Nuklearna fizika

Nuklearna fizika je grana fizike koja proučava pojave na redu veličine na jezgra atoma. Nuklearna fizika proučava jaku nuklearnu silu i nuklearne reakcije, pojave radioaktivnosti, nuklearnu fisiju i fuziju. Nuklearna fizika kao oblast predstavlja osnovu na kojoj je izgrađena fizika elementarnih čestica. Enriko Fermi je formulisao teoriju slabe interakcije 1932. Iste godine otkriven je neutron, koji je započeo proučavanje atomskog jezgra. Kvantna mehanika otkrivena na atomskom nivou našla je punu primenu u istraživanju nove, nuklearne sile, odgovorne za vezivanje protona i neutrona u atomskim jezgrima. Uporedo sa razumevanjem nuklearne spektroskopije i nuklearnih reakcija otkriveno je nuklearno cepanje i fuzija zastrašujućim vojnim primenjivanjima, ali takođe je objašnjeno poreklo zvjezdanih izvora energije u reakcijama fuzije unutar zvijezda.

Istorija

Radioaktivnost je otkrio 1896. francuski naučnik Anri Bekerel dok je radio na fosforoscentnim materijalima. Ovi materijali svetle u mraku nakon izlaganja svetlu, i on je mislio da bi sjaj proizveden u katodnim zračnim cevima (cathode ray tubes) od strane X-zraka mogao nekako biti povezan sa fosforoscencijom. Zato je pokušao da uvije fotografsku pločicu (plate) u crnu hartiju i da stavi razne fosforoscentne minerale na nju. Svi rezultati su bili negativni dok nije isprobao korišćenje uranijumovih soli. Rezultat sa ovim jedinjenjima je bilo duboko crnjenje pločice.

Ipak, ubrzo je postalo jasno da crnjenje pločice nema nikakve veze sa fosforoscencijom jer je ona crnela kada je mineral držan u mraku. Takođe ne-fosforoscentne soli uranijuma pa i metalski (metallic) uranijum su pocrnjivali pločicu. Bilo je jasno da postoji neka nova vrsta zračenja koja je mogla da prođe kroz papir koja je uzrokovala crnjenje pločice (U mnogim knjigama piše da je Bekerel slučajno otkrio radioaktivnost.)

Prvobitno se činilo da je ovo novo zračenje bilo slično nedavno otkrivenim x-zracima. Ipak kasnija istraživanja Bekerela, Pjera Kirija, Marije Kiri, Ernesta Raderforda i drugih su otkrila tri različite vrste radioaktivnosti: alfa, beta i gama raspad. Ovi istraživači su takođe otkrili da mnogi drugi hemijski elementi imaju radioaktivne izotope.

Opasnosti radioaktivnosti nisu odmah otkrivene. Akutno trovanje radijacijom je brzo otkriveno, ali je početna pretpostavka bila da, kao kod vatre, ako se odmah ne primeti efekat, nema opasnosti. Štaviše nije se znalo da će ako se unesu u telo, radioaktivni materijali nastaviti da zrače unutar tela, često prouzrokujući kancer ili druge ozbiljne probleme. Mnogi lekari i firme su počeli da reklamiraju radioaktivne supstance kao sredstvo lečenja; jedan posebno zbunjujuću primer je bilo lečenje klistiranjem radijumom. Marija Kiri je pred smrt govorila protiv ovakve vrste lečenja, upozoravajući da efekti radijacije na ljudsko telo još nisu dobro ispitani.

Za vreme Drugog svetskog rata, se došlo na ideju da bi se energija koju radioaktivnost oslobađa mogla koristiti kao oružje za masovno uništenje. I sile osovine i savezničke snage su započele projekte u cilju razvoja ovakvog oružja; Projekat Menhetn u SAD se na kraju pokazao uspešnim. Dve od prve tri bombe koje su proizvedene su bačene na Japan; tada je planirano da se proizvodnja ubrza na oko jednu bombu nedeljno, ali se Japan predao pre nego što je još atomskih bombi bačeno.

Za vreme Drugog svetskog rata i u ranom Hladnom ratu je nastavljen razvoj nuklearne tehnologije, dok se malo pažnje obraćalo na dugoročne opasnosti radijacije i radioaktivne kontaminacije. Jači otpad nastao proizvodnjom uranijuma je skladišten u velike tankove sa rokom trajnosti od samo par decenija, i nije bilo planova za dugoročnije skladištenje dok je manje jakom otpadu dopušteno da procuri u zemljište bez temeljnih proračuna o dugoročnim posledicama. Mnoga nuklearna oružja su testirana u atmosferi (to jest iznad površine Zemlje), što je oslobodilo dovoljno radioaktivnog materijala da veoma značajno podigne svetski nivo pozadinskog zračenja. Konačno je sporazum o ograničenim probama prekinuo ove probe u SAD i Sovjetskom Savezu (mada su podzemne probe nastavljene u obe zemlje, a Francuska i Kina su nastavile atmosferske probe još dugo vremena).

Zatim su razvijeni nuklearni reaktori za korišćenje u podmornicama, brodovima i za komercijalnu upotrebu. Od 1960-ih, protivnici nuklearne energije su tvrdili da dugoročno izlaganje niskim nivoima zračenja može da dovede do ozbiljnih zdravstvenih problema, i da radioaktivna kontaminacija iz životne okoline može da pređe na ljude dovodeći do ovakvih dugoročnih izlaganja. Ove tvrdnje su ostale kontroverzne. Usled ovih tvrdnji javna zabrinutost je dramatično porasla, sigurnosne mere su pojačane, a korišćenje radioaktivnih materijala poput torijuma u plinskim mrežicama (gas mantles) je smanjeno.

Javna zabrinutost je znatno porasla usled nuklearnih nezgoda i ekoloških katastrofa, posebno nakon događaja u nuklearnim elektranama Ostrvo tri milje (Three Mile Island) i Černobilj.

Ova zabrinutost se u mnogim slučajevima sastoji iz neznalačkog straha od svega što u svom imenu sadrži odrednicu „nuklearno“. Na primer, nuklearno magnetno rezonantna spektroskopija (nuclear magnetic resonance imaging spectroscopy) (NMRI), koja nema nikakve veze sa radioaktivnošću je preimenovana u magnetnu rezonancu (magnetic resonance imaging) (MRI) da bi se se ugušio javni strah.

Radioaktivni izotopi i dalje imaju mnoge značajne primene, uključujući praćenje bioloških procesa u ljudskom telu za potrebe dijagnostike, očuvanje hrane u teglama ubijanjem bakterija i određivanje starosti geoloških nalaza bazirano na procenama o brzini raspada izotopa. Od ovih primena, pa do upotrebe nuklearne energije, nuklearna tehnologija je još uvek u širokoj upotrebi uprkos javnoj zabrinutosti. Izgradnja novih reaktora se nastavlja, posebno u Aziji, kao i razvoj novih tipova reaktora koji koriste nuklearnu fisiju i nuklearnu fuziju.

Savremena nuklearna fizika

Teško jezgro može sadržati stotine nukleona. To znači da se sa izvesnom aproksimacijom može tretirati kao klasični sistem, a ne kao kvantno-mehanički. U rezultujućem modelu kapi tečnosti, jezgro ima energiju koja delimično proizlazi iz površinskog napona, a delimično iz električne odbojnosti protona. Model kapljica tečnosti može je da reprodukuje mnoga svojstva jezgara, uključujući opšti trend energije vezivanja u odnosu na maseni broj, kao i fenomen nuklearne fisije.

Međutim, na ovu klasičnu sliku se može gledati i sa perspektive kvantno-mehaničkih efekata, koji se mogu opisati pomoću modela nuklearne ljuske, koji su velikim delom razvili Marija Gepert-Majer i J. Hans D. Jensen. Nukleusi sa određenim „magičnim” brojem neutrona i protona su posebno stabilni, jer su njihove ljuske ispunjene.

Takođe su predloženi i drugi složeniji modeli za jezgro, kao što je interaktivni bozonski model, u kojem parovi neutrona i protona deluju kao bozoni, analogno Kuperovim parovima elektrona.

Ab initio metode pokušavaju da reše nuklearni problem mnogih tela iz osnova, počevši od nukleona i njihovih interakcija.

Mnoga trenutna istraživanja u nuklearnoj fizici odnose se na proučavanje jezgara u ekstremnim uslovima kao što su velike spinske i ekscitacione energije. Nukleusi takođe mogu imati ekstremne oblike (slične onima kod ragbi lopti ili čak krušaka) ili ekstremne odnose neutrona i protona. Eksperimentalisti mogu stvoriti takva jezgra koristeći veštački izazvanu fuziju ili reakcije prenosa nukleona, koristeći jonske zrake iz akceleratora. Zraci sa još većim energijama mogu se koristiti za stvaranje jezgara na vrlo visokim temperaturama, a postoje znaci da su ovi eksperimenti proizveli fazni prelaz iz normalne nuklearne materije u novo stanje, kvarkno-gluonsku plazmu, u kojoj se kvarkovi međusobno mešaju, umesto da budu razdvojeni u triplete kao što su u neutronima i protonima.

Nuklearni raspad

Osamdeset elemenata ima najmanje jedan stabilan izotop za koji se nikada ne primećuje da se raspada, što ukupno iznosi oko 251 stabilna nuklida. Međutim, hiljade izotopa su okarakterisane kao nestabilne. Ovi „radioizotopi“ se raspadaju tokom vremenskih skala u rasponu od delića sekunde do triliona godina. Ucrtana na grafikon kao funkcija atomskih i neutronskih brojeva, energija vezivanja nuklida formira ono što je poznato dolina stabilnosti. Stabilni nuklidi leže po dnu ove energetske doline, dok sve nestabilniji nuklidi leže uz zidove doline, odnosno imaju slabiju energiju vezivanja.

Najstabilnija jezgra spadaju u određene opsege ili ravnoteže sastava neutrona i protona: premalo ili previše neutrona (u odnosu na broj protona) će dovesti do njegovog raspada. Na primer, u beta raspadu, atom azota-16 (7 protona, 9 neutrona) se pretvara u atom kiseonika-16 (8 protona, 8 neutrona) u roku od nekoliko sekundi od stvaranja. U ovom raspadu neutron u jezgru azota se slabom interakcijom pretvara u proton, elektron i antineutrino. Element se transformiše u drugi element, sa drugačijim brojem protona.

U alfa raspadu, koji se obično dešava u najtežim jezgrima, radioaktivni element se raspada emitujući jezgro helijuma (2 protona i 2 neutrona), dajući još jedan element, plus helijum-4. U mnogim slučajevima ovaj proces se nastavlja kroz nekoliko koraka ove vrste, uključujući i druge vrste raspada (obično beta raspada) sve dok se ne formira stabilan element.

U gama raspadu, jezgro se raspada iz pobuđenog stanja u stanje niže energije, emitujući gama zrake. Element se u procesu ne menja u drugi element (nije uključena nuklearna transmutacija).

Moguća su i drugi egzotičniji raspadi. Na primer, u raspadu unutrašnje konverzije, energija iz pobuđenog jezgra može da izbaci jedan od unutrašnjih orbitalnih elektrona iz atoma, u procesu koji proizvodi elektrone velike brzine, ali nije beta raspad i (za razliku od beta raspada) ne transmutira jedan element ka drugom.

Primene

• Nuklearna magnetna rezonancija
• Mesbauerov efekat (Mössbauer effect)
• Nuklearna medicina
• Nuklearna energija
• Nuklearno oružje

Vidi još

• Nuklearni inženjering
• Nuklearna spalacija

Literatura

• Martin, B. R. (2006). Nuclear and Particle Physics. John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 978-0-470-01999-3. 
• Nuclear Physics by Irving Kaplan (2nd edition, 1962 Addison-Wesley)
• General Chemistry by Linus Pauling 1970 (Dover 1970). ISBN 978-0-486-65622-9.
• Introductory Nuclear Physics by Kenneth S. Krane (Wiley 1987). ISBN 978-0471805533.
• N.D. Cook (2010). Models of the Atomic Nucleus (2nd izd.). Springer. str. xvi, 324. ISBN 978-3-642-14736-4. Arhivirano iz originala 22. 04. 2012. g. Pristupljeno 04. 01. 2019. 
• Ahmad, D.Sc., Ishfaq; American Institute of Physics (1996). Physics of particles and nuclei. 1–3. 27 (3rd izd.). University of California: American Institute of Physics Press. 
• James M. Cork ; Radioactivité & physique nucléaire, Dunod (1949).
• Luc Valentin ; Le monde subatomique - Des quarks aux centrales nucléaires, Hermann (1986).
• Luc Valentin ; Noyaux et particules - Modèles et symétries, Hermann (1997).
• David Halliday ; Introductory Nuclear Physics, Wiley & Sons (1957).
• Kenneth Krane ; Introductory Nuclear Physics, Wiley & Sons (1987).
• Carlos Bertulani ; Nuclear Physics in a Nutshell, Princeton University Press (2007).
• Peter E. Hodgson; Nuclear Reactions and Nuclear Structure. Oxford University Press (1971).
• Irving Kaplan; Nuclear physics, the Addison-Wesley Series in Nuclear Science & Engineering, Addison-Wesley (1956). 2nd edition (1962).
• A. Bohr & B. Mottelson ; Nuclear Structure, 2 vol., Benjamin (1969–1975). Volume 1 : Single Particle Motion ; Volume 2 : Nuclear Deformations. Réédité par World Scientific Publishing Company . 1998. ISBN 981-02-3197-0..
• P. Ring & P. Schuck; The nuclear many-body problem, Springer Verlag . 1980. ISBN 3-540-21206-X.
• A. de Shalit & H. Feshbach; Theoretical Nuclear Physics, 2 vol., John Wiley & Sons (1974). Volume 1: Nuclear Structure; Volume 2: Nuclear Reactions, ISBN 0-471-20385-8
• Moeller, P.; Myers, W. D.; Swiatecki, W. J.; Treiner, J. (3. 9. 1984). „Finite Range Droplet Model”. Conference: 7. International Conference on Atomic Masses and Fundamental Constants (AMCO-7), Darmstadt-Seeheim, F.R. Germany. OSTI 6441187. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Sorlin, O.; Porquet, M.-G. (2008). „Nuclear magic numbers: New features far from stability”. Progress in Particle and Nuclear Physics. 61 (2): 602—673. Bibcode:2008PrPNP..61..602S. arXiv:0805.2561 . doi:10.1016/j.ppnp.2008.05.001. 

Spoljašnje veze

• Boiling Water Reactor Plant, BWR Simulator Program
• Annotated bibliography on nuclear physics from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues
• Nucleonica ..web driven nuclear science
• Nuclear science wiki
• Nuclear Data Services - IAEA
• Ernest Rutherford's biography at the American Institute of Physics Архивирано на сајту Wayback Machine (30. јул 2016)
• American Physical Society Division of Nuclear Physics
• American Nuclear Society
• Nuclear Physics, BBC Radio 4 discussion with Jim Al-Khalili, John Gribbin and Catherine Sutton (In Our Time, Jan. 10, 2002)