Kas yra branduolinė fizika: atomo branduolio apibrėžimas ir pagrindai

Branduolinė fizika yra fizikos dalis, tirianti atomo branduolį. Viskas Žemėje sudaryta iš atomų; jie yra mažiausia cheminio elemento dalis, vis dar turinti tam tikro elemento savybių. Kai du ar daugiau atomų susijungia, jie sukuria vadinamąją molekulę, kuri yra mažiausia cheminio junginio dalis, vis dar turinti konkretaus junginio savybių. Atomų struktūros supratimas yra labai svarbus tokiuose moksluose kaip fizika, chemija, biologija ir kt.

Atomo branduolio apibrėžimas ir sudėtis

Atomo branduolys yra centrinė atomo dalis, kurioje telkiasi beveik visa jo masė. Branduolį sudaro dvi pagrindinės dalelės:

• Protonai – teigiamai įkrautos dalelės; jų skaičius (žymimas Z) lemia cheminio elemento tapatybę.
• Neutronai – elektriškai neutralios dalelės; kartu su protonais jie sudaro branduolio masės skaičių (A = Z + N).

Branduolio dydis yra labai mažas — apie kelių femtometrų (1 fm = 10⁻¹⁵ m) spindulys — tačiau jo poveikis atomui ir materijos elgsenai yra lemiamas.

Izotopai ir branduolio stabilumas

To paties elemento atomai gali turėti skirtingą neutronų skaičių; tokius variantus vadiname izotopais. Izotopų savybės skiriasi: vieni yra stabilūs, kiti — radioaktyvūs. Branduolio stabilumą lemia jėgos, veikiančios tarp protonų ir neutronų:

• Stiprioji branduolinė jėga — trumpa, bet labai stipri traukiamoji jėga, kuri laiko nukleonus kartu.
• Elektromagnetinė jėga — stumia protonus vienas nuo kito; didelis protonų skaičius gali sumažinti stabilumą.

Branduolinė energija ir masės defektas

Branduoliuose saugoma didelė energija. Kai nukleonai susijungia arba skyla, dalis masės pavirsta energija pagal Einsteino formulę E = mc². Šis reiškinys paaiškina, kodėl branduolinės reakcijos (tiek skilimas, tiek sintezė) išskiria arba sugeria žymiai daugiau energijos nei cheminės reakcijos. Masės defektu vadinama skirtumas tarp atskirų nukleonų masės ir tikrosios branduolio masės — tai energija, susieta branduolyje kaip ryšio energija.

Radioaktyvumas ir branduolinės reakcijos

Branduoliai, kurie nėra stabilūs, gali savaime keistis – tai vadinama radioaktyvumu. Pagrindiniai radioaktyvaus skilimo tipai:

• α-skilimas (alfa) – branduolys išskiria helio branduolį (2 protonai + 2 neutronai).
• β-skilimas (beta) – neutronas virsta protonu arba atvirkščiai, išsiskiria β dalelė (elektronas arba pozitronas) ir neutrinas.
• γ-skylimas (gama) – pagrindinės dalelės išlieka, bet branduolys išskiria energingus fotonus (gama spinduliuotę).

Be natūralaus skilimo, branduolinės reakcijos gali būti sukeliančios bombardavimo dalelėmis (neutronais, protonais). Dvi svarbios reakcijos formos:

• Branduolio skilimas (fission) – sunkus branduolys skeliasi į mažesnius branduolius, išskirdamas didelį kiekį energijos ir neutronų.
• Branduolių sintezė (fusion) – lengvų branduolių susijungimas į sunkesnį, kartu išskiriant labai daug energijos (tokie procesai vyksta žvaigždėse, įskaitant Saulę).

Tyrimų metodai ir eksperimentai

Branduolinė fizika remiasi pažangiais instrumentais ir metodais:

• Partiklių greitintuvai (ciklotronai, sinchrotronai) – leidžia tirti branduolius bombarduojant juos didelės energijos dalelėmis.
• Detektoriai – skirti fiksuoti išskirtą spinduliuotę ir susidariusias daleles (skaitmeniniai skaitikliai, scintiliatoriai, puslaidininkiniai detektoriai).
• Spektroskopija ir masės spektrometrija – naudojama branduolių energijų, skilimo produktų ir izotopų nustatymui.

Taikymas kasdieniame gyvenime

Branduolinė fizika turi daug praktinių taikymų:

• Energetika – branduolinės elektrinės naudoja skilimą elektros energijai gaminti.
• Medicina – diagnostikoje (PET, SPECT) ir gydyme (radioterapija) naudojamos radioaktyvios medžiagos bei spinduliuotė.
• Pramonė ir žemės ūkis – radioizotopų panaudojimas medžiagų tyrimuose, sterilizacijoje, derliaus saugojime.
• Moksliniai tyrimai – branduolinė fizika padeda suprasti materijos struktūrą, kosmologinius procesus ir kurti naujas technologijas.

Sauga, atliekos ir etiniai aspektai

Branduolinė veikla kelia saugos ir aplinkosaugos klausimus. Svarbūs punktai:

• radiacijos pavojus žmonėms ir aplinkai, todėl būtina laikytis apsaugos standartų;
• ilgai radioaktyvios atliekos ir jų saugus saugojimas;
• branduolinio ginklavimosi kontrolė ir neplatinimo politika;
• rizikos ir naudos vertinimas priimant sprendimus dėl branduolinės energetikos ar kitų taikymų.

Santrauka

Branduolinė fizika tiria atomo branduolio sudėtį, jėgas, kurių pagalba jis išlieka stabilus arba suyra, bei energijos konversijas, kurios lemia daug galingų procesų gamtoje ir technologijose. Supratimas apie branduolinę fiziką leidžia kurti medicinos, energetikos ir pramonės sprendimus, bet reikalauja atsakingo požiūrio į saugą ir aplinkos apsaugą.

Atomai

Struktūra

Atomai sudaryti iš elektronų, neutronų ir protonų. Protonai ir neutronai yra atomo centre, kuris vadinamas branduoliu. Protonai ir neutronai yra sunkiausia atomo dalis ir sudaro didžiąją jo masės dalį. Elektronai labai greitai juda aplink branduolį, sudarydami vadinamąjį elektronų debesį. Elektronų debesis turi labai mažą masę, tačiau jis užima didžiąją dalį atomo erdvės. Elektronai turi neigiamą krūvį, o protonai - teigiamą. Dėl atome esančių krūvių atomas laikosi kartu - dėl atome esančių elektros krūvių traukos.

Savybės

Atomai pasižymi skirtingomis savybėmis, išskiriančiomis vieną atomą iš kito ir parodančiomis, kaip kiekvienas atomas gali keistis skirtingomis sąlygomis. Šios savybės yra atominis skaičius, masės skaičius, atominė masė ir svoris bei izotopai.

Veikiančios jėgos

Atome yra trys pagrindinės jėgos, kurios išlaiko atomus kartu: elektromagnetinė jėga, stiprioji jėga ir silpnoji jėga. Elektromagnetinė jėga išlaiko elektronus atome. Stiprioji jėga išlaiko protonus ir neutronus branduolyje. Silpnoji jėga kontroliuoja atomo skilimą.

Kvantas

XX a. pradžioje mokslininkams buvo sunku paaiškinti atomų elgseną, naudojantis turimomis žiniomis apie materiją. Todėl, norėdami tai išspręsti, jie sukūrė visiškai naują požiūrį į materiją ir energiją ir pavadino jį kvantine teorija. Kvantinė teorija paaiškina, kaip materija veikia ir kaip dalelė, ir kaip banga.

Radiacija

Atomai skleidžia spinduliuotę, kai jų elektronai praranda energiją ir nukrenta į žemesnes orbitales. Energijos skirtumas tarp orbitalių lemia tam tikros spinduliuotės bangos ilgį. Šią spinduliuotę gali rodyti regimoji šviesa arba trumpesnio ilgio bangos.

·         v ·         t ·         e Branduolinė fizika

Šaltoji sintezė - Branduolinė energija - Branduolinis sprogimas - Branduolinis skilimas - Branduolinis kuras - Branduolinė sintezė - Branduolinė fizika - Branduolinė reakcija - Branduolinis reaktorius

Valdžios institucijų kontrolė

BNF: cb11937695b (duomenys) GND: 4030340-8 LCCN: sh85093024 NARA: 10642231 NDL: 00917544 SUDOC: 027306186

Atomo modelis.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra branduolinė fizika?

K: Iš ko sudaryti atomai?

K: Kas atsitinka, kai susijungia du ar daugiau atomų?

K: Kodėl svarbu suprasti atomo sandarą?

K: Kokie maži yra atomai?

Paieška pagal raidę