Verschillende bewolkte dagen in Parijs in 1896 hebben het experiment van Henri Becquerel “verpest”, maar tegelijkertijd was het veld van nucleaire fysica geboren. Becquerel wilde zijn hypothese bewijzen dat uranium zonlicht absorbeerde en opnieuw uitstraalde in de vorm van röntgenstralen, die vorig jaar waren ontdekt.
Nuclear Physics Basics: History and Discovery

Becquerels plan was om het kaliumuranylsulfaat in het zonlicht te brengen en vervolgens in contact te brengen met fotografische platen gewikkeld in zwart papier, want hoewel zichtbaar licht er niet door zou komen, zouden röntgenstralen dat wel doen. Ondanks het gebrek aan zonlicht besloot hij het proces toch door te nemen en was geschokt toen hij ontdekte dat de beelden nog steeds op de fotografische plaat waren vastgelegd.

Uit verder onderzoek bleek dat het helemaal geen röntgenfoto was veronderstellingen. Het pad van licht wordt niet gebogen door een magnetisch veld, maar de straling van het uranium werd afgebogen door een, en dit - samen met het eerste resultaat - was hoe straling werd ontdekt. Marie Curie bedacht de term radioactiviteit en ontdekte samen met haar echtgenoot Pierre polonium en radium, waarbij ze de precieze bronnen van de radioactiviteit vastzette.

Later bedacht Ernest Rutherford de termen alfadeeltjes, bètadeeltjes en gamma deeltjes voor het uitgestraalde materiaal, en het veld van nucleaire fysica ging echt van start.

Natuurlijk weten mensen nu veel meer over nucleaire fysica dan aan het begin van de 20e eeuw, en het is een cruciaal onderwerp om te begrijpen en te leren voor elke natuurkundestudent. Of je nu de aard van kernenergie, de sterke en zwakke nucleaire krachten wilt begrijpen of wilt bijdragen aan velden als nucleaire geneeskunde, het leren van de basis is essentieel.
Wat is nucleaire fysica?

Nucleaire fysica is in wezen de fysica van de kern, het deel van het atoom dat de twee meest bekende "hadronen", protonen en neutronen bevat.

Het kijkt in het bijzonder naar de krachten die in de kern werken (de sterke interactie die protonen bindt en neutronen samen in de kern, evenals hun component quarks bij elkaar te houden, en de zwakke interactie met betrekking tot radioactief verval), en de interactie van kernen met andere deeltjes.

Nucleaire fysica omvat onderwerpen zoals kernfusie (die heeft betrekking op de bindende energie van verschillende elementen), kernsplijting (dit is het splitsen van zware elementen om energie te produceren), evenals radioactief verval en de basisstructuur en krachten die in de kern spelen.

Er zijn veel praktisch toepassingen van het veld, inclusief (maar niet beperkt tot) werken in kernenergie, nucleaire geneeskunde en hoge-energiefysica.
Structuur van het Atoom

Een atoom bestaat uit een kern, die de positieve bevat -geladen protonen en ongeladen neutronen, bij elkaar gehouden door de sterke nucleaire kracht. Deze worden omgeven door negatief geladen elektronen, die een zogenaamde "wolk" rond de kern vormen, en het aantal elektronen komt overeen met het aantal protonen in een neutraal atoom.

Er zijn talloze modellen van het atoom voorgesteld door de geschiedenis van de natuurkunde, inclusief Thomson's "plum pudding" -model, Rutherford en Bohr's "planetaire" model en het moderne, kwantummechanische model hierboven beschreven.

De kern is klein, ongeveer 10 ^{- 15 m, met het grootste deel van de massa van het atoom, terwijl het hele atoom in de orde van 10 −10 m is. Laat je niet misleiden door de notatie - dit betekent dat de kern ongeveer 100.000 keer kleiner is dan het atoom in het algemeen, maar het bevat de overgrote meerderheid van de materie. Het atoom is dus overwegend lege ruimte!}

De massa van het atoom is echter niet precies hetzelfde als de massa van de samenstellende delen: als je de massa's van de protonen en neutronen optelt, overschrijdt het al de massa van het atoom, voordat je zelfs de veel kleinere massa van het elektron verklaart.

Dit wordt het "massadefect" van het atoom genoemd, en als je dit verschil omzet in energie met behulp van Einsteins beroemde vergelijking E
\u003d mc
^{2, u krijgt de "bindende energie" van de kern.}

Dit is de energie die u in het systeem zou moeten stoppen om de kern in zijn samenstellende protonen en neutronen. Deze energieën zijn veel, veel groter dan de energie die het nodig heeft om een elektron uit zijn "baan" rond de kern te verwijderen.
Nucleaire materie en nucleaire structuur

De twee soorten nucleon (dwz deeltje van de kern ) zijn het proton en het neutron, en deze zijn nauw met elkaar verbonden in de kern van het atoom.

Hoewel dit over het algemeen de nucleonen zijn waarover je zult horen, zijn het in feite geen fundamentele deeltjes in het standaardmodel van deeltjesfysica. Het proton en het neutron zijn beide samengesteld uit fundamentele deeltjes, quarks genaamd, die in zes "smaken" voorkomen en elk een fractie van de lading van een proton of een elektron dragen.

Een up-quark heeft een 2/3 e
lading, waarbij e
de lading van een elektron is, terwijl een down-quark een −1/3 e
lading heeft. Dit betekent dat twee up-quarks en een down-quark samen een deeltje produceren met een positieve lading van grootte e
, wat een proton is. Aan de andere kant produceren een up-quark en twee down-quarks een deeltje zonder algehele lading, het neutron.
Het standaardmodel voor deeltjesfysica

Het standaardmodel catalogiseert alle momenteel bekende fundamentele deeltjes, en groepeert ze in twee hoofdgroepen: fermionen en bosonen. Fermionen zijn onderverdeeld in quarks (die op hun beurt hadronen zoals protonen en neutronen produceren) en leptonen (waaronder elektronen en neutrino's), en bosonen zijn onderverdeeld in peil- en scalaire bosonen.

Het Higgs-boson is het enige scalaire boson tot nu toe bekend, bij de andere bosonen - het foton, gluon, Z
-bosonen en W
bosonen - zijnde ijkbosonen.

Fermionen, in tegenstelling tot bosonen, gehoorzamen “ nummerbehoudswetten. ”Er is bijvoorbeeld een wet van behoud van leptonnummer, die dingen verklaart zoals de deeltjes die worden geproduceerd als onderdeel van nucleaire vervalprocessen (omdat de creatie van een elektron met lepton nummer 1 bijvoorbeeld moet zijn in balans met de creatie van een ander deeltje met lepton nummer -1, zoals een elektron anti-neutrino).

Quark nummer is ook behouden, en er zijn ook andere geconserveerde hoeveelheden.

Bosons zijn krachtdragende deeltjes, en dus worden interacties van de fundamentele deeltjes gemedieerd door de bosonen. De interactie van quarks wordt bijvoorbeeld gemedieerd door gluonen en elektromagnetische interacties worden gemedieerd door fotonen.
Sterke nucleaire kracht en zwakke nucleaire kracht

Hoewel de elektromagnetische kracht van toepassing is in de kern, zijn de belangrijkste krachten die u moeten rekening houden met de sterke en zwakke nucleaire krachten. De sterke nucleaire kracht wordt gedragen door gluonen, en de zwakke nucleaire kracht wordt gedragen door W
^{± en de Z
0 bosonen.}

As de naam suggereert, de sterke nucleaire kracht is de sterkste van alle fundamentele krachten, gevolgd door elektromagnetisme (10 ^{2 keer zwakker), de zwakke kracht (10 6 keer zwakker) en zwaartekracht (10 40 keer zwakkere). Het enorme verschil tussen zwaartekracht en de rest van de krachten is waarom natuurkundigen het in essentie verwaarlozen bij het bespreken van materie op atomair niveau.}

De sterke kracht moet sterk zijn om de elektromagnetische afstoting tussen te overwinnen de positief geladen protonen in de kern - als het zwakker was geweest dan de elektromagnetische kracht, hadden geen atomen met meer dan één proton in de kern zich kunnen vormen. De sterke kracht heeft echter een zeer kort bereik.

Dit is belangrijk omdat het laat zien waarom de kracht niet merkbaar is, zelfs op de schaal van hele atomen of moleculen, maar het betekent ook dat elektromagnetische afstoting relevanter wordt voor zware kernen (dwz grotere atomen). Dit is een van de redenen waarom onstabiele kernen vaak die van de zware elementen zijn.

De zwakke kracht heeft ook een zeer kort bereik en zorgt er in wezen voor dat quarks van smaak veranderen. Dit kan ervoor zorgen dat een proton een neutron wordt en vice versa, en dus kan het worden gezien als de oorzaak van nucleaire vervalprocessen zoals beta plus en min verval.
Radioactief verval

Er zijn drie soorten van radioactief verval: alfa-verval, bèta-verval en gamma-verval. Alfa-verval is wanneer een atoom vervalt door een "alfadeeltje" vrij te geven, wat een andere term is voor een heliumkern.

Er zijn drie subtypen van bèta-verval, maar allemaal met een proton dat verandert in een neutron of vice versa. Een beta minus verval is wanneer een neutron een proton wordt en een elektron en een elektron anti-neutrino in het proces vrijgeeft, terwijl in beta plus verval een proton een neutron wordt en een positron (dwz een anti-elektron) en een elektron vrijgeeft neutrino.

Bij elektronenvangst wordt een elektron uit de buitenste delen van het atoom geabsorbeerd in de kern en wordt een proton omgezet in een neutron, en een neutrino komt vrij uit het proces.

Gamma-verval is een verval waarbij energie vrijkomt maar niets in het atoom verandert. Dit is analoog aan de manier waarop een foton wordt vrijgegeven wanneer een elektron een overgang maakt van een hoge energie naar een lage energie toestand. Een opgewonden kern maakt een overgang naar een energiearme toestand en straalt een gammastraal uit.
Nucleaire splijting en nucleaire fusie

Nucleaire fusie is wanneer twee kernen samensmelten en een zwaardere kern vormen. Dit is de manier waarop energie wordt opgewekt in de zon, en het proces op aarde laten plaatsvinden voor energieopwekking is een van de grootste doelen voor experimentele fysica.

Het probleem is dat het extreem hoge temperaturen en druk vereist, en daarom zeer hoge energieniveaus. Als wetenschappers het echter bereiken, kan fusie een vitale krachtbron worden naarmate de samenleving blijft groeien en we steeds meer energie verbruiken.

Kernsplijting is de splitsing van een zwaar element in twee lichtere kernen, en dit is wat de huidige generatie kernreactoren aandrijft.

Splijting is ook het werkingsprincipe van kernwapens, wat een van de belangrijkste redenen is dat het een controversieel gebied is. In de praktijk werkt splijting door een reeks kettingreacties. Een neutron dat de eerste splitsing in een zwaar element zoals uranium veroorzaakt, genereert een verder vrij neutron na de reactie, dat vervolgens een andere splitsing kan veroorzaken, enzovoort.

In wezen winnen beide processen energie via de E
\u003d mc
^{2 relatie, omdat fuseren of splitsen van atomen een afgifte van energie uit de "ontbrekende massa" met zich meebrengt. Toepassingen van nucleaire fysica}

Er is een enorm scala aan toepassingen van nucleaire fysica. Met name zijn kernreactoren en kerncentrales in veel landen over de hele wereld operationeel en werken veel natuurkundigen aan nieuwe en veiligere ontwerpen.

Sommige kernreactorontwerpen willen bijvoorbeeld ervoor zorgen dat het bronmateriaal niet worden gebruikt om nucleaire wapens te maken, waarvoor een veel meer verrijkte uraniumbron (dwz een "zuiverder" uranium) nodig is.

Nucleaire geneeskunde is een ander belangrijk gebied voor nucleaire fysica. Bij nucleaire geneeskunde worden zeer kleine hoeveelheden radioactief materiaal aan de patiënt toegediend en vervolgens worden detectoren gebruikt om beelden vast te leggen van de afgegeven straling. Dit helpt artsen bij het diagnosticeren van nier-, schildklier-, hart- en andere aandoeningen.

Natuurlijk zijn er veel andere gebieden waar kernfysica in wezen is, waaronder hoogenergetische fysica en deeltjesversnellers zoals CERN en astrofysica, waar veel van de dominante processen in sterren hangen sterk af van de kernfysica