker lavere energitilstand.

Spaltning sker, når en tung kerne bryder sammen i mindre kerner. Meget tunge kerner er mere tilbøjelige til at gøre dette, fordi de har en mindre bindende energi pr. Nukleon. Som du måske husker, er der et par kræfter, der styrer, hvad der foregår i en atomkerne. Den stærke atomkraft binder nukleonerne tæt sammen, men det er en meget kort afstandskraft. Så for meget store kerner er det mindre effektivt.

De positivt ladede protoner i kernen frastøder hinanden også via den elektromagnetiske kraft. Denne frastødelse skal overvindes af den stærke atomkraft og kan også formidles ved at have nok neutroner omkring. Men jo større kerne er, desto mindre gunstig er kraftbalancen for stabilitet.

Derfor har større kerner en tendens til at bryde fra hinanden enten via radioaktive nedbrydningsprocesser eller via fissionreaktioner som dem, der forekommer i atomreaktorer eller fission bomber.

Fusion opstår, når to lettere kerner opnår en mere gunstig energitilstand ved at kombinere i en tungere kerne. For at fission skal finde sted, skal de pågældende kerner imidlertid komme tæt nok på hinanden, så den stærke atomkraft kan overtage. Det betyder, at de skal bevæge sig hurtigt nok, så de kan overvinde elektrisk frastødelse.

Kerner bevæger sig hurtigt rundt i ekstreme temperaturer, så denne tilstand er ofte påkrævet. Dette er, hvordan nuklear fusion er i stand til at finde sted i den ekstremt varme kerne i solen. Indtil i dag forsøger forskere stadig at finde en måde at få kold fusion til at forekomme - dvs. fusion ved lavere temperaturer. Da energi frigives i fusionsprocessen og ikke efterlader radioaktivt affald som fissionsreaktorer har en tendens til at gøre, ville det være en utrolig energiressource, hvis det opnås.

Radioaktivt henfald er et almindeligt middel, hvormed kerner gennemgår ændringer for at blive mere stabil. Der er tre hovedtyper af henfald: alpha-henfald, beta-henfald og gamma-henfald.

Ved alfa-henfald frigiver en radioaktiv kerne en alfa-partikel (en helium-4-kerne) og bliver mere stabil som et resultat. Beta-henfald kommer i nogle få varianter, men kommer i det væsentlige fra, at enten en neutron bliver en proton eller en proton, der bliver et neutron og frigiver en β ^{-
eller β +
partikel (en elektron eller en positron). Gamma-henfald opstår, når en kerne i en ophidset tilstand frigiver energi i form af gammastråler, men opretholder det samlede antal neutroner og protoner.
Standardmodellen for partikelfysik}

Undersøgelsen af nukleær fysik strækker sig ind i det større felt af partikelfysik, der sigter mod at forstå virkningen af alle grundlæggende partikler. Standardmodellen klassificerer partikler i fermioner og bosoner, og klassificerer derefter fermioner yderligere i kvarker og leptoner, og bosoner i gauge- og skalarbosoner.

Bosoner overholder ikke antal bevaringslove, men fermioner gør det. Der er også en konserveringslov for både lepton- og kvarkantal ud over andre konserverede mængder. Interaktioner mellem de grundlæggende partikler formidles af de energibærende bosoner.
Applications of Nuclear Physics and Atomic Physics

Anvendelse af nuklear og atomfysik er mange. Atomreaktorer i atomkraftværker skaber ren energi ved at udnytte energien frigivet under fissionprocesser. Nuklear medicin bruger radioaktive isotoper til billeddannelse. Astrofysikere bruger spektroskopi til at bestemme sammensætningen af fjerne nebler. Magnetisk resonansbillede gør det muligt for læger at oprette detaljerede billeder af deres patients inderside. Selv røntgenteknologi bruger kernefysik.