F??sica nuclear

F??sica nuclear
N??cleo ?? Nucleones ( p , n ) ?? Fuerza nuclear ?? Reacci??n nuclear
Modelos nucleares y la estabilidad Gota l??quida ?? Shell Nuclear ?? Estructura nuclear Energ??a de uni??n relaci??n de p-n ?? L??nea de goteo ?? Estabilidad Isl.
Clasificaci??n nucleidos ' Is??topos - igual Z Las isobaras - iguales La Isotonos - iguales N Isodiaphers - iguales N - Z Los is??meros - igualdad de todo lo anterior N??cleos Espejo - Z ↔ N Estable ?? Magia ?? Par / impar ?? Halo
La desintegraci??n radiactiva Α Alpha ?? Β beta ( 2β, β +) ?? K / L captura ?? Is??meras ( Γ Gamma ?? La conversi??n interna) ?? Fisi??n espont??nea ?? Decaimiento Cluster ?? Emisi??n de neutrones ?? Emisi??n de protones Energ??a Decay ?? Cadena de desintegraci??n ?? Producto de la desintegraci??n ?? Nucleido radiog??nica
Fisi??n nuclear Espont??nea ?? Productos ( par de ruptura) ?? Photofission
La captura de procesos electr??n ?? neutrones ( es ?? r) ?? protones ( p ?? rp)
Procesos de alta energ??a Espalaci??n ( por los rayos c??smicos) ?? Fotodesintegraci??n
Temas nucleos??ntesis Fusi??n nuclear Procesos: Stellar ?? Big Bang Supernova Nucleidos: Primordial ?? Cosmog??nico ?? Artificial
Los cient??ficos Becquerel ?? Davisson ?? Bethe ?? Sklodowska-Curie ?? Pi.Curie ?? Fr.Curie ?? Ir.Curie ?? Fermi ?? Oppenheimer ?? Rutherford ?? Thomson ?? Chadwick ?? Oliphant ?? Szil??rd ?? Teller ?? Lawrence ?? Proca ?? Mayer ?? Jensen ?? Alvarez ?? Soddy ?? Rabi ?? Meitner ?? Strassmann ?? Hahn ?? Purcell ?? Walton ?? Cockcroft ??

La f??sica nuclear es el campo de la f??sica que estudia los componentes y las interacciones de los n??cleos at??micos . Las aplicaciones m??s comunes y conocidas de la f??sica nuclear son la energ??a nuclear y la generaci??n de armas nucleares de tecnolog??a, pero la investigaci??n ha proporcionado aplicaci??n en muchos campos, incluyendo las de medicina nuclear y imagen de resonancia magn??tica, implantaci??n de iones en la ingenier??a de materiales , y dataci??n por radiocarbono en la geolog??a y la arqueolog??a .

El campo de la f??sica de part??culas se desarroll?? fuera de la f??sica nuclear y se ense??a normalmente en estrecha asociaci??n con la f??sica nuclear.

Historia

La f??sica moderna
Ecuaci??n de Schr??dinger
Historia de la f??sica moderna
Fundadores Max Planck ?? Albert Einstein
Ramas Mecanica cuantica Cromodin??mica cu??ntica La electrodin??mica cu??ntica Mec??nica estad??stica cu??ntica F??sica de la Materia Condensada F??sica nuclear La f??sica de part??culas ?? La f??sica at??mica La relatividad general ?? La relatividad especial
Los cient??ficos R??ntgen ?? Becquerel ?? Lorentz ?? Planck ?? Curie ?? Wien ?? Sklodowska-Curie ?? Sommerfeld ?? Rutherford ?? Soddy ?? Onnes ?? Einstein ?? Wilczek ?? Nacido Weyl ?? Bohr ?? Schr??dinger ?? De Broglie ?? Laue ?? Bose ?? Compton ?? Pauli ?? Walton ?? Fermi ?? Waals ?? Heisenberg ?? Dyson ?? Zeeman ?? Moseley ?? Hilbert ?? G??del ?? Jordan ?? Dirac ?? Wigner ?? Hawking ?? PW Anderson ?? Thomson ?? Poincar?? ?? Wheeler ?? Laue ?? Penrose ?? Millikan ?? Nambu ?? von Neumann ?? Higgs ?? Hahn ?? Feynman ?? Lee ?? Lenard ?? Salam ?? 'T Hooft ?? Campana ?? Gell-Mann ?? JJ Thomson ?? Raman ?? Bragg ?? Bardeen ?? Shockley ?? Chadwick ?? Lawrence

La historia de la f??sica nuclear como una disciplina distinta de la f??sica at??mica comienza con el descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel en 1896, mientras que la investigaci??n fosforescencia en uranio sales. El descubrimiento de la electr??n por JJ Thomson un a??o m??s tarde era una indicaci??n de que el ??tomo ten??a estructura interna. A la vuelta del siglo 20 el modelo aceptado del ??tomo era JJ Thomson Modelo at??mico de Thomson en el que el ??tomo era una gran bola con carga positiva con peque??os electrones cargados negativamente incrustados dentro de ella. Con el cambio de siglo los f??sicos tambi??n hab??an descubierto tres tipos de radiaci??n que emana de los ??tomos, que llamaron alfa, beta, y la radiaci??n gamma. Los experimentos realizados en 1911 por Otto Hahn, y por James Chadwick en 1914 descubri?? que la desintegraci??n beta espectro era continua en lugar de discretos. Es decir, los electrones fueron expulsados del ??tomo con una gama de energ??as, en lugar de las cantidades discretas de energ??as que se observaron en gamma y alfa decae. Esto era un problema para la f??sica nuclear en el momento, ya que indic?? que la energ??a no se conserva en estos desintegraciones.

En 1905, Albert Einstein formul?? la idea de la equivalencia masa-energ??a. Mientras que el trabajo sobre la radiactividad por Becquerel y Marie Curie anterior a esto, una explicaci??n de la fuente de la energ??a de la radiactividad tendr??a que esperar para el descubrimiento de que el propio n??cleo se compone de componentes m??s peque??os, el nucleones.

El equipo de Rutherford descubre el n??cleo

Ernest Rutherford es a menudo considerado como el "Padre de la F??sica Nuclear"

En 1907 Ernest Rutherford public?? "La radiaci??n de la part??cula α de Radium, de paso, a trav??s de la materia." Hans Geiger ampli?? este trabajo en una comunicaci??n a la Real Sociedad con los experimentos que ??l y Rutherford hab??a hecho pasar part??culas α a trav??s del aire, papel de aluminio y hoja de oro. M??s trabajo fue publicado en 1909 por Geiger y Marsden y el trabajo a??n m??s ampliado en gran medida, fue publicado en 1910 por Geiger, En 1911-2 Rutherford fue ante la Real Sociedad para explicar los experimentos y proponer la nueva teor??a del n??cleo at??mico como la entendemos ahora.

El experimento clave detr??s de este anuncio ocurri?? en 1910 en el Universidad de Manchester, como el equipo de Ernest Rutherford realiz?? un notable experimento en el cual Hans Geiger y Ernest Marsden bajo su supervisi??n dispar?? part??culas alfa (n??cleos de helio) en una fina capa de oro de aluminio. La ciruela modelo pudding predijo que las part??culas alfa deben salir de la l??mina con sus trayectorias a lo sumo ligeramente dobladas. Rutherford tuvo la idea de instruir a su equipo en busca de algo que le sorprendi?? observar en realidad: un par de part??culas se dispersan a trav??s de ??ngulos grandes, incluso completamente hacia atr??s, en algunos casos. Compar?? a disparar una bala en un pa??uelo de papel y hacer que rebotan. El descubrimiento, comenzando con el an??lisis de Rutherford de los datos en 1911, finalmente llev?? a la modelo de Rutherford del ??tomo, en el que el ??tomo tiene un n??cleo muy peque??o, muy densa que contiene la mayor parte de su masa, y que consiste en pesados part??culas cargadas positivamente con embebido electrones para equilibrar la carga (desde el neutr??n era desconocido). Como ejemplo, en este modelo (que no es la moderna) de nitr??geno-14 consist??a en un n??cleo con 14 protones y 7 electrones (21 part??culas totales), y el n??cleo fue rodeado por 7 m??s electrones en ??rbita.

El modelo de Rutherford funcion?? bastante bien hasta que los estudios de spin nuclear se llevaron a cabo por Franco Rasetti en el Instituto de Tecnolog??a de California en 1929. En 1925 se sab??a que los protones y los electrones ten??an un giro de media, y en el modelo de Rutherford de nitr??geno-14, 20 del total de 21 part??culas nucleares deber??an haber emparejado para cancelar el giro de uno al otro , y la part??cula extra??a final deber??a haber dejado el n??cleo con un giro neto de media. Rasetti descubierto, sin embargo, que el nitr??geno-14 ten??a un esp??n de 1.

James Chadwick descubri?? el neutr??n

En 1932 Chadwick se dio cuenta de que la radiaci??n que hab??a sido observado por Walther Bothe, Herbert L. Becker, Ir??ne y Fr??d??ric Joliot-Curie era en realidad debido a una part??cula neutra de aproximadamente la misma masa que el prot??n, que ??l llam?? el neutr??n (siguiendo una sugerencia sobre la necesidad de tal part??cula, por Rutherford). En el mismo a??o Dmitri Ivanenko sugiri?? que los neutrones eran de hecho esp??n 1/2 part??culas y que el n??cleo conten??a neutrones para explicar la masa no se debe a los protones, y que no hab??a electrones en los protones y los neutrones-n??cleo solamente. El giro de neutrones inmediatamente resolvi?? el problema de la rotaci??n de nitr??geno-14, como un prot??n y un neutr??n no apareado desapareado en este modelo, cada uno contribuye un giro de media en la misma direcci??n, para una vuelta final total de 1.

Con el descubrimiento del neutr??n, los cient??ficos en el pasado pod??an calcular qu?? fracci??n de energ??a de enlace cada n??cleo ten??a, de la comparaci??n de la masa nuclear con la de los protones y los neutrones que la componen. Las diferencias entre las masas nucleares fueron calculados de esta manera y, cuando se midieron-se encontraron reacciones nucleares que estar de acuerdo con el c??lculo de la equivalencia entre masa y energ??a para una alta precisi??n de Einstein (a menos de 1 por ciento a partir del 1934).

Las ecuaciones de Proca del campo de Higgs masiva vector

Alexandru Proca fue el primero en desarrollar y reportar el vector masiva Higgs ecuaciones de campo y una teor??a de la campo mesonic de las fuerzas nucleares. Las ecuaciones de Proca eran conocidos Wolfgang Pauli quien mencion?? las ecuaciones en su discurso Nobel, y tambi??n se sabe que Yukawa, Wentzel, Taketani, Sakata, k??mmer, Heitler y Fr??hlich que apreciaba el contenido de las ecuaciones de Proca para el desarrollo de una teor??a de los n??cleos at??micos en F??sica Nuclear.

Mes??n de Yukawa postul?? para unir n??cleos

En 1935 Hideki Yukawa propuso la primera teor??a importante de la la fuerza fuerte para explicar c??mo el n??cleo mantiene unidos. En el Yukawa interacci??n un part??cula virtual, m??s tarde llamado mes??n, mediada por una fuerza entre todos los nucleones, incluidos los protones y los neutrones. Esta fuerza explic?? por qu?? los n??cleos no se desintegran bajo la influencia de repulsi??n prot??n, y tambi??n dio una explicaci??n de por qu?? el atractivo fuerza fuerte ten??a un alcance m??s limitado que la repulsi??n electromagn??tica entre los protones. M??s tarde, el descubrimiento de la mes??n pi mostr?? a tener las propiedades de la part??cula de Yukawa.

Con los papeles de Yukawa, el modelo moderno del ??tomo fue completa. El centro del ??tomo contiene una bola de neutrones y protones, que se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte, a menos de que sea demasiado grande. N??cleos inestables pueden someterse a la desintegraci??n alfa, en el que se emiten un n??cleo de helio energ??tico, o la desintegraci??n beta, en el que expulsan un electr??n (o de positrones). Despu??s de una de estas desintegraciones el n??cleo resultante puede dejarse en un estado excitado, y en este caso decae a su estado fundamental por emisi??n de fotones de alta energ??a (decaimiento gamma).

El estudio de las fuerzas nucleares fuerte y d??bil (este ??ltimo se explica por Enrico Fermi v??a Interacci??n de Fermi en 1934) llev?? a los f??sicos a colisionar n??cleos y electrones a energ??as cada vez m??s altos. Esta investigaci??n se convirti?? en la ciencia de la f??sica de part??culas , la joya de la corona de los cuales es el modelo est??ndar de la f??sica de part??culas , que describe las fuerzas fuertes, d??biles, y electromagn??ticas.

La f??sica nuclear moderna

Un n??cleo pesado puede contener cientos de nucleones que significa que con un poco de aproximaci??n se puede tratar como un sistema cl??sico , m??s que un mec??nico cu??ntico uno. En el resultante modelo de la gota l??quida, el n??cleo tiene una energ??a que surge en parte de la tensi??n superficial y en parte de repulsi??n el??ctrica de los protones. El modelo de la gota l??quida es capaz de reproducir muchas caracter??sticas de los n??cleos, incluyendo la tendencia general de energ??a de enlace con respecto al n??mero de masa, as?? como el fen??meno de la fisi??n nuclear .

Superpuesta a la imagen cl??sica, sin embargo, son los efectos de la mec??nica cu??ntica, que pueden describirse mediante la nuclear modelo de capas, desarrollada en gran parte por Maria Goeppert-Mayer. Los n??cleos con cierto n??mero de neutrones y protones (el n??meros m??gicos 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, ...) son particularmente estables, debido a que sus c??scaras se llenan.

Tambi??n se han propuesto otros modelos m??s complicados para el n??cleo, tales como el interactuando modelo de Higgs, en el que pares de neutrones y protones interact??an como bosones, de forma an??loga a Pares de Cooper de electrones.

Gran parte de la investigaci??n actual en la f??sica nuclear se refiere al estudio de los n??cleos en condiciones extremas, tales como alta giro y energ??a de excitaci??n. Los n??cleos tambi??n pueden tener formas extremas (similar a la de Pelotas de rugby) o proporciones extremas-neutr??n-prot??n a. Los experimentadores pueden crear estos n??cleos mediante reacciones de fusi??n o transferencia nucle??n inducidas artificialmente, empleando haces de iones de un acelerador. Vigas con energ??as a??n m??s altas se pueden usar para crear n??cleos a temperaturas muy altas, y hay indicios de que estos experimentos han producido una transici??n de fase de la materia nuclear normal a un nuevo estado, el plasma de quarks-gluones, en el que los quarks se mezclan unos con otros, en lugar de ser segregados en tr??os como lo son en los neutrones y protones.

Desintegraci??n nuclear

Ochenta elementos tienen al menos un is??topo estable nunca observ?? a la caries, que asciende a un total de aproximadamente 254 is??topos estables. Sin embargo, miles de is??topos se han caracterizado que son inestables. Estos radiois??topos decadencia en el tiempo escalas que van desde fracciones de segundo a semana, a??o, miles de millones de a??os, o incluso miles de millones de a??os.

La estabilidad de un n??cleo es m??s alta cuando cae en un cierto rango o el equilibrio de la composici??n de neutrones y protones; muy pocos o demasiados neutrones pueden provocar que se descomponga. Por ejemplo, en la desintegraci??n beta un nitr??geno -16 ??tomo (7 protones, neutrones 9) se convierte a un ox??geno -16 ??tomo (8 protones, 8 neutrones) dentro de unos pocos segundos de ser creado. En este decaimiento un neutr??n en el n??cleo de nitr??geno se convierte en un prot??n y un electr??n y un antineutrino por el la fuerza nuclear d??bil. El elemento se transmuta a otro elemento en la adquisici??n del prot??n creado.

En desintegraci??n alfa del elemento radiactivo se desintegra emitiendo un n??cleo de helio (2 protones y 2 neutrones), dando otro elemento, adem??s de helio-4. En muchos casos, este proceso contin??a a trav??s de varios pasos de este tipo, incluyendo otros tipos de desintegraciones, hasta que se forma un elemento estable.

En decaimiento gamma, un n??cleo disminuye desde un estado excitado a un estado de energ??a m??s bajo, mediante la emisi??n de un rayos gamma. El elemento no se cambia a otro elemento en el proceso (sin transmutaci??n nuclear est?? involucrado).

Otros decaimientos m??s ex??ticos son posibles (v??ase el art??culo principal). Por ejemplo, en decaimiento conversi??n interna, la energ??a de un n??cleo excitado se puede utilizar para expulsar uno de los electrones orbitales interiores del ??tomo, en un proceso que produce electrones de alta velocidad, pero no es desintegraci??n beta, y (a diferencia de la desintegraci??n beta) no transmutar un elemento a otro.

Fusi??n nuclear

En la fusi??n nuclear, dos n??cleos de baja masa entre en contacto muy cercano entre s??, de modo que la fuerza fuerte los funde. Se requiere una gran cantidad de energ??a para superar la repulsi??n entre los n??cleos para el fuerte o fuerzas nucleares para producir este efecto, por lo tanto, la fusi??n nuclear s??lo puede tener lugar a temperaturas muy altas o altas presiones. Una vez que el proceso tiene ??xito, se libera una gran cantidad de energ??a y el n??cleo combinado asume un nivel de energ??a m??s bajo. La energ??a de enlace por nucle??n aumenta con el n??mero de masa hasta n??quel -62. Estrellas como el Sol son alimentados por la fusi??n de cuatro protones en un n??cleo de helio, dos positrones, y dos neutrinos. La fusi??n incontrolada de hidr??geno en helio se conoce como reacci??n termonuclear. Una frontera en la investigaci??n actual en diversas instituciones, por ejemplo, el Joint European Torus (JET) y ITER, es el desarrollo de un m??todo econ??micamente viable de la utilizaci??n de energ??a a partir de una reacci??n de fusi??n controlada. La fusi??n nuclear natural es el origen de la luz y la energ??a producida por el n??cleo de todas las estrellas, incluyendo nuestro propio sol .

Fisi??n nuclear

La fisi??n nuclear es el proceso inverso de fusi??n. Para n??cleos m??s pesados que el n??quel-62 la energ??a de enlace por nucle??n disminuye con el n??mero de masa. Por tanto, es posible que la energ??a que se libera cuando un n??cleo pesado se rompe en dos m??s ligeros.

El proceso de desintegraci??n alfa es en esencia un tipo especial de espont??nea de fisi??n nuclear . Este proceso produce una fisi??n altamente asim??trica porque las cuatro part??culas que componen la part??cula alfa son especialmente fuertemente unidas entre s??, por lo que la producci??n de este n??cleo en la fisi??n particularmente probable.

Para algunos de los n??cleos m??s pesados que producen neutrones de fisi??n, y que tambi??n absorber f??cilmente neutrones para iniciar la fisi??n, un tipo de auto-ignici??n de la fisi??n de neutrones iniciada se puede obtener, en una llamada reacci??n en cadena. Las reacciones en cadena eran conocidos en la qu??mica antes de la f??sica, y de hecho muchos procesos familiares como incendios y explosiones qu??micas son reacciones qu??micas en cadena. La fisi??n o Reacci??n en cadena "nuclear", el uso de neutrones de fisi??n-producido, es la fuente de energ??a para la energ??a nuclear plantas y bombas nucleares de tipo de fisi??n, como los detonada por el Estados Unidos en Hiroshima y Nagasaki, Jap??n, al final de la Segunda Guerra Mundial . N??cleos pesados como el uranio y el torio tambi??n pueden sufrir fisi??n espont??nea, pero son mucho m??s propensos a sufrir deterioro por la desintegraci??n alfa.

Para que se produzca una reacci??n en cadena de neutrones iniciada, debe haber una masa cr??tica del elemento presente en un espacio determinado bajo ciertas condiciones. Las condiciones para la masa cr??tica m??s peque??a requieren la conservaci??n de los neutrones emitidos y tambi??n su ralentizaci??n o moderaci??n as?? que hay una mayor secci??n transversal o probabability de ellos iniciar otra fisi??n. En dos regiones de Oklo, Gab??n, ??frica, reactores de fisi??n nuclear eran naturales activo hace m??s de 1,5 millones de a??os. Las mediciones de la emisi??n de neutrinos natural han demostrado que alrededor de la mitad del calor que emana del n??cleo resultados de la Tierra a partir de la desintegraci??n radiactiva. Sin embargo, no se sabe si alguno de esto es resultado de reacciones en cadena de fisi??n.

Producci??n de elementos "pesados" (n??mero at??mico superior a cinco)

Seg??n la teor??a, como el Universo se enfri?? despu??s de la gran explosi??n que finalmente hizo posible que las part??culas subat??micas comunes como los (neutrones, protones y electrones) sabemos que existe. Las part??culas m??s comunes creados en el Big Bang que todav??a son f??cilmente observables a nosotros hoy eran los protones y electrones (en el mismo n??mero). Los protones eventualmente formar ??tomos de hidr??geno. Casi todos los neutrones creados en el Big Bang fueron absorbidos por cuentas de helio-4 en los tres primeros minutos despu??s del Big Bang, y esto de helio para la mayor parte del helio en el universo actual (v??ase Nucleos??ntesis del Big Bang).

Algunos fracci??n de elementos m??s all?? de helio fueron creados en el Big Bang, como los protones y los neutrones colisionaron entre s?? (litio, berilio, y tal vez algunos de boro), pero todos los "elementos pesados" (carbono, el elemento n??mero 6, y elementos de mayor n??mero at??mico ) que vemos hoy, se han creado en el interior de las estrellas durante una serie de etapas de fusi??n, tales como la cadena prot??n-prot??n, la Ciclo y el CNO proceso triple alfa. Progresivamente elementos m??s pesados se crean durante el la evoluci??n de una estrella.

Dado que la energ??a de enlace por nucle??n picos alrededor de la plancha, la energ??a s??lo se libera en los procesos de fusi??n que ocurren debajo de este punto. Desde la creaci??n de n??cleos m??s pesados por fusi??n cuesta energ??a, estaciones de la naturaleza para el proceso de captura de neutrones. Los neutrones (debido a su falta de carga) se absorben f??cilmente por un n??cleo. Los elementos pesados son creados ya sea por un proceso de captura de neutrones lentos (el llamado proceso s) o por el r??pido, o proceso r. El proceso se produce en s t??rmicamente pulsante estrellas (llamado AGB, o asint??tica estrellas rama de las gigantes) y toma cientos a miles de a??os en llegar a los elementos m??s pesados de plomo y bismuto. El proceso de r se cree que se producen en explosiones de supernovas porque las condiciones de alta temperatura, alto flujo de neutrones y expulsado cuesti??n est??n presentes. Estas condiciones estelares hacen el neutr??n sucesiva captura muy r??pido, con la participaci??n especie muy ricos en neutrones que luego desintegraci??n beta de elementos m??s pesados, especialmente en los llamados puntos de espera que se corresponden con los nucleidos m??s estables con capas completas de neutrones (n??meros m??gicos).