Kernphysik ist das Gebiet der Physik, die die Bestandteile und Wechselwirkungen von Atomkernen untersucht. Die bekanntesten Anwendungen der Kernphysik sind Kernenergie und Kernwaffen-Technologie, aber die Forschung hat Anwendung in vielen Bereichen zur Verfügung gestellt, einschließlich der in der Nuklearmedizin und Kernspintomographie, die Ionenimplantation in der Werkstofftechnik und Radiokarbon-Datierung in Geologie und Archäologie .

Das Gebiet der Teilchenphysik entstand aus der Kernphysik und wird in der Regel in enger Zusammenarbeit mit der Kernphysik lehrte.

Geschichte

Die Geschichte der Kernphysik als Disziplin unterscheidet sich von der Atomphysik beginnt mit der Entdeckung der Radioaktivität von Henri Becquerel im Jahre 1896, während der Untersuchung Phosphoreszenz in Uransalzen. Die Entdeckung des Elektrons von JJ Thomson im Jahr später ein Hinweis, dass das Atom hatten interne Struktur. An der Wende des 20. Jahrhunderts die akzeptierte Atommodell war JJ Thomsons Plumpudding-Modell, in dem das Atom war ein großer positiv geladene Kugel mit kleinen negativ geladenen Elektronen in der es eingebettet ist. Um die Wende des Jahrhunderts hatten die Physiker auch entdeckt, drei Arten von Strahlung von Atomen, die sie mit dem Namen Alpha, Beta und Gamma-Strahlung ausgeht. Versuche im Jahre 1911 von Otto Hahn und von James Chadwick 1914 entdeckt, dass die Beta-Zerfall Spektrum war eher kontinuierlich als diskret. Also an denen Elektronen aus dem Atom, mit einem Bereich von Energien, anstatt die diskreten Mengen von Energien, in gamma beobachtet und alpha zerfällt ausgeworfen. Dies war ein Problem für Kernphysik zu der Zeit, da es angedeutet, dass die Energie nicht in diesen Zerfälle konserviert.

Im Jahr 1905, Albert Einstein formuliert die Idee der Äquivalenz von Masse und Energie. Während die Arbeit an Radioaktivität durch Becquerel und Marie Curie zurückdatiert Damit wäre eine Erklärung der Quelle der Energie der Radioaktivität müssen für die Entdeckung, dass der Kern selbst wurde von kleineren Bestandteile der Nukleonen zusammen warten.

Rutherford-Team entdeckt, die den Kern

1907 Ernest Rutherford veröffentlichte "Radiation der α-Partikel aus Radium beim Durchgang durch Materie." Hans Geiger ausgebaut zu dieser Arbeit in einer Mitteilung an die Royal Society mit Experimenten er und Rutherford getan hatte, vorbei an α-Teilchen durch die Luft, Aluminiumfolie und Blattgold. Mehr Arbeit wurde 1909 von Geiger und Marsden veröffentlicht und weiter stark ausgebaut Arbeit wurde 1910 von Geiger veröffentlichte, In 1911-2 ging Rutherford vor der Royal Society, die Experimente zu erklären und vortragen die neue Theorie des Atomkerns, wie wir sie heute verstehen .

Die Schlüsselexperiment hinter dieser Ankündigung geschah im Jahre 1910 an der Universität von Manchester, wie Ernest Rutherford-Team durchgeführt, ein bemerkenswertes Experiment, in dem Hans Geiger und Ernest Marsden unter seiner Aufsicht entlassen Alpha-Teilchen mit einer dünnen Schicht aus Goldfolie. Die Plumpudding-Modell vorhergesagt, dass die Alpha-Teilchen sollten aus der Folie mit ihren Trajektorien wobei höchstens leicht gebeugt zu kommen. Rutherford hatte die Idee, sein Team zu beauftragen, nach etwas, das schockierte ihn tatsächlich zu beobachten, schauen: ein paar Partikel wurden durch die großen Winkeln gestreut, sogar ganz hinten, in einigen Fällen. Er verglich es mit Abfeuern einer Kugel auf Tissue-Papier und mit ihm abprallen. Die Entdeckung, beginnend mit Rutherford Analyse der Daten 1911, was schließlich zu der Rutherford Atommodell, in dem das Atom hat einen sehr kleinen, sehr dichten Kern, das den grßten Teil seiner Masse geführt ist und aus schweren, positiv geladenen Teilchen mit eingebetteten Elektronen, um zum Ausgleich der Ladung. Als Beispiel wird in diesem Modell Stickstoff-14 bestand aus einem Kern mit 14 Protonen und Elektronen 7, und der Kern wurde von 7 weitere umlaufenden Elektronen umgeben ist.

Die Rutherford-Modell ganz gut geklappt, bis Studien der Kernspin wurden von Franco Rasetti am California Institute of Technology im Jahre 1929 durchgeführt 1925 war bekannt, dass Protonen und Elektronen hatte einen Spin von 1/2, und in der Rutherford-Modell von Stickstoff -14, 20 der insgesamt 21 Kernteilchen sollte gekoppelt haben, sich gegenseitig Spin abzubrechen, und die letzte ungerade Teilchen sollte den Kern mit einem Netto-Spin von 1/2 verlassen haben. Rasetti jedoch entdeckt, daß der Stickstoff-14 hatte einen Spin von 1.

James Chadwick entdeckt das Neutron

Im Jahr 1932 Chadwick erkannte, dass Strahlung, die von Walther Bothe, Herbert Becker, Irène und Frédéric Joliot-Curie beobachtet hatte, war eigentlich wegen eines neutralen Teilchens von etwa der gleichen Masse wie das Proton, dass er rief die Neutronen. Im gleichen Jahr Dmitri Ivanenko vorgeschlagen, dass Neutronen wurden in der Tat Spin 1/2 Teilchen und dass der Kern enthaltenen Neutronen zu erklären, die Masse nicht an Protonen, und dass es keine Elektronen im Kern nur Protonen und Neutronen. Die Neutronen-Spin sofort gelöst, das Problem der Spin der Stickstoff-14, als ein ungepaartes Proton und einem ungepaarten Neutronen in diesem Modell, tragen jeweils einen Spin von 1/2 in der gleichen Richtung, für eine endgültige Gesamtspin 1.

Mit der Entdeckung des Neutronen konnten Wissenschaftler endlich, welcher Anteil der Bindungsenergie jeder Kern hatte, aus dem Vergleich des Kernmasse mit der der Protonen und Neutronen, die sie zusammengesetzt berechnen. Die Unterschiede zwischen den Kernmassen wurden auf diese Weise berechnet und, wenn Kernreaktionen wurden gemessen wurden gefunden, um mit Einsteins Berechnung der Äquivalenz von Masse und Energie, um eine hohe Genauigkeit zu vereinbaren.

Proca Schen Gleichungen der massiven Vektorboson Feld

Alexandru Proca war der erste, zu entwickeln und zu berichten, die massiven Vektorboson Feldgleichungen und eine Theorie der MESONIC Gebiet der Kernkräfte. Proca Gleichungen wurden Wolfgang Pauli, der die Gleichungen in seinem Nobel-Adresse genannt bekannt, und sie wurden auch Yukawa, Wentzel, Taketani, Sakata, Kemmer, Heitler und Fröhlich, die den Inhalt der Proca-Gleichungen für die Entwicklung einer Theorie des Atom geschätzt bekannt Kerne in Kernphysik.

Yukawas Meson postuliert Kerne binden

Im Jahr 1935 Hideki Yukawa vorgeschlagen, die erste bedeutende Theorie der starken Kraft, zu erklären, wie der Kern zusammenhält. In der Yukawa-Wechselwirkung eine virtuelle Teilchen, später eine Mesonen, vermittelte eine Kraft zwischen den Nukleonen, einschließlich Protonen und Neutronen. Diese Kraft erklärt, warum Kerne nicht unter dem Einfluss von Protonen-Abstoßung zerfallen, und es gab auch eine Erklärung, warum die attraktive starke Kraft hatte eine begrenzte Reichweite als die elektromagnetische Abstoßung zwischen Protonen. Später wurde die Entdeckung des Pi-Meson zeigte es, die Eigenschaften von Yukawas Partikel haben.

Mit Yukawa Papiere, die moderne Atommodell war vollständig. Das Zentrum des Atoms enthält eine dichte Kugel aus Protonen und Neutronen, die durch die starke Kernkraft zusammengehalten wird, wenn sie nicht zu groß ist. Instabile Kerne können Alpha-Zerfall, in der sie eine energetische Heliumkern oder Beta-Zerfall, in der sie ein Elektron emittieren auswerfen zu unterziehen. Nach einem dieser zerfällt der resultierende Kern kann in einem angeregten Zustand befinden kann, und in diesem Fall es zerfällt in den Grundzustand durch Emittieren Hochenergiephotonen.

Die Studie über die starke und schwache Kernkraft geführt Physiker Kerne und Elektronen in immer höheren Energien kollidieren. Diese Forschung wurde die Wissenschaft der Teilchenphysik, das Kronjuwel von denen ist das Standardmodell der Teilchenphysik, die die starke, schwache und elektromagnetische Kräfte beschreibt.

Moderne Kernphysik

Ein schwerer Kern kann Hunderte von Nukleonen enthalten, was bedeutet, dass mit einer gewissen Annäherung kann es als ein klassisches System behandelt werden, sondern als ein quantenmechanischen ein. In der resultierenden Tröpfchenmodell, hat der Kern eine Energie, die zum Teil aus der Oberflächenspannung und zum Teil aus elektrische Abstoßung der Protonen entsteht. Die Tropfchenmodell der Lage ist, viele Eigenschaften von Kernen, einschließlich dem allgemeinen Trend der Bindungsenergie in Bezug auf Massenzahl sowie das Phänomen der Kernspaltung wiederzugeben.

Auf dieser klassischen Bild überlagert sind aber quantenmechanische Effekte, die mit der Kernschalenmodell, zum großen Teil durch Maria Göppert-Mayer entwickelt beschrieben werden kann. Kerne mit bestimmter Anzahl von Protonen und Neutronen sind besonders stabil, da ihre Schalen befüllt werden.

Andere kompliziertere Modelle für den Kern sind ebenfalls vorgeschlagen worden, wie die interagierenden boson Modell, bei dem Paare von Protonen und Neutronen wechselwirken als Bosonen analog Cooper-Paare von Elektronen.

Wesentlich aktueller Forschung in der Kernphysik bezieht sich auf die Untersuchung der Kerne auch unter extremen Bedingungen wie hoher Spin und Anregungsenergie. Kerne können auch extreme Formen oder extremen Neutronen-to-Protonenverhältnisse. Experimentatoren können solche Kerne erstellen mit künstlich induzierten Fusion oder Nukleon-Transfer-Reaktionen, den Einsatz von Ionenstrahlen aus einem Beschleuniger. Strahlen mit noch höheren Energien können verwendet werden, um Kerne bei sehr hohen Temperaturen zu schaffen, und es gibt Anzeichen dafür, dass diese Experimente haben ein Phasenübergang von normaler Kernmaterie zu einem neuen Zustand hergestellt, das Quark-Gluon-Plasma, in der die Quarks vermischen sich mit einem anderen, anstatt in Dreiergruppen getrennt sind, wie sie in Protonen und Neutronen.

Kernzerfall

Achtzig Elementen mindestens eine stabile Isotopen nie Zerfall beobachtet, in einer Gesamthöhe von etwa 254 stabile Isotope. Doch Tausende von Isotopen wurden charakterisiert, die instabil sind. Diese Radioisotope Verfall im Laufe der Zeit wie Schuppen von Bruchteilen einer Sekunde bis Wochen, Jahre, Milliarden von Jahren oder sogar Billionen von Jahren reichen.

Die Stabilität eines Kerns am höchsten ist, wenn es in einem bestimmten Bereich oder das Gleichgewicht Zusammensetzung Protonen und Neutronen fällt; zu wenige oder zu viele Neutronen kann dazu führen, dass zerfallen. Zum Beispiel im Beta-Zerfall eine Stickstoff-16-Atom an einem Sauerstoffatom-16 innerhalb von wenigen Sekunden von erstellt umgewandelt. In diesem Zerfall ein Neutron in der Stickstoffkern in ein Proton und ein Elektron und ein Antineutrino durch die schwache Wechselwirkung umgewandelt. Das Element wird auf ein anderes Element in der Übernahme des erstellt Proton umgewandelt.

In Alphazerfall zerfällt das radioaktive Element durch Emission eines Heliumkern, so dass ein weiteres Element, zzgl Helium-4. In vielen Fällen setzt dieses Verfahren über mehrere Stufen dieser Art, einschließlich anderer Arten von Zerfällen, bis ein stabiles Element gebildet wird.

In Gamma Zerfall zerfällt ein Kern aus einem angeregten Zustand in einen niedrigeren Energiezustand, durch Emission eines Gammastrahls. Das Element nicht auf ein anderes Element in dem Prozess verändert.

Andere exotische Zerfälle sind möglich. Beispielsweise in der internen Umwandlungs Zerfall, die Energie von einem angeregten Kern kann verwendet werden, um eine der inneren Schale Elektronen aus dem Atom auszuwerfen, in einem Verfahren, das Hochgeschwindigkeitselektronen erzeugt, ist jedoch nicht Beta-Zerfall, und ein Element nicht umzu zum anderen.

Kernfusion

In der Kernfusion, kommen zwei geringe Masse Kerne in engem Kontakt miteinander, so dass die starke Kraft Sicherungen ihnen. Es erfordert eine große Menge an Energie, um die Abstoßung zwischen den Kernen zu überwinden, für die starken oder Kernkräfte, um diesen Effekt zu erzeugen, damit die Kernfusion kann nur bei sehr hohen Temperaturen oder hohen Drücken stattfindet. Sobald das Verfahren erfolgreich ist, wird eine sehr große Menge an Energie freigesetzt und die kombinierte Kern nimmt einen niedrigeren Energieniveau. Die Bindungsenergie pro Nukleon steigt mit der Massenzahl bis zum Nickel-62. Sterne wie die Sonne durch die Fusion von vier Protonen in einen Heliumkern zwei Positronen und zwei Neutrinos angetrieben. Die unkontrollierte Fusion von Wasserstoff zu Helium als thermo runaway bekannt. Eine Grenze in der aktuellen Forschung an verschiedenen Institutionen, beispielsweise der Joint European Torus und ITER ist die Entwicklung eines wirtschaftlich tragfähigen Verfahren zur Verwendung von Energie aus einer kontrollierten Fusionsreaktion. Natürliche Kernfusion ist der Ursprung des Licht und Energie vom Kern aller Sterne einschließlich unserer eigenen Sonne erzeugt.

Kernspaltung

Die Kernspaltung ist der umgekehrte Prozess der Kernfusion. Für Kerne schwerer als Nickel-62 die Bindungsenergie pro Nukleon nimmt mit der Massenzahl. Es ist daher möglich, dass Energie freigesetzt, wenn ein schwerer Kern zerbricht in zwei leichtere werden.

Der Prozess der Alpha-Zerfall ist im Wesentlichen eine spezielle Art von spontanen Kernspaltung. Dieses Verfahren erzeugt eine stark asymmetrischen Spaltung, da die vier Teilchen, aus denen die alpha-Teilchen sind besonders dicht aneinander gebunden sind, so dass die Produktion dieses Kerns in Spaltung besonders wahrscheinlich.

Für bestimmte der schwersten Kerne, die Neutronen auf Spaltung zu produzieren, und die auch leicht zu absorbieren Neutronen Spaltung einzuleiten, kann eine selbstzündende Art von Neutronen initiierte Spaltung erhalten werden kann, in einem sogenannten Kettenreaktion. Kettenreaktionen wurden in der Chemie, bevor der Physik bekannt, und in der Tat viele bekannte Prozesse wie Brände und Explosionen sind chemische chemische Kettenreaktionen. Die Kernspaltung oder "nuclear" Kettenreaktion unter Verwendung von Kernspaltung erzeugten Neutronen, ist die Energiequelle für Kernkraftwerke und Kernspaltung Typ Atombomben, wie sie von den Vereinigten Staaten in Hiroshima und Nagasaki, Japan gezündet, am Ende des Zweiter Weltkrieg. Schwere Kerne wie Uran und Thorium können auch spontane Spaltung unterzogen werden, aber sie sind viel eher zu Zerfall durch Alpha-Zerfall zu unterziehen.

Für ein Neutronen-initiierte Kettenreaktion auftreten, muss es eine kritische Masse des in einem bestimmten Raum unter bestimmten Bedingungen vorliegende Element. Die Bedingungen für die kleinste kritische Masse erfordert die Erhaltung der emittierten Neutronen sowie deren Verlangsamung oder Maßen, so gibt es einen größeren Querschnitt oder Wahrscheinlichkeit sie er eine weitere Spaltung. In zwei Regionen Oklo, Gabun, Afrika, waren natürliche Kernspaltungsreaktoren vor über 1,5 Milliarden Jahren aktiv. Messungen der natürlichen Neutrino-Emission haben, dass nachgewiesen rund die Hälfte der Wärme aus Kernergebnisse der Erde vom radioaktiven Zerfall ausgehen. Es ist jedoch nicht bekannt, ob einer sich dies aus Kernspaltungs-Kettenreaktionen.

Die Produktion von "schweren" Elemente

Nach der Theorie, wie das Universum abgekühlt nach dem Urknall es wurde schließlich möglich, gemeinsame subatomaren Teilchen wie wir sie kennen, zu existieren. Die häufigsten Teilchen im Urknall geschaffen, die leicht zu beobachten, die uns heute noch gibt es Protonen und Elektronen. Die Protonen schließlich bilden Wasserstoffatome. Fast alle Neutronen im Urknall entstanden zu Helium-4 in den ersten drei Minuten nach dem Urknall absorbiert, und das Helium-Konten für die meisten der Helium im Universum heute.

Einige Bruchteil der Elemente jenseits von Helium in dem Urknall während einer Reihe von Fusionsstufen erstellt, da die Protonen und Neutronen miteinander kollidierten, aber alle der "schwereren Elementen", die wir heute sehen, wurden im Inneren der Sterne entstehen, wie zum Beispiel Die Proton-Proton-Kette, die CNO-Zyklus und der Drei-Alpha-Prozess. Progressiv schwerere Elemente werden während der Entwicklung eines Sterns erzeugt.

Da die Bindungsenergie pro Nukleon Gipfel rund um Eisen, wird Energie nur in Fusionsprozesse unter diesem Punkt auftretende freigegeben. Da die Schaffung von schwereren Kernen durch Fusion kostet Energie, Natur-Resorts auf den Prozess der Neutroneneinfang. Neutronen werden ohne weiteres durch einen Kern absorbiert. Die schweren Elemente werden entweder durch eine langsame Neutroneneinfang oder nach dem schnellen, oder r-Prozess erstellt. Die s Prozess tritt in thermisch pulsierende Sterne und dauert Hunderte bis Tausende von Jahren, um die schwersten Elemente von Blei und Wismut zu erreichen. Die r-Prozess wird angenommen, dass in Supernova-Explosionen auftreten, da die Bedingungen von hoher Temperatur und hohem Neutronenfluss und ausgeworfen Materie vorhanden sind. Diese stellaren Bedingungen machen den aufeinanderfolgenden Neutronen fängt sehr schnell, mit sehr neutronenreiche Spezies, die dann beta-Zerfall zu schwereren Elementen, vor allem in den so genannten Warte Punkte, die stabiler Nuklide mit geschlossenen Neutronenschalen entsprechen.