Јадрена физика

Јадрена физика (нуклеарна физика) — гранка на физиката што се задржува на јадрото на атомот.

Историја

Анри Бекерел

Радиоактивноста ја открил францускиот научник Анри Бекерел во 1896 додека работел на фосфоросцентни материјали. Овие материјали светат во мрак доколку претходно се изложат на светлост, тој мислел дека сјајот произведен во катодични зракови цевки од страна на X-зраци можеби е поврзан со фосфоросценцијата. Затоа завиткал фотографска плочка (plate) во црна хартија и ставил разни фосфоросцентни минерали на неа. Добивал негативни резултати сè додека не почнал да користи ураниумови соли. Резултатот од овие синтези бил длабоко поцрнување на плочките.

Сепак набрзо станало јасно дека поцрнувањето нема поврзаност со фосфоросценцијата затоа што плочките црнеле и во мрак. Станало јасно постои некоја друга врста зрачење, кое продира преку хартија и предизвикува црнење на плочките.

Отпочеток се мислело дека зрачењево е поврзано со ново откриените x-зраци. Сепак покасните истражувања на Бекерел, Пјер Кири, Марија Кири, Ернест Радерфорд и други откриле три различни видови радиоактивности: алфа, бета и гама-распад.

Опасноста од радиоактивност не е откриена веднаш. Акутното радиоактивно труење е брзо откриено. Не се знаело дека внесувањето во организмот на радиоактивни материјали предизвикува канцер или други сериозни проблеми. Многу лекари и фирми почнале да рекламираат радиоактивни супстанци како лекови.

За време на Втората светска војна, се дошло до идејата дека радиоактивната енергија може да се користи како оружје за масовно уништување.

Подоцна се развиени јадрени реактори за подморници, бродови и за комерцијална употреба.

Откривањето на електронот од страна на Џозеф Џон Томсон било прв индикатор дека атомот имал внатрешна структура. На крајот на XX век прифатениот модел на атомот бил оној на Џ.Џ. Томсон, т.н. „plum pudding“ модел во кој атомот претставувал голема позитивно наелектризирана топка со мали негативно наелектризирани електрони до неа. До крајот на векот, физичарите откриле три вида зрачење кои произлегуваат од атомот и ги нарекле алфа, бета и гама-зрачење. Во 1905 година, Ајнштајн ја формулирал идејата за еквиваленција меѓу масата и енергијата.

Тимот на Радерфорд го открива атомското јадро

Во 1907 година Ернест Радерфорд го објавува делото „Зрачење на α – честичката од радиум при минување низ материјата“. Радерфорд вршел многу експерименти на оваа тема и понатаму, но најзначајниот експеримент се случил во 1909 година. Тогаш Ханс Гајгер и Ернест Марсден, под надзор на Радерфорд, испукале алфа-честички кон тенка златна фолија. Според моделот на Томсон, траекториите на честичките требало да бидат сосем малку наведнати и под мал агол, но се забележало дека тие се раздалечени под големи агли, а некои дури имале спротивно насочени траектории. Тој заклучил дека во центарот, атомот има густо јадро кое го содржело поголемиот дел од неговата маса. Во јадрото имало дел од електроните, а надвор од него имало ис број електрони со кои се постигнувала рамнотежа. На пример, ако јаглеродот има 14 електрони, 7 од нив се наоѓаат во јадрото, а 7 надвор од него.

Џејмс Чедвик го открива неутронот

Во 1932 година, Чедвик сфатил дека зрачењето разгледувано од Бекер, Џолио-Кири и др. всушност било предизвикано од неутрална честичка со иста маса како и протонот, кој тој ја нарекол неутрон. Истата година, Дмитри Иваненко не се согласил со ова тврдење. Со откривањето на неутронот, научниците конечно можеле да ја пресметаат електронегативноста на секое јадро.

Месонот на Јукава за врзување на нуклиди

Во 1935 година Хидеки Јукава ја предложил првата значајна теорија која објаснувала како се поврзани нуклидите. Таа сила била наречена месон и таа била објаснување за тоа зошто честичките на атомот не се распарчувале и раздалечувале при надворешна енергија. Со ова, моделот на атомот бил комплетиран: во него имало мала топка од неутрони и протони кои се поврзани со јаката јадрена сила ако не се преголеми. Во тој случај, атомот преминувал во т.н. возбудена состојба, емитирајќи фотони со силна енергија (гама-зраци).

Спонтани промени од еден нуклид во друг: радиоактивност

Постојат 80 елементи кои имаат барем еден стабилен изотоп, а вкупно има 256 вакви изотопи. Спротивно на тоа, има илјадници нестабилни изотопи. Овие радиоизотопи се радиоактивни низ различни временски интервали. Има различни видови радиоактивно зрачење (распаѓање): алфа, бета и гама. Пример за бета-радиоактивност имаме кај азотот. Тој има 7 протони и 9 неутрони, а при радиоактивноста еден неутрон се претвора во протон и така се добива атом на кислород со вкупно 8 протони. Кај алфа-радиоактивноста, од атомот се емититра јадро на хелиум (2 протони, 2 неутрони), додавајќи ги на друг елемент плус хелиум -4. Ова продолжува сè додека не се добие стабилен елемент. Кај гама-радиоактивноста, едно јадро преминува од „возбудена“ или ексцитирана состојба во состојба со пониска енергија, при што испушта гама-зрак и станува стабилен.

Јадрено соединување

Кога две јадра со мала маса доаѓаат во близок контакт можно е под дејство на силните сили на врзување (електронегативност и енергија на јонизација) тие да се спојат. Потребна е голема енергија од надвор за да ги доближи јадрата до толкава мала далечина за силите на сврзување да подејствуваат, така што јадреното соединување може да се случи само при високи температури или висока густина. Кога јадрата се доволно блиску, силите на сврзување стануваат поголеми од електромагнетното одбивање и тие се спојуваат во едно ново јадро. При ова се ослободува голема енергија, бидејќи силите на сврзување на секое јадро се наголемуваат со наголемувањето на масениот број на новодобиеното јадро.

Јадрено цепење

За елементите (јадрата) со поголема маса од никелот – 62, силите на сврзување се намалуваат со намалувањето на масениот број. Затоа енергија може да биде ослободена само ако поголемо јадро се расцепи на две јадра со помал масен број. Расцепувањето на атомите е познато како јадрено цепење. Процесот на алфа-радиоактивно зрачење може да се смета за посебен вид на спонтано цепење. Овој процес продуцира високо асиметрично цепење, бидејќи четирите честички од кои се состои алфа-честичката се цврсто сврзани една за друга. За некои од најтешките јадра кои произведуваат неутрони при цепење и кои лесно примаат неутрони за да предизвикаат цепење, може да се предизвика само-стаартувачки вид на цепење предизвикано од неутрони, во т.н. верижна реакција. Цепењто или „јадрена“ верижна реакција, користејќи неутрони кои се создадени преку цепење, е извор на енергија за атомски централи и јадрени бомби кои користат цепење, како оние кои САД ги искористи против Јапонија во Втората светска војна. За да се случи верижна реакција предизвикана од неутрон, мора да има критична маса на елементот присутен во одреден простор под одредени услови (овие услови ги забавуваат и зачувуваат неутроните за реакциите). Има само еден познат пример за природен јадрен реактор кој користи цепење и бил активен во два региона: Окло и Габон во Африка, пред повеќе од 1,5 милијарди години. Мерењата за природни емисии на неутрино покажале дека околу половина од топлината од Земјината обвивка е резултат на радиоактивно распаѓање, но не се знае дали се работи на верижни реакции со цепење.

Производство на тешки елементи

Според теоријата, како што вселената се ладела по Големата експлозија станало можно честичките какви што ги знаеме да постојат. Најчестите честички кои биле создадени во експлозијата кои сè уште може да се набљудуваат се протони (водород) и електрони (во еднаков број). Некои потешки елементи биле создадени при судрување на протони, но повеќето тешки елементи кои ги гледаме денесбиле создадени внатре во ѕвездите за време од различни стази на соединување како протонско-протонскиот ланец, CNO-циклусот и тројниот алфа-процес. Како што ѕвездата стареела, така биле создавани сè потешки елементи. Ако знаеме дека силата на сврзување на секое јадро се движи околу онаа на железо, енергијата е ослободувана само во процеси на соединување кои се случуваат под оваа точка. Следно, ако знаеме дека создавањето на потешки јадра троши енергија, природата се осврнува кон примање на неутрони. Поради нивната неуралност и недостаток од електричен полнеж, можат многу лесно да бидат примени во некое јадро. Потешките елементи можат да бидат создавани со брз или бавен начин на примање на неутрони. Бавниот начин (процес) се случува во ѕвездите кои топлински пулсираат и се потребни стотици, илјадници години за создавање на најтешките метали олово и бизмут. Брзиот процес се смета дека се случувал во супернова експлозии поради високите температури, големиот тек на неутрони и исфрлената материја. Во овие услови, неутроните брзо влегуваат во јадра и потоа тие јадра преку бета разложување се претвораат во тешки елементи. Брзиот процес се случува за неколку секунди.

Поврзано

• Атомска физика