Kernphysik ist das Feld der Physik, die die Bausteine und Wechselwirkungen von Atomkernen studiert. Die meistens bekannten Anwendungen der Kernphysik sind Kernkraft-Generation und Kernwaffentechnologie, aber die Forschung hat Anwendung in vielen Feldern, einschließlich derjenigen in Kernmedizin und Kernspinresonanz-Bildaufbereitung, Ion-Implantation in der Material-Technik und radiocarbon Datierung in der Geologie und Archäologie zur Verfügung gestellt.

Das Feld der Partikel-Physik, die aus der Kernphysik entwickelt ist, und wird normalerweise in der nahen Vereinigung mit der Kernphysik unterrichtet.

Geschichte

Die Geschichte der Kernphysik als eine von der Atomphysik verschiedene Disziplin fängt mit der Entdeckung der Radioaktivität durch Henri Becquerel 1896 an, während sie Phosphoreszenz in Uran-Salzen untersucht. Die Entdeckung des Elektrons durch J. J. Thomson war ein Jahr später eine Anzeige, dass das Atom innere Struktur hatte. Am Ende des 20. Jahrhunderts war das akzeptierte Modell des Atoms das Pflaume-Pudding-Modell von J. J. Thomson, in dem das Atom ein großer positiv angeklagter Ball mit kleinen negativ beladenen Elektronen eingebettet darin war. Der Jahrhundertwende hatten Physiker auch drei Typen der Radiation entdeckt, die von Atomen ausgeht, die sie Alpha, Beta und Gammastrahlung genannt haben. Experimente 1911 durch Lise Meitner und Otto Hahn, und durch James Chadwick 1914 haben entdeckt, dass das Beta-Zerfall-Spektrum dauernd aber nicht getrennt war. D. h. Elektronen wurden aus dem Atom mit einer Reihe von Energien, aber nicht den getrennten Beträgen von Energien vertrieben, die im Gamma und Alpha-Zerfall beobachtet wurden. Das war ein Problem für die Kernphysik zurzeit, weil sie angezeigt hat, dass Energie in diesem Zerfall nicht erhalten wurde.

1905 hat Albert Einstein die Idee von der Massenenergie-Gleichwertigkeit formuliert. Während die Arbeit an der Radioaktivität durch Becquerel und Marie Curie das zurückdatiert, würde eine Erklärung der Quelle der Energie der Radioaktivität auf die Entdeckung warten müssen, dass der Kern selbst aus kleineren Bestandteilen, den Nukleonen zusammengesetzt wurde.

Die Mannschaft von Rutherford entdeckt den Kern

1907 hat Ernest Rutherford "Radiation der α Partikel von Radium im Vorbeigehen durch die Sache veröffentlicht." Geiger hat sich auf dieser Arbeit in einer Kommunikation zur Königlichen Gesellschaft mit Experimenten ausgebreitet er und Rutherford hatten Übergang α Partikeln durch Luft, Alufolie und Blattgold getan. Mehr Arbeit wurde 1909 von Geiger und Marsden veröffentlicht und hat sich weiter außerordentlich ausgebreitet Arbeit wurde 1910 von Geiger veröffentlicht, In 1911-2 Rutherford ist gegangen vor der Königlichen Gesellschaft, um die Experimente zu erklären und die neue Theorie des Atomkerns weil vorzutragen, verstehen wir es jetzt.

Das Schlüsselexperiment hinter dieser Ansage ist 1910 an der Universität Manchesters geschehen, weil die Mannschaft von Ernest Rutherford ein bemerkenswertes Experiment durchgeführt hat, in dem Hans Geiger und Ernest Marsden unter seiner Aufsicht Alphateilchen (Helium-Kerne) an einem dünnen Film von Goldfolie angezündet haben. Das Pflaume-Pudding-Modell hat vorausgesagt, dass die Alphateilchen aus der Folie mit ihren Schussbahnen kommen sollten, die höchstens ein bisschen biegen werden. Rutherford hatte die Idee, seine Mannschaft zu beauftragen, nach etwas zu suchen, was ihn erschüttert hat, um wirklich zu beobachten: Einige Partikeln wurden durch große Winkel sogar völlig umgekehrt in einigen Fällen gestreut. Er hat es mit der Zündung einer Kugel an Papiertaschentuch verglichen, und es zu haben, springen davon. Die Entdeckung, mit der Analyse von Rutherford der Daten 1911 beginnend, hat schließlich zum Modell von Rutherford des Atoms geführt, in dem das Atom einen sehr kleinen, sehr dichten Kern hat, der den grössten Teil seiner Masse enthält, und aus schweren positiv angeklagten Partikeln mit eingebetteten Elektronen besteht, um die Anklage zu erwägen (seitdem das Neutron unbekannt war). Als ein Beispiel in diesem Modell (der nicht der moderne ist) hat Stickstoff 14 aus einem Kern mit 14 Protonen und 7 Elektronen (21 Gesamtpartikeln) bestanden, und der Kern wurde durch 7 mehr umkreisende Elektronen umgeben.

Das Modell von Rutherford hat ganz gut gearbeitet, bis Studien der Kerndrehung von Franco Rasetti am Institut von Kalifornien für die Technologie 1929 ausgeführt wurden. Vor 1925 war es bekannt, dass Protone und Elektronen eine Drehung von 1/2, und im Modell von Rutherford des Stickstoffs 14 hatten, sollten sich 20 der 21 Gesamtkernpartikeln bis dazu gepaart haben annullieren jede Drehung eines anderen, und die sonderbare Endpartikel sollte den Kern mit einer Nettodrehung von 1/2 verlassen haben. Rasetti hat jedoch entdeckt, dass Stickstoff 14 eine Drehung 1 hatte.

James Chadwick entdeckt das Neutron

1932 hat Chadwick begriffen, dass Radiation, die von Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène und Frédéric Joliot-Curie beobachtet worden war, wirklich wegen einer neutralen Partikel ungefähr derselben Masse wie das Proton war, dass er das Neutron (im Anschluss an einen Vorschlag über das Bedürfnis nach solch einer Partikel, durch Rutherford) genannt hat. In demselben Jahr hat Dmitri Ivanenko vorgeschlagen, dass Neutronen tatsächlich Drehung 1/2 Partikeln waren, und dass der Kern Neutronen enthalten hat, um die Masse nicht wegen Protone zu erklären, und dass es keine Elektronen im Kern — nur Protone und Neutronen gab. Die Neutrondrehung hat sofort das Problem der Drehung des Stickstoffs 14, als ein allein stehendes Proton und ein allein stehendes Neutron in diesem Modell behoben, jeder trägt eine Drehung von 1/2 in derselben Richtung, für eine Endgesamtdrehung 1 bei.

Mit der Entdeckung des Neutrons konnten Wissenschaftler schließlich das berechnen, welchen Bruchteil der Bindungsenergie jeder Kern, davon hatte, die Kernmasse mit diesem der Protone und Neutronen zu vergleichen, die es zusammengesetzt haben. Unterschiede zwischen Kernmassen wurden auf diese Weise berechnet und — als Kernreaktionen gemessen wurden — wurden gefunden, mit der Berechnung von Einstein der Gleichwertigkeit der Masse und Energie zur hohen Genauigkeit (innerhalb von 1 Prozent bezüglich 1934) übereinzustimmen.

Die Gleichungen von Proca des massiven Vektoren boson Feld

Alexandru Proca war erst, um den massiven Vektoren boson Feldgleichungen und eine Theorie des mesonic Feldes von Kernkräften zu entwickeln und zu melden. Die Gleichungen von Proca waren Wolfgang Pauli bekannt, der die Gleichungen in seiner Adresse von Nobel erwähnt hat, und sie auch Yukawa, Wentzel, Taketani, Sakata, Kemmer, Heitler und Fröhlich bekannt waren, der den Inhalt der Gleichungen von Proca geschätzt hat, für eine Theorie der Atomkerne in der Kernphysik zu entwickeln.

Das Meson von Yukawa hat verlangt, um Kerne zu binden

1935 hat Hideki Yukawa die erste bedeutende Theorie der starken Kraft vorgeschlagen zu erklären, wie der Kern zusammenhält. In der Wechselwirkung von Yukawa hat eine virtuelle Partikel, später genannt ein Meson, eine Kraft zwischen allen Nukleonen, einschließlich Protone und Neutronen vermittelt. Diese Kraft hat erklärt, warum sich Kerne unter dem Einfluss der Protonenrepulsion nicht aufgelöst haben, und es auch eine Erklärung dessen gegeben hat, warum die attraktive starke Kraft eine mehr beschränkte Reihe hatte als die elektromagnetische Repulsion zwischen Protonen. Später hat die Entdeckung des Pi-Mesons es gezeigt, um die Eigenschaften der Partikel von Yukawa zu haben.

Mit den Papieren von Yukawa war das moderne Modell des Atoms abgeschlossen. Das Zentrum des Atoms enthält einen dichten Ball von Neutronen und Protonen, der durch die starke Kernkraft zusammengehalten wird, wenn es nicht zu groß ist. Nicht stabile Kerne können Alpha-Zerfall erleben, in dem sie einen energischen Helium-Kern oder Beta-Zerfall ausstrahlen, in dem sie ein Elektron (oder Positron) vertreiben. Nach einem dieses Zerfalls kann der resultierende Kern in einem aufgeregten Staat verlassen werden, und in diesem Fall verfällt es zu seinem Boden-Staat durch das Ausstrahlen hoher Energiefotonen (Gammazerfall).

Die Studie der starken und schwachen Kernkräfte (die Letzteren, die von Enrico Fermi über die Wechselwirkung von Fermi 1934 erklärt sind), hat Physiker dazu gebracht, Kerne und Elektronen an jemals höheren Energien zu kollidieren. Diese Forschung ist die Wissenschaft der Partikel-Physik geworden, deren Kronjuwel das Standardmodell der Partikel-Physik ist, die die starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte beschreibt.

Moderne Kernphysik

Ein schwerer Kern kann Hunderte von Nukleonen enthalten, was bedeutet, dass mit etwas Annäherung er als ein klassisches System, aber nicht ein mit dem Quant mechanisches behandelt werden kann. Im resultierenden Modell des flüssigen Falls hat der Kern eine Energie, die teilweise aus der Oberflächenspannung und teilweise aus der elektrischen Repulsion der Protone entsteht. Das Modell des flüssigen Falls ist im Stande, viele Eigenschaften von Kernen, einschließlich der allgemeinen Tendenz der Bindungsenergie in Bezug auf die Massenzahl, sowie des Phänomenes der Atomspaltung wieder hervorzubringen.

Überlagert auf diesem klassischen Bild sind jedoch mit dem Quant mechanische Effekten, die mit dem Kernschalenmodell beschrieben werden können, das im großen Teil von Maria Goeppert-Mayer entwickelt ist. Kerne mit bestimmten Anzahlen von Neutronen und Protonen (die Zauberzahlen 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126...) sind besonders stabil, weil ihre Schalen gefüllt werden.

Andere mehr komplizierte Modelle für den Kern sind auch wie das aufeinander wirkende boson Modell vorgeschlagen worden, in dem Paare von Neutronen und Protonen als bosons analog Paaren von Cooper von Elektronen aufeinander wirken.

Viel aktuelle Forschung in der Kernphysik bezieht sich auf die Studie von Kernen unter äußersten Bedingungen wie hohe Drehung und Erregungsenergie. Kerne können auch äußerste Gestalten (ähnlich diesem von Rugby-Bällen) oder äußerste Verhältnisse des Neutrons zum Proton haben. Experimentatoren können solche Kerne schaffen, die künstlich veranlasste Fusion oder Nukleonenübertragungsreaktionen verwenden, Ion-Balken von einem Gaspedal verwendend.

Balken mit noch höheren Energien können verwendet werden, um Kerne bei sehr hohen Temperaturen zu schaffen, und es gibt Zeichen, dass diese Experimente einen Phase-Übergang von der normalen Kernsache bis einen neuen Staat, das Plasma des Quarks-gluon erzeugt haben, in dem die Quarke miteinander verschmelzen, anstatt in Drillingen getrennt zu sein, wie sie in Neutronen und Protonen sind.

Kernzerfall

Achtzig Elemente haben mindestens ein stabiles Isotop, das nie beobachtet ist, zu verfallen, sich auf insgesamt ungefähr 255 stabile Isotope belaufend. Jedoch sind Tausende von Isotopen charakterisiert worden, die nicht stabil sind. Diese Radioisotope Zerfall klettern mit der Zeit im Intervall von Bruchteilen einer Sekunde zu Wochen, Jahren, Milliarden von Jahren oder sogar Trillionen von Jahren.

Die Stabilität eines Kerns ist am höchsten, wenn sie in eine bestimmte Reihe oder Gleichgewicht der Zusammensetzung von Neutronen und Protonen fällt; zu wenige oder zu viele Neutronen können es veranlassen zu verfallen. Zum Beispiel, im Beta verfallen einen Stickstoff 16 Atom (7 Protone, 9 Neutronen) wird zu einem Sauerstoff 16 Atom (8 Protone, 8 Neutronen) innerhalb von ein paar Sekunden umgewandelt, geschaffen zu werden. In diesem Zerfall wird ein Neutron im Stickstoff-Kern in ein Proton und ein Elektron und ein Antineutrino durch die schwache Kernkraft umgewandelt. Das Element wird zu einem anderen Element in durch das Erwerben des geschaffenen Protons umgewandelt.

Im Alpha verfallen den radioaktiven Element-Zerfall durch das Ausstrahlen eines Helium-Kerns (2 Protone und 2 Neutronen), das Geben eines anderen Elements, plus Helium 4. In vielen Fällen geht dieser Prozess durch mehrere Schritte dieser Art einschließlich anderer Typen des Zerfalls weiter, bis ein stabiles Element gebildet wird.

Im Gammazerfall verfällt ein Kern von einem aufgeregten Staat in einen niedrigeren Energiestaat, durch das Ausstrahlen eines Gammastrahls. Das Element wird zu einem anderen Element im Prozess nicht geändert (keine Kernumwandlung wird beteiligt).

Anderer exotischerer Zerfall ist möglich (sieh den Hauptartikel). Zum Beispiel, im inneren Umwandlungszerfall, kann die Energie von einem aufgeregten Kern verwendet werden, um eines der inneren Augenhöhlenelektronen vom Atom in einem Prozess zu vertreiben, der hohe Geschwindigkeitselektronen erzeugt, aber nicht ist, wandelt Beta-Zerfall, und (verschieden vom Beta-Zerfall) ein Element zu einem anderen nicht um.

Kernfusion

In der Kernfusion treten zwei niedrige Massenkerne in sehr nahen Kontakt mit einander ein, so dass die starke Kraft sie verschmilzt. Es verlangt einem großen Betrag der Energie, die Repulsion zwischen den Kernen für die starken oder Kernkräfte zu überwinden, um diese Wirkung zu erzeugen, deshalb kann Kernfusion nur bei sehr hohen Temperaturen oder Hochdruck stattfinden. Sobald der Prozess erfolgreich ist, wird ein sehr großer Betrag der Energie veröffentlicht, und der vereinigte Kern nimmt ein niedrigeres Energieniveau an. Die Bindungsenergie pro Nukleon nimmt mit der Massenzahl herauf bis Nickel 62 zu. Sterne wie die Sonne werden durch die Fusion von vier Protonen in einen Helium-Kern, zwei Positronen und zwei neutrinos angetrieben. Die nicht kontrollierte Fusion von Wasserstoff in Helium ist als thermonuklearer Ausreißer bekannt. Eine Grenze in der aktuellen Forschung an verschiedenen Einrichtungen, zum Beispiel Joint European Torus (JET) und ITER, ist die Entwicklung einer wirtschaftlich lebensfähigen Methode, Energie von einer kontrollierten Fusionsreaktion zu verwenden.

Natürliche Kernfusion ist der Ursprung des Lichtes und der Energie, die durch den Kern aller Sterne einschließlich unserer eigenen Sonne erzeugt ist.

Atomspaltung

Atomspaltung ist der Rückprozess der Fusion. Für Kerne, die schwerer sind als Nickel 62, nimmt die Bindungsenergie pro Nukleon mit der Massenzahl ab. Es ist deshalb für die Energie möglich, veröffentlicht zu werden, wenn ein schwerer Kern in zwei leichtere auseinander bricht.

Der Prozess des Alpha-Zerfalls ist hauptsächlich ein spezieller Typ der spontanen Atomspaltung. Dieser Prozess erzeugt eine hoch asymmetrische Spaltung, weil die vier Partikeln, die das Alphateilchen zusammensetzen, besonders zu einander dicht gebunden werden, Produktion dieses Kerns in der Spaltung besonders wahrscheinlich machend.

Für bestimmte von den schwersten Kernen, die Neutronen auf der Spaltung erzeugen, und die auch leicht Neutronen absorbieren, um Spaltung zu beginnen, kann ein sich selbstentzündender Typ der neutroneingeführten Spaltung in einer so genannten Kettenreaktion erhalten werden. Kettenreaktionen waren in der Chemie vor der Physik bekannt, und tatsächlich sind viele vertraute Prozesse wie Feuer und chemische Explosionen chemische Kettenreaktionen. Die Spaltung oder "Kern"-Kettenreaktion, mit Spaltungserzeugten Neutronen, sind die Energiequelle für Kernkraftwerke und Spaltungstyp-Atombomben, wie diejenigen, die durch die Vereinigten Staaten in Hiroshima und Nagasaki, Japan am Ende des Zweiten Weltkriegs explodieren lassen sind. Schwere Kerne wie Uran und Thorium können spontane Spaltung erleben, aber sie werden viel mit größerer Wahrscheinlichkeit Zerfall durch den Alpha-Zerfall erleben.

Für eine neutroneingeführte Kettenreaktion, vorzukommen, muss es eine kritische Masse der Element-Gegenwart in einem bestimmten Raum unter bestimmten Bedingungen geben (diese Bedingungen verlangsamen und erhalten Neutronen für die Reaktionen). In zwei Gebieten von Oklo, Gabon, Afrika, waren natürliche Atomspaltungsreaktoren vor mehr als 1.5 Milliarden Jahren aktiv. Maße der natürlichen Neutrino-Emission haben demonstriert, dass sich ungefähr Hälfte der Hitze, die vom Kern der Erde ausgeht, aus radioaktivem Zerfall ergibt. Jedoch ist es nicht bekannt, ob sich einige davon aus Spaltungskettenreaktionen ergibt.

Produktion von schweren Elementen

Gemäß der Theorie, weil das Weltall nach dem Urknall kühl geworden ist, ist es schließlich möglich für allgemeine subatomare Partikeln geworden, weil wir sie (Neutronen, Protone und Elektronen) wissen zu bestehen. Die allgemeinsten Partikeln haben im Urknall geschaffen, die noch zu uns leicht erkennbar sind, heute waren Protone und Elektronen (in gleichen Anzahlen). Die Protone würden schließlich Wasserstoffatome bilden. Fast alle im Urknall geschaffenen Neutronen wurden mit Helium 4 in den ersten drei Minuten nach dem Urknall und diesem Helium Rechnungen für den grössten Teil des Heliums im Weltall heute vereinigt (sieh Urknall nucleosynthesis).

Ein Bruchteil von Elementen außer Helium wurde im Urknall geschaffen, weil die Protone und Neutronen mit einander kollidiert haben (Lithium, Beryllium, und vielleicht etwas Bor), aber alle "schwereren Elemente" (schwerer als Kohlenstoff, Element Nummer 6), dass wir heute sehen, wurden innerhalb von Sternen während einer Reihe von Fusionsstufen, wie die Protonenproton-Kette, der CNO Zyklus und der Prozess des dreifachen Alphas geschaffen. Progressiv schwerere Elemente werden während der Evolution eines Sterns geschaffen.

Seit der Bindungsenergie pro Nukleonenspitzen um Eisen wird Energie nur in Fusionsprozessen veröffentlicht, die unter diesem Punkt vorkommen. Da die Entwicklung von schwereren Kernen durch die Fusion Energie kostet, sucht Natur den Prozess der Neutronfestnahme auf. Neutronen (wegen ihres Mangels an der Anklage) sind von einem Kern sogleich gefesselt. Die schweren Elemente werden von irgendeinem ein langsamer Neutronfestnahme-Prozess (der so genannte S-Prozess) oder durch das schnelle, oder R-Prozess geschaffen. Der S-Prozess kommt in thermisch pulsierenden Sternen vor (hat AGB oder asymptotische riesige Zweigsterne genannt), und bringt Hunderte in Tausende von Jahren, um die schwersten Elemente der Leitung und des Wismuts zu erreichen. Wie man denkt, kommt der R-Prozess in Supernova-Explosionen vor, weil die Bedingungen der hohen Temperatur, des hohen Neutronflusses und der vertriebenen Sache da sind. Diese Sternbedingungen machen die aufeinander folgenden Neutronfestnahmen sehr schnell, sehr neutronreiche Arten einschließend, die dann der Beta-Zerfall zu schwereren Elementen, besonders an den so genannten wartenden Punkten, die stabilerem nuclides mit geschlossenen Neutronschalen (Zauberzahlen) entsprechen.

Siehe auch

• Isomere Verschiebung
• Neutrondegenerierte Sache
• Kernsache
• Kernmodell
• Kernreaktor-Physik
• QCD Sache

Bibliografie

• Kernphysik durch Irving Kaplan 2. Ausgabe, 1962 Addison-Wesley
• Allgemeine Chemie durch Linus Pauling 1970 Bar von Dover. Internationale Standardbuchnummer 0-486-65622-5
• Einleitende Kernphysik durch die Bar Kenneth S. Krane. Wiley

Links

• Amerikanische Kerngesellschaft
• Reaktorwerk des kochenden Wassers, BWR Simulator-Programm
• Kommentierte Bibliografie auf der Kernphysik von der Alsos Digitalbibliothek für Kernprobleme
• Nucleonica. Web gesteuerte Kernwissenschaft
• Kernwissenschaft wiki
• Kerndatendienstleistungen - IAEO