• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Kärnfysik: Vad är det, vem upptäckte det och varför är det viktigt?

    Flera molniga dagar i Paris 1896 "förstörde" Henri Becquerels experiment, men under processen föddes kärnfysikområdet. Becquerel var ute för att bevisa sin hypotes om att uran absorberade solljus och omstrålade det i form av röntgenstrålar, som hade upptäckts året innan.
    Kärnfysik Basics: History and Discovery -

    Becquerels plan var att föra kaliumuranylsulfat i solljuset och sedan bringa det i kontakt med fotografiska plattor inslagna i svartpapper, för medan synligt ljus inte skulle komma igenom skulle röntgenstrålar göra det. Trots bristen på solljus bestämde han sig för att gå igenom processen ändå och blev chockad när han upptäckte bilder som fortfarande är inspelade på den fotografiska plattan.

    Ytterligare tester visade att det inte alls var röntgenstrålar, trots hans antaganden. Ljusvägen böjs inte av ett magnetfält, men strålningen från uranet avböjdes av en, och detta - tillsammans med det första resultatet - var hur strålning upptäcktes. Marie Curie myntade termen radioaktivitet, och tillsammans med sin make, Pierre, upptäckte polonium och radium, fastade de exakta källorna till radioaktivitet.

    Senare kom Ernest Rutherford fram med termerna alfa-partiklar, beta-partiklar och gamma partiklar för det strålade materialet, och området för kärnfysik började verkligen.

    Naturligtvis vet folk mycket mer om kärnfysik nu än de gjorde vid 1900-talets början, och det är ett avgörande ämne att förstå och lära sig om för alla fysikstudenter. Oavsett om du vill förstå arten av kärnenergi, de starka och svaga kärnkrafterna eller bidra till fält som kärnmedicin är det viktigt att lära sig grunderna.
    Vad är kärnfysik?

    Kärnfysik är i huvudsak fysik i kärnan, den del av atomen som innehåller de två mest kända "hadroner", protoner och neutroner.

    Den tittar särskilt på krafterna som verkar i kärnan (den starka växelverkan som binder protoner och neutroner tillsammans i kärnan, såväl som att hålla sina komponentkvarkar ihop, och den svaga interaktionen som hänför sig till radioaktivt förfall), och interaktion mellan kärnor med andra partiklar.

    Kärnfysik täcker ämnen som kärnfusion (som avser bindande energi från olika element), kärnklyvning (som är delning av tunga element för att producera energi) såväl som radioaktivt förfall och grundstrukturen och krafterna som spelas i kärnan.

    Det finns många praktiska tillämpningar av fältet, inklusive (men inte begränsat till) arbetar inom kärnenergi, kärnmedicin och högenergifysik.
    Atomens struktur

    En atom består av en kärna, som innehåller det positiva -laddade protoner och oladdade neutroner, hålls samman av den starka kärnkraften. Dessa är omgiven av negativt laddade elektroner, som bildar det som kallas ett "moln" runt kärnan, och antalet elektroner matchar antalet protoner i en neutral atom.

    Det har funnits många modeller av atomen föreslagits genom fysikens historia, inklusive Thomsons "plommapudding" -modell, Rutherfords och Bohrs "planetariska" modell och den moderna, kvantmekaniska modellen som beskrivs ovan.

    Kärnan är liten, ungefär 10 - 15 m, innehållande huvuddelen av atomens massa, medan hela atomen är i storleksordningen 10 <10>. Låt inte notationen lura dig - det här betyder att kärnan är ungefär 100 000 gånger mindre än atomen totalt sett, men den innehåller den stora majoriteten av saken. Så atomen är övervägande tomt utrymme!

    Atomens massa är dock inte exakt densamma som massan på de beståndsdelar: Om du lägger till massorna av protonerna och neutronerna överstiger den redan massan av atomen, innan du ens redogör för elektronens mycket mindre massa.

    Detta kallas atomens "massdefekt", och om du omvandlar denna skillnad till energi med hjälp av Einsteins berömda ekvation E
    \u003d mc
    2, du får "bindande energi" i kärnan.

    Detta är den energi du skulle behöva lägga in i systemet för att dela upp kärnan i dess beståndsdelar och neutroner. Dessa energier är mycket, mycket större än den energi den kräver för att ta bort en elektron från sin "bana" runt kärnan.
    Kärnämne och kärnstruktur

    De två typerna av nukleon (dvs. kärnans partikel ) är protonen och neutronen, och dessa är tätt bundna i atomens kärna.

    Även om dessa vanligtvis är de nukleoner du kommer att höra om är de inte faktiskt grundläggande partiklar i standardmodellen av partikelfysik. Protonen och neutronen är båda sammansatta av grundläggande partiklar som kallas kvarkar, som kommer i sex "smaker" och var och en bär en bråkdel av laddningen för en proton eller en elektron.

    En uppkvark har en 2/3 e-laddning, där e
    är laddningen för en elektron, medan en ned-kvark har en −1/3 e-laddning. Detta innebär att två kvarkar upp och en ner kvark i kombination skulle producera en partikel med en positiv laddningsstorlek e
    , som är en proton. Å andra sidan producerar en upp kvark och två ner kvark en partikel utan total laddning, neutronen.
    Standardmodellen för partikelfysik

    Standardmodellen katalogiserar alla grundläggande partiklar som för närvarande är kända, och grupperar dem i två huvudgrupper: fermioner och bosoner. Fermioner är uppdelade i kvarkar (som i sin tur producerar hasroner som protoner och neutroner) och leptoner (som inkluderar elektroner och neutrinoer), och bosoner är uppdelade i mätare och skalare bosoner.

    Higgs Boson är den enda skalära bosonen hittills känd, med de andra bosonerna - fotonen, gluon, Z
    -bosonerna och W-bosonerna - att vara gauge-bosoner.

    Fermioner, till skillnad från bosoner, följer " nummerbevarande lagar. ”Det finns till exempel en lag för bevarande av leptonnummer, som förklarar saker som partiklarna som produceras som en del av processerna för nukleär förfall (eftersom skapandet av en elektron med till exempel lepton nummer 1 måste vara balanserad med skapandet av en annan partikel med leptonnummer −1, såsom en elektron anti-neutrino).

    Kvarknummer är också bevarat, och det finns också andra konserverade mängder.

    Bosons är kraftbärande partiklar, och så interaktion mellan de grundläggande partiklarna medieras av bosonerna. Exempelvis medieras interaktionen mellan kvarkar av gluoner, och elektromagnetiska interaktioner medieras av fotoner.
    Stark kärnkraft och svag kärnkraft.

    Även om den elektromagnetiska kraften gäller i kärnan, är de viktigaste krafterna du behovet att överväga är de starka och svaga kärnkrafterna. Den starka kärnkraften bärs av gluoner, och den svaga kärnkraften bärs av W
    ± och Z
    0 bosoner.

    Som namnet antyder, den starka kärnkraften är den starkaste av alla grundläggande krafter, följt av elektromagnetism (10 2 gånger svagare), den svaga kraften (10 6 gånger svagare) och tyngdkraften (10 40 gånger svagare), svagare). Den enorma skillnaden mellan tyngdkraften och krafterna i övriga orsaker är varför fysiker i huvudsak försummar det när man diskuterar materia på atomnivå.

    Den starka kraften måste vara stark för att övervinna den elektromagnetiska avstötningen mellan de positivt laddade protonerna i kärnan - om det hade varit svagare än den elektromagnetiska kraften skulle inga atomer med mer än en proton i kärnan ha kunnat bildas. Den starka kraften har emellertid ett mycket kort intervall.

    Detta är viktigt eftersom det visar varför kraften inte märks även i skalan av hela atomer eller molekyler, men det betyder också att elektromagnetisk avstötning blir mer relevant för tunga kärnor (dvs. större atomer). Detta är en av orsakerna till att instabila kärnor ofta är de från de tunga elementen.

    Den svaga kraften har också en mycket kort räckvidd, och det orsakar i huvudsak kvarkar att ändra smak. Detta kan leda till att en proton blir en neutron och vice versa, och så kan den tänkas vara orsaken till kärnkraftsförfallprocesser som beta plus och minus förfall.
    Radioactive Decay

    Det finns tre typer av radioaktivt sönderfall: alfa-sönderfall, beta-sönderfall och gamma-sönderfall. Alfa-sönderfall är när en atom sönderfaller genom att släppa en "alfapartikel", vilket är en annan term för en heliumkärna.

    Det finns tre undertyper av beta-sönderfall, men alla involverar en proton som förvandlas till en neutron eller vice versa. En beta minus förfall är när en neutron blir en proton och frigör en elektron och en elektron anti-neutrino i processen, medan i beta plus sönderfall blir en proton en neutron och frigör en positron (dvs. en anti-elektron) och en elektron neutrino.

    Vid elektronupptagning absorberas en elektron från de yttre delarna av atomen i kärnan och en proton omvandlas till en neutron och en neutrino frigörs från processen.

    Gamma-förfall är ett förfall där energi frigörs men ingenting i atomen förändras. Detta är analogt med hur en foton frigörs när en elektron gör en övergång från en högenergi till ett lågenergitillstånd. En upphetsad kärna gör en övergång till ett lågenergitillstånd och avger en gammastråle som den gör.
    Kärnklyvning och kärnfusion

    © Vetenskap http://sv.scienceaq.com