Diversi giorni nuvolosi a Parigi nel 1896 "rovinarono" l'esperimento di Henri Becquerel, ma nel frattempo nacque il campo della fisica nucleare. Becquerel era fuori per dimostrare la sua ipotesi che l'uranio assorbisse la luce solare e la irradiasse sotto forma di raggi X, che era stata scoperta l'anno precedente.
Nozioni di base di fisica nucleare: storia e scoperta

Il piano di Becquerel era portare l'uranil solfato di potassio alla luce del sole e poi metterlo in contatto con lastre fotografiche avvolte in carta nera, perché mentre la luce visibile non riusciva a passare, i raggi X lo farebbero. Nonostante la mancanza di luce solare, decise comunque di passare attraverso il processo e rimase scioccato quando scoprì immagini ancora registrate sulla lastra fotografica.

Ulteriori test mostrarono che non erano affatto raggi X, nonostante il suo ipotesi. Il percorso della luce non è piegato da un campo magnetico, ma la radiazione dell'uranio è stata deviata da uno e questo - insieme al primo risultato - è stato il modo in cui è stata scoperta la radiazione. Marie Curie coniò il termine radioattività e, insieme a suo marito Pierre, scoprì il polonio e il radio, bloccando le fonti precise della radioattività.

Successivamente, Ernest Rutherford trovò i termini particelle alfa, particelle beta e gamma particelle per il materiale irradiato e il campo della fisica nucleare è davvero andato avanti.

Ovviamente, le persone sanno molto di più sulla fisica nucleare adesso di quanto non facessero all'inizio del XX secolo, ed è un argomento cruciale per capire e conoscere per ogni studente di fisica. Sia che tu voglia capire la natura dell'energia nucleare, le forze nucleari forti e deboli o contribuire a campi come la medicina nucleare, imparare le basi è essenziale.
Cos'è la fisica nucleare?

La fisica nucleare è essenzialmente la fisica del nucleo, la parte dell'atomo contenente i due più famosi "adroni", protoni e neutroni.

In particolare, esamina le forze che operano nel nucleo (la forte interazione che lega i protoni e neutroni insieme nel nucleo, oltre a tenere uniti i loro quark componenti e l'interazione debole relativa al decadimento radioattivo) e l'interazione dei nuclei con altre particelle.

La fisica nucleare copre argomenti come la fusione nucleare (che riguarda l'energia di legame di diversi elementi), la fissione nucleare (che è la scissione di elementi pesanti per produrre energia) nonché il decadimento radioattivo e la struttura e le forze di base in gioco nel nucleo.

Ci sono molti pratico applicazioni del campo, incluso (ma non limitato a) il lavoro nell'energia nucleare, nella medicina nucleare e nella fisica delle alte energie.
Struttura dell'atomo

Un atomo è composto da un nucleo che contiene positivamente protoni carichi e neutroni non caricati, tenuti insieme dalla forte forza nucleare. Questi sono circondati da elettroni carichi negativamente, che formano quella che viene chiamata una "nuvola" attorno al nucleo, e il numero di elettroni corrisponde al numero di protoni in un atomo neutro.

Ci sono stati numerosi modelli di atomo proposto in tutta la storia della fisica, incluso il modello di Thomson "budino di prugne", il modello "planetario" di Rutherford e Bohr e il moderno modello di meccanica quantistica sopra descritto. 15 m, contenente la maggior parte della massa dell'atomo, mentre l'intero atomo è nell'ordine di 10 ^{−10 m. Non lasciarti ingannare dalla notazione: ciò significa che il nucleo è circa 100.000 volte più piccolo dell'atomo in generale, ma contiene la stragrande maggioranza della materia. Quindi l'atomo è prevalentemente spazio vuoto!}

La massa dell'atomo non è esattamente uguale alla massa delle parti costitutive: Se sommi le masse dei protoni e dei neutroni, supera già la massa di l'atomo, prima ancora di spiegare la massa molto più piccola dell'elettrone.

Questo è chiamato il "difetto di massa" dell'atomo, e se converti questa differenza in energia usando la famosa equazione di Einstein E
\u003d mc
^{2, ottieni “energia di legame” del nucleo.}

Questa è l'energia che dovresti mettere nel sistema per dividere il nucleo nei suoi protoni e neutroni costituenti. Queste energie sono molto, molto più grandi dell'energia necessaria per rimuovere un elettrone dalla sua "orbita" attorno al nucleo.
Materia nucleare e struttura nucleare

I due tipi di nucleoni (cioè le particelle del nucleo ) sono il protone e il neutrone, e questi sono strettamente legati insieme nel nucleo dell'atomo.

Sebbene questi siano generalmente i nucleoni di cui sentirai parlare, in realtà non sono particelle fondamentali nel modello standard della fisica delle particelle. Il protone e il neutrone sono entrambi composti da particelle fondamentali chiamate quark, che sono disponibili in sei "sapori" e ciascuno reca una frazione della carica di un protone o di un elettrone.

Un quark up ha un 2/3 carica
elettronica, dove e
è la carica di un elettrone, mentre un quark down ha una carica di eem. Ciò significa che due quark up e un quark down combinati produrrebbero una particella con una carica positiva di magnitudine e
, che è un protone. D'altra parte, un quark up e due quark down producono una particella senza carica complessiva, il neutrone.
Il modello standard di fisica delle particelle

Il modello standard cataloga tutte le particelle fondamentali attualmente conosciute, e li raggruppa in due gruppi principali: fermioni e bosoni. I fermioni sono suddivisi in quark (che a loro volta producono adroni come protoni e neutroni) e leptoni (che includono elettroni e neutrini), e i bosoni sono suddivisi in bosoni di calibro e scalari.

Il bosone di Higgs è l'unico bosone scalare noto finora, con gli altri bosoni - il fotone, gluone, Z
-bosoni e W
bosoni - essendo bosoni di calibro.

I fermioni, a differenza dei bosoni, obbediscono " leggi sulla conservazione dei numeri. ”Ad esempio, esiste una legge di conservazione del numero leptonico, che spiega cose come le particelle prodotte come parte dei processi di decadimento nucleare (perché la creazione di un elettrone con il leptone numero 1, ad esempio, deve essere bilanciato con la creazione di un'altra particella con il numero di leptone −1, come un elettrone anti-neutrino).

Anche il numero di quark viene conservato e ci sono anche altre quantità conservate.

Bosoni sono particelle che trasportano forza, e quindi le interazioni delle particelle fondamentali sono mediate dai bosoni. Ad esempio, l'interazione dei quark è mediata dai gluoni e le interazioni elettromagnetiche sono mediate dai fotoni.
Forza nucleare forte e forza nucleare debole

Sebbene la forza elettromagnetica si applichi nel nucleo, le forze principali che tu è necessario considerare le forze nucleari forti e deboli. La forza nucleare forte è trasportata dai gluoni e la forza nucleare debole è trasportata da W
^{± e Z
0 bosoni.}

As suggerisce il nome, la forza nucleare forte è la più forte di tutte le forze fondamentali, seguita dall'elettromagnetismo (10 ^{2 volte più debole), dalla forza debole (10 6 volte più debole) e dalla gravità (10 40 volte più debole). L'enorme differenza tra la gravità e il resto delle forze è il motivo per cui i fisici essenzialmente la trascurano quando discutono di materia a livello atomico.}

La forza forte ha bisogno di essere forte per superare la repulsione elettromagnetica tra i protoni caricati positivamente nel nucleo - se fosse stato più debole della forza elettromagnetica, nessun atomo con più di un protone nel nucleo sarebbe stato in grado di formarsi. Tuttavia, la forza forte ha un raggio molto breve.

Questo è importante perché mostra perché la forza non è evidente anche sulla scala di interi atomi o molecole, ma significa anche che la repulsione elettromagnetica diventa più rilevante per nuclei pesanti (cioè atomi più grandi). Questo è uno dei motivi per cui i nuclei instabili sono spesso quelli degli elementi pesanti.

Anche la forza debole ha un raggio molto breve e essenzialmente fa sì che i quark cambino sapore. Questo può far diventare un protone un neutrone e viceversa, e quindi può essere considerato la causa dei processi di decadimento nucleare come il decadimento beta più e meno.
Decadimento radioattivo

Esistono tre tipi di decadimento radioattivo: decadimento alfa, decadimento beta e decadimento gamma. Il decadimento alfa si verifica quando un atomo si decompone rilasciando una "particella alfa", che è un altro termine per un nucleo di elio.

Esistono tre sottotipi di decadimento beta, ma tutti implicano un protone che si trasforma in un neutrone o viceversa. Un decadimento beta meno è quando un neutrone diventa un protone e rilascia un elettrone e un elettrone anti-neutrino nel processo, mentre nel decadimento beta più, un protone diventa un neutrone e rilascia un positrone (cioè un antielettrone) e un elettrone neutrino.

Nella cattura di elettroni, un elettrone dalle parti esterne dell'atomo viene assorbito nel nucleo e un protone viene convertito in un neutrone e un neutrino viene rilasciato dal processo.

Il decadimento gamma è un decadimento in cui l'energia viene rilasciata ma non cambia nulla nell'atomo. Questo è analogo al modo in cui un fotone viene rilasciato quando un elettrone fa una transizione da uno stato ad alta energia a uno a bassa energia. Un nucleo eccitato fa una transizione verso uno stato a bassa energia ed emette un raggio gamma allo stesso modo.
Fissione nucleare e fusione nucleare

La fusione nucleare è quando due nuclei si fondono e creano un nucleo più pesante. Questo è il modo in cui l'energia viene generata nel sole e far sì che il processo avvenga sulla Terra per la generazione di energia è uno dei maggiori obiettivi della fisica sperimentale.

Il problema è che richiede temperature e pressioni estremamente elevate, e quindi livelli di energia molto elevati. Tuttavia, se gli scienziati lo raggiungessero, la fusione potrebbe diventare una fonte di energia vitale mentre la società continua a crescere e consumiamo quantità crescenti di energia.

La fissione nucleare è la divisione di un elemento pesante in due nuclei più leggeri, e questo è ciò che alimenta l'attuale generazione di reattori nucleari.

La fissione è anche il principio operativo delle armi nucleari, che è uno dei motivi principali per cui si tratta di un'area controversa. In pratica, la fissione funziona attraverso una serie di reazioni a catena. Un neutrone che crea la divisione iniziale in un elemento pesante come l'uranio, genera un ulteriore neutrone libero dopo la reazione, che può quindi continuare a provocare un'altra divisione e così via.

Essenzialmente, entrambi questi processi guadagnano energia attraverso la relazione E
\u003d mc
^{2, poiché la fusione o la divisione degli atomi comporta un rilascio di energia dalla "massa mancante".
Applicazioni della fisica nucleare}

Esistono una vasta gamma di applicazioni della fisica nucleare. In particolare, i reattori nucleari e le centrali nucleari sono operativi in molti paesi del mondo e molti fisici stanno lavorando a progetti nuovi e più sicuri.

Ad esempio, alcuni progetti di reattori nucleari mirano a garantire che il materiale di origine non possa essere utilizzato per creare armi nucleari, che richiedono una fonte molto più arricchita di uranio (cioè un uranio "più puro") per funzionare.

La medicina nucleare è un'altra area importante per la fisica nucleare. La medicina nucleare prevede quantità minime di materiale radioattivo somministrato al paziente, quindi i rivelatori vengono utilizzati per catturare immagini dalle radiazioni emesse. Questo aiuta i medici a diagnosticare reni, tiroide, cuore e altre condizioni.

Naturalmente, ci sono molte altre aree in cui la fisica nucleare è essenzialmente, tra cui la fisica ad alta energia e acceleratori di particelle come il CERN e l'astrofisica, dove molti i processi dominanti nelle stelle dipendono fortemente dalla fisica nucleare.