Atom- och kärnfysik beskriver båda fysikerna för de mycket små. När du arbetar med så små föremål misslyckas ofta din intuition baserad på din förståelse för klassisk mekanik. Det här är kvantmekanikens rike, kärnkraftskrafterna på kort räckvidd, elektromagnetisk strålning och standardmodellen för partikelfysik.
Vad är atomfysik?

Atomfysik är den gren av fysik som behandlar strukturen för atomen, tillhörande energitillstånd och atomens interaktion med partiklar och fält. Däremot fokuserar kärnfysik specifikt på utvecklingen inuti atomkärnan, som beskrivs mer detaljerat i nästa avsnitt.

Det finns flera studierämnen inom partikelfysik. Först och främst är strukturen för själva atomen. Atomer består av en tätt bunden kärna, som innehåller protoner och neutroner, och ett diffus elektronmoln.

Med tanke på att kärnan vanligtvis är i storleksordningen 10 <-15 till 10 <-up> -14 m i diameter och själva atomerna är i storleksordningen 10 <-10 m i diameter (och storleken på elektronerna är försumbar), det visar sig att atomerna mestadels är tomma utrymme. Naturligtvis verkar de inte som de är, och allt som är gjort av atomer känns verkligen som ämne.

Anledningen till atomerna verkar inte som att de mestadels är tomt utrymme är att du också är gjord av atomer, och alla atomer interagerar med elektromagnetisk energi. Även om din hand, som består av mestadels tomma utrymmesatomer, pressar mot ett bord, också består av mestadels tomt utrymme, passerar den inte genom bordet på grund av de elektromagnetiska krafterna mellan atomerna när de kommer i kontakt.

Neutrinoen, en partikel som inte interagerar med den elektromagnetiska kraften, kan emellertid passera det flesta atomära material som är praktiskt taget oupptäckta. I själva verket passerar 100 biljoner neutrinoer genom din kropp varje sekund!
Atom Classification |

Atomer klassificeras efter atomnummer i den periodiska tabellen. Atomnumret är antalet protoner som atomen innehåller i sin kärna. Detta nummer definierar elementet.

Även om ett givet element alltid kommer att ha samma antal protoner kan det innehålla olika antal neutroner. Olika isotoper av ett element innehåller olika antal neutroner. Vissa isotoper är mer stabila än andra (vilket betyder mindre benägna att spontant förfalla till något annat), och denna stabilitet beror vanligtvis på antalet neutroner, varför majoriteten av atomerna för de flesta element tenderar att vara av en specifik isotop .

Antalet elektroner som en atom innehåller avgör om den är joniserad eller laddad. En neutral atom innehåller samma antal elektroner som protoner, men ibland kan atomer få eller förlora elektroner och bli laddade. Hur lätt en atom får eller förlorar elektroner beror på dess elektronbanorstruktur.

Väteatomen är den enklaste atomen, som endast innehåller en proton i sin kärna. De tre mest stabila isotoperna av väte är protium (som inte innehåller några neutroner), deuterium (som innehåller en neutron) och tritium (som innehåller två neutroner) med protium som är den vanligaste.

Olika modeller av atomen har föreslagits över åren, vilket leder till den nuvarande modellen. Tidigt arbete gjordes av Ernest Rutherford, Niels Bohr och andra.
Absorption and Emission Spectra

Atoms interagerar som sagt med den elektromagnetiska kraften. Protonerna i en atom har positiv laddning och elektronerna har negativ laddning. Elektronerna i atomen kan absorbera elektromagnetisk strålning och uppnå ett högre energitillstånd som resultat, eller avge strålning och flytta till ett lägre energitillstånd.

En viktig egenskap hos denna absorberande och avgivande strålning är att atomerna absorberar och emitterar strålning endast vid mycket specifika kvantiserade värden. Och för varje olika typ av atom är de specifika värdena olika.

En het gas av atommaterial avger strålning vid mycket specifika våglängder. Om ljus som kommer från denna gas passeras genom ett spektroskop, som sprider ljuset ut i ett spektrum med våglängd (som en regnbåge), kommer distinkta emissionslinjer att visas. Uppsättningen av utsläppslinjer som kommer från gasen kan läsas nästan som en streckkod som säger exakt vilka atomer som finns i gasen.

Likaså om ett kontinuerligt ljusspektrum inträffar på en sval gas och ljuset som passerar genom den gasen sedan passeras genom ett spektroskop, skulle du se ett kontinuerligt spektrum med mörka luckor vid de specifika våglängderna som gasen absorberade. Detta absorptionsspektrum kommer att se ut som det inversa från emissionsspektrumet, de mörka linjerna visas där de ljusa linjerna var för samma gas. Som sådan kan den också läsas som en streckkod som berättar gasens sammansättning. Astronomer använder detta hela tiden för att bestämma sammansättningen av material i rymden.
Vad är kärnfysik?

Kärnfysik fokuserar på atomkärnan, kärnreaktioner och interaktion mellan kärnan och andra partiklar. Den undersöker bland annat radioaktivt förfall, kärnfusion och kärnklyvning och bindande energi.

Kärnan innehåller en tätt bunden klump av protoner och neutroner. Dessa är emellertid inte grundläggande partiklar. Protoner och neutroner är gjorda av ännu mindre partiklar som kallas kvarkar.

Kvarkar är partiklar med fraktionerad laddning och något dumma namn. De finns i sex så kallade smaker: upp, ner, topp, botten, konstigt och charm. En neutron består av två ner kvarkar och en upp kvark, och en proton består av två upp kvarkar och en ner kvark. Kvarkerna i varje nukleon är tätt bundna av den starka kärnkraften.

Den starka kärnkraften förmedlas av partiklar som kallas gluoner. Känner du ett tema? Forskarna hade mycket roligt att namnge dessa partiklar! Lim, naturligtvis, "lim" kvarkarna tillsammans. Den starka kärnkraften verkar bara på mycket kort räckvidd - på ett avstånd som är jämförbart med diametern för den genomsnittliga storleken. Kärnkraften.

Varje isolerad neutron har en massa av 1,6749275 × 10 ^{-27 kg, och varje isolerad proton har en massa av 1,6726219 × 10 <-up> -27 kg; emellertid, när den är bunden tillsammans i en atomkärna, är atommassan inte summan av dess beståndsdelar på grund av något som kallas bindande energi.}

Genom att bli tätt bundet uppnår nukleonerna ett lägre energitillstånd som ett resultat av en del av den totala massan som de hade som enskilda partiklar omvandlas till energi. Denna massdifferens som omvandlas till energi kallas kärnans bindande energi. Förhållandet som beskriver hur mycket energi som motsvarar en given mängd massa är Einsteins berömda E \u003d mc ^{2
ekvation där m
är massan, c
är ljusets hastighet och E
är energin.}

Ett relaterat begrepp är den bindande energin per nukleon, som är den totala bindande energin i en kärna som är medelvärden över dess beståndsdelar. Den bindande energin per nukleon är en bra indikator på hur stabil en kärna är. En låg bindande energi per nukleon indikerar att ett gynnsammare tillstånd av lägre total energi kan existera för den specifika kärnan, vilket innebär att den antagligen vill dela isär eller smälta samman med en annan kärna under de rätta förhållandena.

I allmänhet , kärnor som är lättare än järnkärnor tenderar att uppnå lägre energitillstånd och högre bindande energi per nukleon genom att smälta samman med andra kärnor, medan kärnor som är tyngre än järn tenderar att uppnå lägre energitillstånd genom att bryta isär i ljusare kärnor. Processerna genom vilka dessa förändringar sker beskrivs i nästa avsnitt.
Fission, Fusion and Radioactive Decay

Huvudfokus för kärnfysik är att studera fission, fusion och förfall av atomkärnor. Dessa processer drivs alla av en grundläggande uppfattning att alla partiklar föredrar lägre energitillstånd.

Spaltning uppstår när en tung kärna bryts ihop i mindre kärnor. Mycket tunga kärnor är mer benägna att göra detta eftersom de har en mindre bindande energi per nukleon. Som ni kanske minns, det finns några krafter som styr vad som händer i en atomkärna. Den starka kärnkraften binder tätt samman nukleonerna, men det är en mycket kort räckvidd. Så för mycket stora kärnor är det mindre effektivt.

De positivt laddade protonerna i kärnan avvisar varandra också via den elektromagnetiska kraften. Denna repulsion måste övervinnas av den starka kärnkraften och kan också förmedlas genom att ha tillräckligt med neutroner runt omkring. Men ju större kärnan är, desto mindre gynnsam är kraftbalansen för stabilitet.

Därför tenderar större kärnor att bryta isär antingen via radioaktiva sönderfallsprocesser eller via klyvningsreaktioner som de som förekommer i kärnreaktorer eller fission bomber.

Fusion inträffar när två lättare kärnor uppnår ett gynnsammare energitillstånd genom att kombinera till en tyngre kärna. Men för att klyvningen ska inträffa måste kärnorna i fråga komma tillräckligt nära varandra så att den starka kärnkraften kan ta över. Detta innebär att de måste röra sig tillräckligt snabbt så att de kan övervinna elektrisk avstötning.

Kärnor rör sig snabbt i extrema temperaturer, så detta tillstånd krävs ofta. Detta är hur kärnfusion kan ske i solens extremt heta kärna. Fram till idag försöker forskare fortfarande att hitta ett sätt att få kallfusion att uppstå - det vill säga fusion vid lägre temperaturer. Eftersom energi frigörs i fusionsprocessen och inte lämnar radioaktivt avfall som klyvningsreaktorer tenderar att göra, skulle det vara en otrolig energiresurs om den uppnås.

Radioaktivt förfall är ett vanligt sätt genom vilket kärnor genomgår förändringar för att bli stabilare. Det finns tre huvudtyper av sönderfall: alfa-sönderfall, beta-sönderfall och gamma-sönderfall.

Vid alfa-sönderfall frigör en radioaktiv kärna en alfapartikel (en helium-4-kärna) och blir mer stabil som ett resultat. Beta-sönderfall kommer i några få varianter, men i huvudsak resultat av att antingen en neutron blir en proton eller en proton blir en neutron och släpper en β ^{-
eller β +
partikel (en elektron eller en positron). Gamma-sönderfall uppstår när en kärna i ett upphetsat tillstånd frigör energi i form av gammastrålar, men behåller sitt totala antal neutroner och protoner.
Standardmodellen för partikelfysik}

Studien av kärnfysik sträcker sig in i det större fältet av partikelfysik, som syftar till att förstå funktionerna hos alla grundläggande partiklar. Standardmodellen klassificerar partiklar i fermioner och bosoner, och klassificerar sedan ytterligare fermioner till kvarkar och leptoner, och bosoner till mätare och skalare bosoner.

Bosoner följer inte antalet bevarandelagar, men fermioner gör det. Det finns också en lag om bevarande för både lepton- och kvarkantal förutom andra konserverade kvantiteter. Interaktioner mellan de grundläggande partiklarna medieras av de energibärande bosonerna.
Applications of Nuclear Physics and Atomic Physics

Tillämpningar av kärnkrafts- och atomfysik är många. Kärnreaktorer i kärnkraftverk skapar ren energi genom att utnyttja den energi som frigörs under klyvningsprocesser. Kärnmedicin använder radioaktiva isotoper för avbildning. Astrofysiker använder spektroskopi för att bestämma sammansättningen av avlägsna nebulosor. Med magnetisk resonansavbildning kan läkare skapa detaljerade bilder av sina patienters insider. Till och med röntgenteknologi använder kärnfysik.