Fizica nucleară

 (Acceleratorul de particule  Large Hadron Collider de la CERN – Foto CERN)

Fizica nucleară este domeniul fizicii care studiază nucleele atomice și constituenții și interacțiunile lor. Sunt studiate și alte forme de materii nucleare. Fizica nucleară nu trebuie confundată cu fizica atomică, care studiază atomul ca întreg, inclusiv electronii săi.

Descoperirile în fizica nucleară au dus la aplicații în multe domenii. Acestea includ energia nucleară, armele nucleare, medicina nucleară și imagistica prin rezonanță magnetică, izotopii industriali și agricoli, implantarea ionilor în ingineria materialelor și radiocarbonul datând din geologie și arheologie. Astfel de aplicații sunt studiate în domeniul ingineriei nucleare.

Fizica particulelor a evoluat din fizica nucleară, iar cele două domenii sunt de obicei predate în asociere strânsă. Astrofizica nucleară, aplicarea fizicii nucleare la astrofizică, este crucială în explicarea funcționării interioare a stelelor și a originii elementelor chimice.

Istorie

Istoria fizicii nucleare ca disciplină distinctă de fizica atomică începe cu descoperirea radioactivității de către Henri Becquerel în 1896, în timp ce investighează fosforescența în sărurile de uraniu. Descoperirea electronului de către J. J. Thomson un an mai târziu a fost o indicație că atomul avea structură internă. La începutul secolului al XX-lea, modelul acceptat al atomului era modelul ”budincă cu stafide” al lui J. J. Thomson, în care atomul era o minge încărcată pozitiv, cu electroni încărcați negativ mai mici încorporați în el.

În anii care au urmat, radioactivitatea a fost investigată pe scară largă, în special de Marie și Pierre Curie, precum și de Ernest Rutherford și colaboratorii săi. La începutul secolului, fizicienii au descoperit, de asemenea, trei tipuri de radiații emise de atomi, pe care le numesc radiații alfa, beta și gamma. Experimentele lui Otto Hahn din 1911 și ale lui James Chadwick în 1914 au descoperit că spectrul de dezintegrare beta este mai degrabă continuu decât discret. Adică, electronii sunt evacuați din atom cu o gamă continuă de energii, mai degrabă decât cantitățile discrete de energie observate în dezintegrările gamma și alfa. Aceasta a fost o problemă pentru fizica nucleară la vremea respectivă, pentru că părea să indice că energia nu este conservată în aceste dezintegrări.

Premiul Nobel pentru fizică din 1903 a fost acordat în comun lui Becquerel pentru descoperirea sa și lui Marie și Pierre Curie pentru cercetările lor ulterioare privind radioactivitatea. Rutherford a primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1908 pentru „investigațiile sale privind dezintegrarea elementelor și chimia substanțelor radioactive”.

În 1905 Albert Einstein a formulat ideea de echivalență a energiei cu masa. În timp ce lucrările privind radioactivitatea ale luiBecquerel și Marie Curie preced acest lucru, o explicație a sursei energiei radioactivității a trebuit să aștepte descoperirea că nucleul în sine era compus din constituenți mai mici, nucleonii.

Descoperirea nucleului

În 1906, Ernest Rutherford a publicat „Întârzierea particulelor α din radiu la trecerea prin materie„. Hans Geiger a extins această lucrare într-o comunicare către Societatea Regală cu experimente pe care el și Rutherford le făcuseră, trecând particule alfa prin aer, folie de aluminiu și de aur. Mai multe lucrări au fost publicate în 1909 de Geiger și Ernest Marsden, iar lucrările mult mai extinse au fost publicate în 1910 de către Geiger. În 1911-1912, Rutherford a mers în fața Societății Regale pentru a explica experimentele și a propune noua teorie a nucleului atomic așa cum o înțelegem acum.

Experimentul cheie din spatele acestui anunț a fost efectuat în 1910 la Universitatea din Manchester: echipa lui Ernest Rutherford a realizat un experiment remarcabil în care Geiger și Marsden sub supravegherea lui Rutherford au tras cu particule alfa (nuclei de heliu) într-un film subțire de folie de aur. Modelul de budincă cu stafide a prezis că particulele alfa ar trebui să iasă din folie, traiectoriile lor fiind doar eventual puțin deviate. Dar Rutherford a instruit echipa să caute ceva mai special: astfel, s-a observat că unele particule au fost împrăștiate în unghiuri mari, chiar complet în unele cazuri. Descoperirea, cu analiza lui Rutherford a datelor din 1911, a condus la modelul lui Rutherford al atomului, în care atomul avea un nucleu foarte mic și dens, care conținea cea mai mare parte a masei sale și constă din particule încărcate pozitiv, greu, cu electroni încorporați pentru a echilibra încărcarea (deoarece neutronul nu era cunoscut). De exemplu, în acest model (care nu este cel modern) azotul-14 consta dintr-un nucleu cu 14 protoni și 7 electroni (21 particule totale), iar nucleul era înconjurat de 7 electroni pe orbite.

În jurul anului 1920, Arthur Eddington a anticipat descoperirea și mecanismul proceselor de fuziune nucleară în stele, în lucrarea sa „Constituția internă a stelelor„. În acel moment, sursa energiei stelare era un mister complet; Eddington a speculat corect că sursa era fuziunea hidrogenului în heliu, eliberând o enormă energie conform ecuației lui Einstein E = mc². Aceasta a fost o evoluție deosebit de remarcabilă, deoarece la acel moment fuziunea și energia termonucleară și chiar faptul că stelele sunt în mare parte compuse din hidrogen, nu erau încă descoperite.

Modelul Rutherford a funcționat destul de bine până când studiile de spin nuclear au fost realizate de Franco Rasetti la Institutul de Tehnologie din California în 1929. Până în 1925 se știa că protonii și electronii au câte un spin de 1/2. În modelul de azot-14 al lui Rutherford, 20 din cele 21 de particule nucleare ar fi trebuit să se anuleze pentru a-și anula reciproc spinul, iar particula finală impară ar fi trebuit să părăsească nucleul cu un spin net de 1/2. Rasetti a descoperit totuși că azotul-14 are un spin de 1.

Descoperirea neutronului

În 1932, Chadwick a realizat că radiația observată de Walther Bothe, Herbert Becker, Irène și Frédéric Joliot-Curie se datorează de fapt unei particule neutre de aproximativ aceeași masă ca protonul pe care a numit-o neutron (după o sugestie de la Rutherford despre necesitatea unei astfel de particule). În același an, Dmitri Ivanenko a sugerat că nu există electroni în nucleu – doar protoni și neutroni – și că neutronii sunt particule de spin 1/2 care explică masa care nu se datorează protonilor. Spinul de neutroni a rezolvat imediat problema spinului de azot-14, deoarece protonul fără pereche și un neutron fără pereche în acest model au contribuit fiecare cu câte un spinde 1/2 în aceeași direcție, dând un spin total final de 1.

Odată cu descoperirea neutronului, oamenii de știință puteau să calculeze, în cele din urmă, ce fracțiune are fiecare nucleu din energia de legătură, comparând masa nucleară cu cea a protonilor și a neutronilor care o compun. Diferențele dintre masele nucleare au fost calculate în acest fel. Atunci când au fost măsurate reacțiile nucleare, s-a constatat că acestea sunt în conformitate cu calculul Einstein de echivalență a masei și a energiei în intervalul 1% față de 1934.

Câmpul bozonic

Alexandru Proca a fost primul care a elaborat și a raportat ecuațiile câmpului masiv vectorial bozonic și o teorie a câmpului mezonic al forțelor nucleare. Ecuațiile lui Proca erau cunoscute de Wolfgang Pauli care a menționat ecuațiile în adresarea lui la primirea premiului Nobel, și au fost, de asemenea, cunoscute lui Yukawa, Wentzel, Taketani, Sakata, Kemmer, Heitler și Fröhlich care au apreciat conținutul ecuațiilor lui Proca pentru dezvoltarea unei teorii a nucleului atomic în fizica nucleară.

Mezoni

În 1935, Hideki Yukawa a propus prima teorie semnificativă a forței tari pentru a explica modul în care nucleele se află împreună. În interacțiunea Yukawa, o particulă virtuală, denumită mai târziu mezon, mediază o forță între toți nucleonii, inclusiv protonii și neutronii. Această forță a explicat de ce nucleele nu se dezintegrează sub influența repulsiei protonilor și au explicat și de ce forța atractivă puternică are o arie de acțiune mai limitată decât repulsia electromagnetică dintre protoni. Mai târziu, descoperirea mezonului pi a arătat că acesta are proprietățile particulei lui Yukawa.

Cu lucrările lui Yukawa, modelul modern al atomului a fost complet. Centrul atomului conține o minge strânsă de neutroni și protoni, care este ținută împreună de forța nucleară puternică, dacă nu este prea mare. Un nucleu instabil poate suferi o descompunere alfa, în care emite un nucleu de heliu energetic sau o dezintegrare beta în care scoate un electron (sau positron). După una dintre aceste descompuneri, nucleul rezultat poate să rămână într-o stare excitată și în acest caz se dezintegrează în starea sa de bază prin emiterea de fotoni de energie înaltă (dezintregrare gamma).

Studiul forțelor nucleare puternice și slabe (cel din urmă explicat de Enrico Fermi prin interacțiunea lui Fermi în 1934) a făcut fizicienii să ciocnească nucleele și electronii cu energii tot mai mari. Această cercetare a devenit știința fizicii particulelor, bijuteria coroanei fiind modelul standard al fizicii particulelor care descrie forțele puternice, slabe și electromagnetice.