Atoom- en nucleaire fysica beschrijven beide de fysica van de zeer kleine. Wanneer je met zulke kleine objecten werkt, faalt je intuïtie die is opgebouwd uit je begrip van klassieke mechanica vaak. Dit is het rijk van de kwantummechanica, nucleaire krachten op korte afstand, elektromagnetische straling en het standaardmodel van de deeltjesfysica.
Wat is atoomfysica?

atoomfysica is de tak van de fysica die zich bezighoudt met de structuur van het atoom, bijbehorende energietoestanden en de interactie van het atoom met deeltjes en velden. De kernfysica daarentegen concentreert zich specifiek op het reilen en zeilen binnen de atoomkern, dat in meer detail in de volgende paragraaf wordt beschreven.

Er zijn verschillende studieonderdelen in de deeltjesfysica. Eerst en vooral is de structuur van het atoom zelf. Atomen bestaan uit een strak gebonden kern, die protonen en neutronen bevat, en een diffuse elektronenwolk.

Aangezien de kern meestal in de orde van 10 ^{-15 tot 10 -14 m ligt in diameter, en atomen zelf zijn in de orde van 10 -10 m in diameter (en de grootte van de elektronen is te verwaarlozen), blijkt dat atomen meestal lege ruimte zijn. Natuurlijk lijken ze niet zoals ze zijn en alle materie gemaakt van atomen voelt zeker als substantie.}

De reden dat atomen niet lijken alsof ze meestal lege ruimte zijn, is dat je ook gemaakt bent van atomen, en alle atomen werken samen met elektromagnetische energie. Hoewel je hand, die bestaat uit voornamelijk lege ruimte-atomen, tegen een tafel drukt, ook bestaande uit voornamelijk lege ruimte, gaat deze niet door de tafel vanwege de elektromagnetische krachten tussen de atomen wanneer ze in contact komen.

De neutrino, een deeltje dat niet in wisselwerking staat met de elektromagnetische kracht, kan echter vrijwel ongemerkt het meeste atomaire materiaal passeren. Elke seconde passeren 100 biljoen neutrino's je lichaam!
Atoomclassificatie

Atomen worden in het periodiek systeem op atoomnummer geclassificeerd. Het atoomnummer is het aantal protonen dat het atoom in zijn kern bevat. Dit nummer definieert het element.

Hoewel een bepaald element altijd hetzelfde aantal protonen zal hebben, kan het verschillende aantallen neutronen bevatten. Verschillende isotopen van een element bevatten verschillende aantallen neutronen. Sommige isotopen zijn stabieler dan andere (wat betekent dat het minder waarschijnlijk is dat ze spontaan in iets anders vervallen), en deze stabiliteit hangt meestal af van het aantal neutronen, wat de reden is dat voor de meeste elementen de meerderheid van de atomen de neiging hebben om van één specifieke isotoop te zijn .

Het aantal elektronen dat een atoom bevat, bepaalt of het is geïoniseerd of geladen. Een neutraal atoom bevat hetzelfde aantal elektronen als protonen, maar soms kunnen atomen elektronen winnen of verliezen en worden ze geladen. Hoe gemakkelijk een atoom elektronen wint of verliest, hangt af van zijn orbitale orbitale structuur.

Het waterstofatoom is het eenvoudigste atoom en bevat slechts één proton in zijn kern. De drie meest stabiele isotopen van waterstof zijn protium (zonder neutronen), deuterium (met één neutron) en tritium (met twee neutronen) met protium als meest voorkomende.

Verschillende modellen van het atoom zijn voorgesteld de jaren, leidend tot het huidige model. Het vroege werk werd gedaan door Ernest Rutherford, Niels Bohr en anderen.
Absorptie- en emissiespectra

Zoals gezegd werken atomen in wisselwerking met de elektromagnetische kracht. De protonen in een atoom dragen positieve lading en de elektronen dragen negatieve lading. De elektronen in het atoom kunnen elektromagnetische straling absorberen en daardoor een hogere energietoestand bereiken, of straling uitzenden en naar een lagere energietoestand gaan.

Een belangrijke eigenschap van dit absorberen en uitzenden van straling is dat atomen absorberen en stralen alleen bij zeer specifieke gekwantiseerde waarden uit. En voor elk verschillend type atoom, zijn die specifieke waarden verschillend.

Een heet gas van atomair materiaal zal straling uitzenden met zeer specifieke golflengten. Als licht dat uit dit gas komt, door een spectroscoop wordt geleid, die het licht via een golflengte (zoals een regenboog) in een spectrum verspreidt, zullen verschillende emissielijnen verschijnen. De set emissielijnen die uit het gas komen, kan bijna worden gelezen als een streepjescode die u precies vertelt welke atomen zich in het gas bevinden.

Evenzo, als een continu spectrum van licht invalt op een koel gas, en het licht die door dat gas passeert, wordt vervolgens door een spectroscoop geleid, je zou een continu spectrum zien met donkere gaten op de specifieke golflengten die het gas absorbeerde. Dit absorptiespectrum ziet eruit als het omgekeerde van het emissiespectrum, waarbij de donkere lijnen verschijnen waar de heldere lijnen waren voor hetzelfde gas. Als zodanig kan het ook worden gelezen als een streepjescode die u de samenstelling van het gas vertelt. Astronomen gebruiken dit altijd om de samenstelling van materiaal in de ruimte te bepalen.
Wat is nucleaire fysica?

nucleaire fysica richt zich op de atoomkern, kernreacties en de interactie van de kern met andere deeltjes. Het onderzoekt onder andere radioactief verval, kernfusie en kernsplijting en bindende energie.

De kern bevat een strak gebonden klomp protonen en neutronen. Dit zijn echter geen fundamentele deeltjes. Protonen en neutronen zijn gemaakt van nog kleinere deeltjes genaamd quarks
.

Quarks zijn deeltjes met fractionele lading, en ietwat dwaze namen. Ze komen in zes zogenaamde smaken: omhoog, omlaag, boven, onder, vreemd en charmant. Een neutron bestaat uit twee down-quarks en een up-quark en een proton bestaat uit twee down-quarks en een down-quark. De quarks in elk nucleon zijn nauw gebonden door de sterke nucleaire kracht.

De sterke nucleaire kracht wordt gemedieerd door deeltjes die gluonen worden genoemd
. Voel je een thema? De wetenschappers hadden veel plezier met het benoemen van deze deeltjes! Lijmen 'plakken' de quarks natuurlijk aan elkaar. De sterke nucleaire kracht werkt slechts op zeer korte afstand - op een afstand die vergelijkbaar is met de diameter van de gemiddelde kern.
Bindende energie

Elk geïsoleerd neutron heeft een massa van 1,6749275 × 10 ^{-27 kg en elk geïsoleerd proton heeft een massa van 1,6726219 x 10 <27 kg; wanneer ze echter samen worden gebonden in een atoomkern, is de atoommassa niet de som van de samenstellende delen vanwege iets dat bindende energie wordt genoemd.}

Door strak gebonden te worden, bereiken de nucleonen een lagere energietoestand als gevolg van een deel van de totale massa die ze hadden als individuele deeltjes werd omgezet in energie. Dit massaverschil dat wordt omgezet in energie wordt de bindende energie van de kern genoemd. De relatie die beschrijft hoeveel energie overeenkomt met een gegeven hoeveelheid massa is de beroemde E \u003d mc ^{2
-vergelijking van Einstein waarbij m
de massa is, c
is de snelheid van het licht en E
is de energie.}

Een verwant concept is de bindingsenergie per nucleon, wat de totale bindingsenergie is van een kern gemiddeld over zijn samenstellende delen. De bindingsenergie per nucleon is een goede indicator van hoe stabiel een kern is. Een lage bindingsenergie per nucleon geeft aan dat er een gunstiger toestand van lagere totale energie zou kunnen bestaan voor die specifieke kern, wat betekent dat het waarschijnlijk wil splitsen of met een andere kern wil fuseren onder de juiste omstandigheden.

Algemeen , kernen die lichter zijn dan ijzeren kernen hebben de neiging om lagere energietoestanden te bereiken, en hogere bindende energie per nucleon, door te fuseren met andere kernen, terwijl kernen die zwaarder zijn dan ijzer de neiging hebben om lagere energietoestanden te bereiken door uiteen te vallen in lichtere kernen. De processen waardoor deze veranderingen optreden, worden beschreven in de volgende paragraaf.
Splijting, fusie en radioactief verval

De kernfocus van kernfysica ligt op het bestuderen van splijting, fusie en verval van atoomkernen. Deze processen worden allemaal aangedreven door een fundamentele gedachte dat alle deeltjes de voorkeur geven aan lagere energietoestanden.

Splijting vindt plaats wanneer een zware kern in kleinere kernen uiteenvalt. Zeer zware kernen doen dit eerder omdat ze een kleinere bindingsenergie per nucleon hebben. Zoals je misschien nog wel weet, zijn er een paar krachten die bepalen wat er in een atoomkern gebeurt. De sterke nucleaire kracht bindt de nucleonen nauw aan elkaar, maar het is een kracht op zeer korte afstand. Dus voor zeer grote kernen is het minder effectief.

De positief geladen protonen in de kern stoten elkaar ook af via de elektromagnetische kracht. Deze afstoting moet worden overwonnen door de sterke nucleaire kracht en kan ook worden gemedieerd door voldoende neutronen in de buurt te hebben. Maar hoe groter de kern, hoe minder gunstig de krachtbalans is voor stabiliteit.

Vandaar dat grotere kernen de neiging hebben om uit elkaar te vallen via radioactieve vervalprocessen, of via splijtingsreacties zoals die optreden in kernreactoren of splijtingsbommen.

Fusie vindt plaats wanneer twee lichtere kernen een gunstiger energietoestand bereiken door te combineren in een zwaardere kern. Om splijting te voorkomen, moeten de betreffende kernen echter dicht genoeg bij elkaar komen zodat de sterke nucleaire kracht het kan overnemen. Dit betekent dat ze snel genoeg moeten bewegen zodat ze elektrische afstoting kunnen overwinnen.

Kernen bewegen snel rond bij extreme temperaturen, dus deze toestand is vaak vereist. Dit is hoe kernfusie kan plaatsvinden in de extreem hete kern van de zon. Tot op de dag van vandaag proberen wetenschappers nog steeds een manier te vinden om koude fusie te laten plaatsvinden - dat wil zeggen fusie bij lagere temperaturen. Aangezien energie vrijkomt in het fusieproces en geen radioactief afval achterlaat zoals splijtingsreactoren dat meestal doen, zou het een ongelooflijke energiebron zijn als het wordt bereikt.

Radioactief verval is een veelgebruikt middel waardoor kernen veranderingen ondergaan om te worden stabieler. Er zijn drie hoofdsoorten verval: alfa-verval, bèta-verval en gamma-verval.

Bij alfa-verval geeft een radioactieve kern een alfadeeltje (een helium-4-kern) vrij en wordt daardoor stabieler. Beta-verval komt in een paar variëteiten, maar komt in wezen voort uit het feit dat een neutron een proton wordt of een proton een neutron wordt en een β ^{-
of β +
deeltje (een elektron of een positron). Gamma verval treedt op wanneer een kern in een opgewonden toestand energie vrijgeeft in de vorm van gammastralen, maar het totale aantal neutronen en protonen behoudt.
Het standaardmodel voor deeltjesfysica}

De studie van nucleaire fysica breidt zich uit in het grotere veld van deeltjesfysica, dat erop gericht is de werking van alle fundamentele deeltjes te begrijpen. Het standaardmodel classificeert deeltjes in fermionen en bosonen, en classificeert vervolgens verder fermionen in quarks en leptonen, en bosonen in peil- en scalaire bosonen.

Bosonen houden zich niet aan wetten voor behoud van getallen, maar fermionen wel. Er is ook een conserveringswet voor zowel het aantal lepton als het aantal kwark naast andere geconserveerde hoeveelheden. Interacties van de fundamentele deeltjes worden gemedieerd door de energie-dragende bosonen.
Toepassingen van nucleaire fysica en atoomfysica

Toepassingen van nucleaire en atoomfysica zijn er in overvloed. Kernreactoren in kerncentrales creëren schone energie door de energie vrij te maken die vrijkomt tijdens splijtingsprocessen. Nucleaire geneeskunde maakt gebruik van radioactieve isotopen voor beeldvorming. Astrofysici gebruiken spectroscopie om de samenstelling van verre nevels te bepalen. Met magnetische resonantiebeeldvorming kunnen artsen gedetailleerde beelden maken van de binnenkant van hun patiënten. Zelfs röntgentechnologie maakt gebruik van nucleaire fysica.