Nükleer fizik

Nükleer fizik, atom çekirdeğini ve bunların bileşenlerini ve etkileşimlerini inceleyen fizik alanıdır. Diğer nükleer madde biçimleri de incelenmiştir. Nükleer fizik, atomu elektronları dahil bir bütün olarak inceleyen atom fiziği ile karıştırılmamalıdır.

Nükleer fizikteki keşifler birçok alanda uygulamaya yol açmıştır. Buna nükleer enerji, nükleer silahlar, nükleer tıp ve manyetik rezonans görüntüleme, endüstriyel ve tarımsal izotoplar, malzeme mühendisliğinde iyon implantasyonu ve jeoloji ve arkeolojide radyokarbon tarihleme dahildir. Bu tür uygulamalar nükleer mühendislik alanında incelenir.

Parçacık fiziği nükleer fiziğin dışında gelişti ve iki alan genellikle yakın ilişki içinde öğretilir. Nükleer fiziğin astrofiziğe uygulanması olan nükleer astrofizik, yıldızların iç işleyişini ve kimyasal elementlerin kökenini açıklamada çok önemlidir.

Tarihçe

Atom fiziğinden farklı bir disiplin olarak nükleer fiziğin tarihi, uranyum tuzlarında fosforesansı araştırırken Henri Becquerel'in 1896'da radyoaktiviteyi keşfetmesiyle başlar. Elektronun bir yıl sonra J. J. Thomson tarafından keşfedilmesi, atomun iç yapıya sahip olduğunun bir göstergesiydi. 20. yüzyılın başında kabul edilen atom modeli, J. J. Thomson'ın atomun, içinde daha küçük negatif yüklü elektronların gömülü olduğu pozitif yüklü bir top olduğu "erikli puding" modeliydi.

Sonraki yıllarda, radyoaktivite, özellikle Marie Curie, Pierre Curie, Ernest Rutherford ve diğerleri tarafından kapsamlı bir şekilde araştırıldı. Yüzyılın başında fizikçiler, alfa, beta ve gama radyasyonu olarak adlandırdıkları atomlardan yayılan üç tür radyasyon keşfettiler. Otto Hahn'ın 1911'de ve James Chadwick'in 1914'te yaptığı deneyler, beta bozunma spektrumunun kesikli olmaktan çok sürekli olduğunu keşfetti. Yani, elektronlar, gama ve alfa bozunmalarında gözlemlenen ayrık enerji miktarlarından ziyade atomdan sürekli bir enerji aralığı ile fırlatıldı. Bu, o zamanlar nükleer fizik için bir problemdi, çünkü bu bozulmalarda enerjinin korunmadığını gösteriyor gibiydi.

1903 Nobel Fizik Ödülü, keşfi için Becquerel'e ve radyoaktivite konusundaki sonraki araştırmaları için Marie ve Pierre Curie'ye ortaklaşa verildi. Rutherford, "elementlerin parçalanması ve radyoaktif maddelerin kimyası üzerine yaptığı araştırmalar" nedeniyle 1908'de Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü.

1905'te Albert Einstein, kütle-enerji denkliği fikrini formüle etti. Becquerel ve Marie Curie'nin radyoaktivite üzerine yaptığı çalışma bundan önce gelse de, radyoaktivite enerjisinin kaynağının bir açıklaması, çekirdeğin kendisinin daha küçük bileşenlerden, nükleonlardan oluştuğunun keşfini beklemek zorunda kalacaktı.

Rutherford'un ekibi çekirdeği keşfediyor

1906'da Ernest Rutherford, "Maddeden geçerken Radyumdan α Parçacık Işınımı" nı yayınladı. Hans Geiger, alfa parçacıklarını havadan, alüminyum folyo ve altın yapraktan geçirerek kendisinin ve Rutherford'un yaptığı deneylerle Kraliyet Cemiyeti ile iletişim kurarak bu çalışmayı genişletti. 1909'da Geiger ve Ernest Marsden tarafından daha fazla çalışma yayınlandı ve daha da genişletilmiş çalışma 1910'da Geiger tarafından yayınlandı. 1911-1912'de Rutherford, deneyleri açıklamak ve şimdi anladığımız şekliyle atom çekirdeğinin yeni teorisini ileri sürmek için Kraliyet Cemiyeti'nin önüne geçti.

Bu duyurunun arkasındaki temel deney 1910'da Manchester Üniversitesi'nde gerçekleştirildi: Ernest Rutherford'un ekibi, Rutherford'un gözetiminde Geiger ve Marsden'in ince bir altın folyo filminde alfa parçacıkları (helyum çekirdekleri) ateşlediği olağanüstü bir deney gerçekleştirdi. Erikli puding modeli, alfa parçacıklarının yörüngeleri en fazla hafifçe bükülmüş şekilde folyodan çıkması gerektiğini öngörmüştü. Ancak Rutherford, ekibine, gözlemlemesi için kendisini şok edecek bir şey aramaları talimatını verdi: birkaç parçacık, bazı durumlarda tamamen geriye doğru bile geniş açılarla dağılmıştı. Bunu, kağıt mendillere bir mermi ateşlemeye ve zıplamasına benzetti. Rutherford'un 1911'deki verileri analiz etmesiyle keşif, atomun çok küçük, kütlesinin çoğunu içeren çok yoğun bir çekirdeğe sahip olduğu Rutherford atom modeline yol açtı yükü dengelemek için (nötron bilinmediği için) gömülü elektronlara sahip ağır pozitif yüklü parçacıklardan oluşur. Örnek olarak, bu modelde (modern model değil) nitrojen-14, 14 protonlu ve 7 elektronlu (toplam 21 parçacık) bir çekirdekten oluşuyordu ve çekirdek 7 tane daha yörüngeli elektronla çevriliydi.

1920 civarında Arthur Eddington, Yıldızların İç oluşumu adlı makalesinde yıldızlarda nükleer füzyon süreçlerinin keşfini ve mekanizmasını öngördü. O zamanlar, yıldız enerjisinin kaynağı tam bir muammaydı; Eddington, kaynağın hidrojenin helyuma kaynaşması ve Einstein'ın E = mc² denklemine göre muazzam bir enerji açığa çıkarması olduğunu doğru bir şekilde tahmin etti. Bu özellikle dikkate değer bir gelişmeydi çünkü o zamanlar füzyon ve termonükleer enerji ve yıldızların büyük ölçüde hidrojenden oluşması (metalikliğe bakınız) henüz keşfedilmemişti.

Rutherford modeli, 1929'da California Teknoloji Enstitüsü'nde Franco Rasetti tarafından nükleer spin çalışmaları yapılana kadar oldukça iyi çalıştı. 1925'e gelindiğinde, protonların ve elektronların her birinin  ± ¹⁄₂'lik bir dönüşe sahip olduğu biliniyordu. Rutherford nitrojen-14 modelinde, toplam 21 nükleer partikülden 20'si, birbirlerinin dönüşünü iptal etmek için eşleşmiş olmalıydı ve son tek partikül, çekirdeği  ¹⁄₂'lik bir net dönüşle terk etmiş olmalıydı. Ancak Rasetti, nitrojen-14'ün dönüşünün 1 olduğunu keşfetti.

James Chadwick nötronu keşfeder

1932'de Chadwick, Walther Bothe, Herbert Becker, Irène ve Frédéric Joliot-Curie tarafından gözlemlenen radyasyonun aslında protonla yaklaşık aynı kütleye sahip nötr bir parçacıktan kaynaklandığını fark etti nötron adını verdiğini (Rutherford'un böyle bir parçacığın gerekliliğiyle ilgili bir önerisini izleyerek). Aynı yıl Dmitri Ivanenko, çekirdekte elektron olmadığını - sadece protonlar ve nötronlar - ve nötronların  ¹⁄₂ spin parçacıkları olduğunu ve bu da kütlenin protonlardan kaynaklanmadığını açıkladı. Nötron dönüşü, nitrojen-14'ün dönüşü sorununu hemen çözdü, çünkü bu modeldeki eşleşmemiş bir proton ve eşleşmemiş bir nötronun her biri aynı yönde  ¹⁄₂'lik bir dönüşe katkıda bulunarak son toplam 1 dönüş verdi.

Nötronun keşfi ile bilim adamları, nükleer kütleyi onu oluşturan proton ve nötronların kütlesiyle karşılaştırarak, sonunda her bir çekirdeğin bağlanma enerjisinin ne kadarlık bir kısmına sahip olduğunu hesaplayabildiler. Nükleer kütleler arasındaki farklar bu şekilde hesaplandı. Nükleer reaksiyonlar ölçüldüğünde, bunların Einstein'ın 1934 itibariyle %1 içinde kütle ve enerji denkliği hesaplamasına uygun olduğu bulundu.

Proca'nın büyük vektör bozon alanı denklemleri

Alexandru Proca, büyük vektör bozon alan denklemlerini ve nükleer kuvvetlerin mesonik alanı teorisini geliştiren ve raporlayan ilk kişiydi. Proca'nın denklemleri Nobel adresindeki denklemlerden bahseden Wolfgang Pauli tarafından biliniyordu ve bunlar Yukawa, Wentzel, Taketani, Sakata, Kemmer, Heitler tarafından da biliniyordu ve Nükleer Fizikte atom çekirdeği teorisi geliştirmek için Proca denklemlerinin içeriğini takdir eden Fröhlich oldu.

Yukawa'nın mezonunun çekirdeği bağladığı varsayıldı

1935'te Hideki Yukawa, çekirdeğin nasıl bir arada tuttuğunu açıklamak için güçlü kuvvetin ilk önemli teorisini önerdi. Yukawa etkileşiminde, daha sonra mezon olarak adlandırılan sanal bir parçacık, protonlar ve nötronlar da dahil olmak üzere tüm nükleonlar arasında bir kuvvete aracılık etti. Bu kuvvet, çekirdeğin neden proton itme etkisi altında parçalanmadığını açıkladı ve aynı zamanda çekici güçlü kuvvetin, protonlar arasındaki elektromanyetik itmeden daha sınırlı bir menzile sahip olduğunu da açıkladı. Daha sonra pi mezonun keşfi, onun Yukawa'nın parçacığının özelliklerine sahip olduğunu gösterdi.

Yukawa'nın kağıtları ile modern atom modeli tamamlandı. Atomun merkezinde, çok büyük olmadığı sürece güçlü nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulan sıkı bir nötron ve proton topu bulunur. Kararsız çekirdekler, içinde bir elektron (veya pozitron) fırlattıkları enerjik bir helyum çekirdeği veya beta bozunması yaydıkları alfa bozunmasına uğrayabilir. Bu bozunmalardan birinin ardından, ortaya çıkan çekirdek uyarılmış bir durumda bırakılabilir ve bu durumda, yüksek enerjili fotonlar (gama bozunması) yayarak temel durumuna bozunur.

Güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerin incelenmesi (ikincisi Enrico Fermi tarafından 1934'te Fermi'nin etkileşimi yoluyla açıklanmıştır) fizikçilerin çekirdek ve elektronları daha yüksek enerjilerde çarpışmasına yol açtı. Bu araştırma, güçlü, zayıf ve elektromanyetik kuvvetleri tanımlayan, parçacık fiziğinin standart modelinin baş mücevheri olan parçacık fiziği bilimi haline geldi.