Tيصادف عام 1896 ميلاد الفيزياء النووية عندما اكتشف الفيزيائي الفرنسي أنطوان هنري بيكريل (1852-1908) النشاط الإشعاعي في مركبات اليورانيوم. دفع هذا الاكتشاف العلماء إلى دراسة تفاصيل النشاط الإشعاعي، حيث تنبعث المواد المشعة تلقائيًا ما يسمى بالإشعاع. أدت هذه الدراسات إلى فهم بنية نواة الذرة. وقد أظهر العمل الرائد الذي قام به إرنست رذرفورد أن الانبعاثات الصادرة عن المواد المشعة تنقسم إلى ثلاثة أنواع - أشعة ألفا وبيتا وأشعة جاما - مصنفة حسب طبيعة شحنتها الكهربائية وقدرتها على اختراق المادة وتأيين الهواء. سنناقش هنا خصائص وبنية النواة الذرية، والظواهر المرتبطة بالنواة. نحن نستكشف العمليات المختلفة التي تتحلل بها النوى والطرق التي يمكن أن تتفاعل بها النوى مع بعضها البعض. كما قمنا بدراسة وسيلتين لاستخلاص الطاقة من التفاعلات النووية. وفي كلتا الحالتين، يمكن استخدام الطاقة المنطلقة إما بشكل بناء (كما هو الحال في محطات الطاقة الكهربائية) أو بشكل مدمر (كما هو الحال في الأسلحة النووية). نحن أيضًا ندرس الطرق التي يتفاعل بها الإشعاع مع المادة ونناقش بنية مفاعلات الانشطار والاندماج.

تتكون الذرات من إلكترونات تدور حول نواة مركزية. كما رأينا، فإن مدارات الإلكترون ذات طبيعة ميكانيكية كمومية ولها خصائص مثيرة للاهتمام. ومع ذلك، لم يُقال سوى القليل عن النواة. وبما أن النواة مثيرة للاهتمام في حد ذاتها، فإننا الآن نتناولها بمزيد من التفصيل.

القوة النووية القوية واستقرار النواة

هناك شحنتان موجبتان قريبتان من بعضهما البعض كما في النواة وتتنافران بقوة إلكتروستاتيكية قوية جدًا. إذن، ما الذي يمنع النواة من التطاير؟ من الواضح أن هناك نوعًا ما من قوة الجذب يجب أن يحافظ على تماسك النواة، حيث أن العديد من أنواع الذرات الموجودة طبيعيًا تحتوي على نوى مستقرة. إن قوة الجذب بين النيوكليونات أضعف من أن تتمكن من التصدي للقوة الكهربية التنافرية، لذا يجب أن يعمل نوع مختلف من القوة على تثبيت النواة معًا. هذه القوة هي القوة النووية الشديدة وهي واحدة من ثلاث قوى أساسية فقط تم اكتشافها، وهي أساسية بمعنى أن جميع القوى في الطبيعة يمكن تفسيرها من خلال هذه القوى الثلاث. وقوة الجاذبية هي أيضًا إحدى هذه القوى، وكذلك القوة الكهربائية الضعيفة.

العيب الشامل للنواة وطاقة الربط النووي

بسبب القوة النووية القوية، فإن النيوكليونات الموجودة في النواة المستقرة تكون متماسكة بإحكام معًا. لذلك، هناك حاجة إلى طاقة لفصل النواة المستقرة إلى البروتونات والنيوترونات المكونة لها. كلما كانت النواة أكثر استقرارا، كلما زادت كمية الطاقة اللازمة لتفكيكها. وتسمى الطاقة المطلوبة طاقة الربط للنواة.

When an unstable or radioactive nucleus disintegrates spontaneously, certain kinds of particles and/or high-energy photons are released. These particles and photons are collectively called "rays." Three kinds of rays are produced by naturally occurring radioactivity: $\alpha$ أشعة، $\beta$ الأشعة، و $\gamma$ أشعة. يتم تسميتهم حسب الأحرف الثلاثة الأولى من الأبجدية اليونانية، ألفا ($\alpha$) ، بيتا ($\beta$) وغاما ($\gamma$) للدلالة على مدى قدرتها على اختراق المادة. $\alpha$ الأشعة هي الأقل اختراقًا، حيث يتم حجبها بواسطة طبقة رقيقة ($\approx$ 0.01 ملم) من الرصاص $\beta$ اختراق الأشعة يؤدي إلى مسافة أكبر بكثير ($\approx$ 0.1 ملم). $\gamma$ الأشعة هي الأكثر اختراقًا ويمكن أن تمر عبر سمك ملموس ($\approx$ 100 ملم) من الرصاص.

$\alpha$ فساد

عندما تتفكك النواة وتنتج $\alpha$ الأشعة، ويقال للخضوع $\alpha$ فساد. تظهر الأدلة التجريبية أن الأشعة تتكون من جسيمات موجبة الشحنة، كل منها هو $^4 _2 He$ نواة الهيليوم. وهكذا، أ $\alpha$ يحتوي الجسيم على شحنة +2e وعدد نووي A = 4. وبما أن تجميع بروتونين ونيوترونين في $^4 _2 He$ إذا كانت النواة مستقرة بشكل خاص، فليس من المستغرب أن يتم قذف جسيم كوحدة من نواة غير مستقرة أكثر ضخامة.

$\beta$ فساد

ال $\beta$ تنحرف الأشعة الواردة بواسطة المجال المغناطيسي في اتجاه معاكس لاتجاه الشحنة الموجبة $\alpha$ أشعة. وبالتالي فإن هؤلاء $\beta$ الأشعة، وهي النوع الأكثر شيوعًا، تتكون من جسيمات أو جزيئات سالبة الشحنة $\beta^-$ جزيئات. التجربة تظهر ذلك $\beta^-$ الجسيمات هي الإلكترونات.

$\gamma$ فساد

النواة، مثل الإلكترونات المدارية، توجد فقط في حالات أو مستويات طاقة منفصلة. عندما تتغير النواة من حالة الطاقة المثارة (المشار إليها بعلامة النجمة*) إلى حالة طاقة أقل، ينبعث الفوتون. تشبه العملية تلك التي تمت مناقشتها من قبل فيما يتعلق بانبعاث الفوتون الذي يؤدي إلى طيف خط ذرة الهيدروجين. ومع ذلك، في مستويات الطاقة النووية، يتمتع الفوتون بطاقة أكبر بكثير ويسمى أ $\gamma$ راي.

النيوترينو

النواة، مثل الإلكترونات المدارية، توجد فقط في حالات أو مستويات طاقة منفصلة. عندما تتغير النواة من حالة الطاقة المثارة (المشار إليها بعلامة النجمة*) إلى حالة طاقة أقل، ينبعث الفوتون. تشبه العملية تلك التي تمت مناقشتها من قبل فيما يتعلق بانبعاث الفوتون الذي يؤدي إلى طيف خط ذرة الهيدروجين. ومع ذلك، في مستويات الطاقة النووية، يتمتع الفوتون بطاقة أكبر بكثير ويسمى أ $\gamma$ راي.

الاضمحلال الإشعاعي والنشاط

يتم تحديد مسألة أي نواة مشعة في مجموعة من النوى تتفكك في لحظة معينة مثل الأرقام الفائزة في يانصيب الدولة: تحدث التفككات الفردية بشكل عشوائي. مع مرور الوقت، يتناقص عدد N من النوى الأصلية. يشير هذا الرسم البياني لـ N مقابل الوقت إلى أن الانخفاض يحدث بطريقة سلسة، مع اقتراب N من الصفر بعد مرور وقت كافٍ. للمساعدة في وصف الرسم البياني، من المفيد تحديد عمر النصف $T_{1/2}$ من النظائر المشعة هو الوقت اللازم لتفكك نصف النوى الموجودة. على سبيل المثال، الراديوم $^{226} _{88}$يبلغ عمر النصف لـ Ra 1600 عام، لأنه يستغرق هذا القدر من الوقت حتى يتحلل نصف كمية معينة من هذا النظير. وفي غضون 1600 سنة أخرى، سوف يتحلل نصف ذرات الراديوم المتبقية. ولم يتبق سوى ربع العدد الأصلي سليما. عدد النوى الموجودة في الزمن $t = 0$ هو $N = N_0$، والرقم الموجود في $t= T_{1/2}$ يكون $N = \frac{1}{2} N_0$ . الرقم الموجود في $t= 2T_{1/2}$ يكون $N = \frac{1}{4} N_0$، وما إلى ذلك. وتعتمد قيمة نصف العمر على طبيعة النواة المشعة. تم العثور على قيم تتراوح من جزء من الثانية إلى مليارات السنين.

المواعدة المشعة

أحد التطبيقات المهمة للنشاط الإشعاعي هو تحديد عمر العينات الأثرية أو الجيولوجية كما في حالة بقايا مومياء الملكة حتشبسوت. إذا كان الجسم يحتوي على نوى مشعة عند تكوينه، فإن اضمحلال هذه النوى يمثل مرور الوقت مثل الساعة، حيث يتفكك نصف النوى خلال كل نصف عمر. إذا كان عمر النصف معروفًا، فإن قياس عدد النوى الموجودة اليوم مقارنة بالعدد الموجود في البداية يمكن أن يعطي عمر العينة.

سلسلة الاضمحلال الإشعاعي

عندما تضمحل نواة أم غير مستقرة، تكون النواة الابنة الناتجة في بعض الأحيان غير مستقرة أيضًا. إذا كان الأمر كذلك، فإن الابنة تضمحل وتنتج ابنتها، وهكذا حتى يتم إنتاج نواة مستقرة تمامًا. ويسمى هذا التحلل المتسلسل لنواة تلو الأخرى بسلسلة التحلل الإشعاعي.

أجهزة الكشف عن الإشعاع

هناك عدد من الأجهزة التي يمكن استخدامها لكشف الجسيمات والفوتونات ($\gamma$ الأشعة) المنبعثة عندما تتحلل النواة المشعة. تكتشف هذه الأجهزة التأين الذي تسببه هذه الجسيمات والفوتونات أثناء مرورها عبر المادة. الكاشف الأكثر شهرة هو عداد جيجر.

الآثار البيولوجية للإشعاع المؤين

Ionizing radiation consists of photons and/or moving particles that have sufficient energy to knock an electron out of an atom or molecule, thus forming an ion. The photons usually lie in the ultraviolet, X-ray, or $\gamma$مناطق الأشعة من الطيف الكهرومغناطيسي، في حين أن الجسيمات المتحركة يمكن أن تكون $\alpha$ و $\beta$ الجسيمات المنبعثة أثناء الاضمحلال الإشعاعي. هناك حاجة إلى طاقة تتراوح من 1 إلى 35 فولت تقريبًا لتأين ذرة أو جزيء، وتكون الجسيمات و $\gamma$ غالبًا ما تبلغ طاقات الأشعة المنبعثة أثناء التفكك النووي عدة ملايين من الإلكترون فولت. ولذلك واحدة $\alpha$ جسيم, $\beta$ جسيم، أو $\gamma$ يمكن للأشعة أن تؤين آلاف الجزيئات.

من المحتمل أن يكون الإشعاع النووي ضارًا بالبشر لأن التأين الذي ينتجه يمكن أن يغير بشكل كبير بنية الجزيئات داخل الخلية الحية.

نناقش كيف تتفكك النواة الأم المشعة تلقائيًا إلى نواة ابنة. ومن الممكن أيضًا إحداث أو حث على تفكك نواة مستقرة عن طريق ضربها بنواة أخرى، أو جسيم ذري أو دون ذري، أو جسيم. $\gamma$- شعاع الفوتون . يقال إن التفاعل النووي يحدث عندما تتسبب نواة أو جسيم أو فوتون حادث في حدوث تغيير في النواة المستهدفة.

الانشطار النووي

في عام 1939، توصل أربعة علماء ألمان، وهم أوتو هان، وليز مايتنر، وفريتز ستراسمان، وأوتو فريش، إلى اكتشاف مهم كان بمثابة بداية العصر الذري. ووجدوا أن نواة اليورانيوم، بعد امتصاصها للنيوترون، تنقسم إلى شظيتين، كل منهما ذات كتلة أصغر من كتلة النواة الأصلية. يُعرف انشطار نواة ضخمة إلى قسمين أقل كتلةً بالانشطار النووي.

المفاعلات النووية

المفاعل النووي هو نوع من الأفران يتم فيه توليد الطاقة عن طريق تفاعل متسلسل انشطاري متحكم فيه. تم بناء أول مفاعل نووي على يد إنريكو فيرمي في عام 1942، على أرضية ملعب اسكواش أسفل المدرجات الغربية لملعب ستاج فيلد في جامعة شيكاغو. اليوم، هناك عدد من أنواع وأحجام المفاعلات، والعديد منها يحتوي على نفس المكونات الأساسية الثلاثة: عناصر الوقود، ووسيط النيوترونات، وقضبان التحكم.

الاندماج النووي

وسيلة أخرى لتوليد الطاقة: يمكن دمج نواتين ذات كتلة منخفضة جدًا وطاقة ربط صغيرة نسبيًا لكل نيوكليون أو "دمجهما" في نواة واحدة أكثر ضخامة ولها طاقة ربط أكبر لكل نيوكليون. وتسمى هذه العملية بالاندماج النووي. يمكن إطلاق كمية كبيرة من الطاقة أثناء تفاعل الاندماج.

بحلول عام 1932، تم اكتشاف الإلكترون والبروتون والنيوترون، وكان يُعتقد أنها الجسيمات الأولية الثلاثة في الطبيعة، بمعنى أنها كانت اللبنات الأساسية التي تتكون منها كل المادة. ومع ذلك، تظهر الأدلة التجريبية التي تم الحصول عليها منذ ذلك الحين وجود عدة مئات من الجسيمات الإضافية، ولم يعد العلماء يعتقدون أن البروتون والنيوترون جسيمات أولية.

معظم هذه الجسيمات الجديدة لها كتل أكبر من كتلة الإلكترون، والعديد منها أكبر من البروتونات أو النيوترونات. معظم الجسيمات الجديدة غير مستقرة وتتحلل في أوقات تتراوح بين حوالي $10^{-6}$ و $10^{-23}$ s.

النيوترينوات

في عام 1930، اقترح فولفجانج باولي أن جسيمًا يسمى النيوترينو (المعروف الآن باسم "نيوترينو الإلكترون") يجب أن يرافق $\beta$ اضمحلال النواة المشعة. كما ناقشنا، فإن النيوترينو ليس لديه شحنة كهربائية، وله كتلة صغيرة جدًا (جزء صغير جدًا من كتلة الإلكترون)، ويسافر بسرعات تقترب (ولكن أقل من) سرعة الضوء. تم اكتشاف النيوترينوات أخيرًا في عام 1956. واليوم، يتم إنشاء النيوترينوات بكثرة في المفاعلات النووية ومسرعات الجسيمات، ويُعتقد أنها متوفرة بكثرة في الكون.

البوزيترونات والجسيمات المضادة

شهد عام 1932 اكتشاف البوزيترون (اختصار لـ "الإلكترون الموجب"). البوزيترون له نفس كتلة الإلكترون ولكنه يحمل شحنة معاكسة +e. من المرجح أن يؤدي الاصطدام بين البوزيترون والإلكترون إلى إبادة كلا الجسيمين، وتحويلهما إلى طاقة كهرومغناطيسية في شكل $\gamma$ أشعة. ولهذا السبب، فإن البوزيترونات لا تتعايش أبدًا مع المادة العادية لأي فترة زمنية ملحوظة. إن الإبادة المتبادلة للبوزيترون والإلكترون تكمن في قلب تقنية تشخيصية طبية مهمة.

البوزيترون هو مثال للجسيم المضاد، وبعد اكتشافه أدرك العلماء أنه لكل نوع من الجسيمات هناك نوع مماثل من الجسيمات المضادة. الجسيم المضاد هو شكل من أشكال المادة له نفس كتلة الجسيم ولكنه يحمل شحنة كهربائية معاكسة (على سبيل المثال، زوج الإلكترون-بوزيترون) أو لديه عزم مغناطيسي موجه في اتجاه معاكس بالنسبة للدوران المغزلي (على سبيل المثال، زوج النيوترينو-النيوترينو المضاد). عدد قليل من الجسيمات المحايدة كهربائيا، مثل الفوتون والبيون المتعادل ($\pi^0$)، هي الجسيمات المضادة الخاصة بهم.

الميونات والبايونات

في عام 1937، اكتشف الفيزيائيان الأمريكيان S. H. Neddermeyer (1907- 1988) وC. D. Anderson (1905- 1991) جسيمًا مشحونًا جديدًا كانت كتلته أكبر بحوالي 207 مرات من كتلة الإلكترون. يتم تحديد الجسيم بالحرف اليوناني $\mu$ (مو) ويعرف باسم الميون. هناك نوعان من الميونات لهما نفس الكتلة ولكن بشحنة متضادة: الجسيم $\mu^-$ والجسيمات المضادة لها $\mu^+$. ال $\mu^-$ الميون له نفس شحنة الإلكترون، في حين أن $\mu^+$ الميون له نفس شحنة البوزيترون. كلا الميونين غير مستقرين، ولهما عمر $2.2 \times 10^{-6}$ s.

تنبأ الفيزيائي الياباني هيديكي يوكاوا (1907-1981) في عام 1935 بوجود البيونات، لكن لم يتم اكتشافها حتى عام 1947. تأتي البيونات في ثلاثة أنواع: نوع موجب الشحنة، والجسيم المضاد المشحون سالبًا بنفس الكتلة، والبيون المحايد، المذكور سابقًا، وهو جسيم مضاد خاص به. رموز هذه البيونات هي، على التوالي، $\pi^+$, $\pi^-$، و $\pi^0$. الفاوانيا المشحونة غير مستقرة ولها عمر $2.6 \times 10^{-8}$ s.

تصنيف الجزيئات

من المفيد تجميع الجسيمات المعروفة في ثلاث عائلات: البوزونات، واللبتونات، والهادرونات.

الكواركات

ومع اكتشاف المزيد والمزيد من الهادرونات، أصبح من الواضح أنها ليست كلها جسيمات أولية. تم اقتراح أن الهادرونات تتكون من جسيمات أصغر وأكثر أولية تسمى الكواركات. في عام 1963، تم تطوير نظرية الكوارك بشكل مستقل من قبل M. GellMann (1929-) وG. Zweig (1937-). تقترح النظرية أن هناك ثلاثة كواركات وثلاثة كواركات مضادة، وأن الهادرونات تتكون من مجموعات منها. وهكذا يتم رفع الكواركات إلى مرتبة الجسيمات الأولية لعائلة الهادرونات. تعتبر الجسيمات في عائلة اللبتون أولية، وبالتالي فهي لا تتكون من كواركات.

النموذج القياسي

يمكن للجسيمات الأولية المختلفة التي تم اكتشافها أن تتفاعل عبر واحدة أو أكثر من القوى الأربع التالية: قوة الجاذبية، والقوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة، والقوة الكهرومغناطيسية. في فيزياء الجسيمات، تشير عبارة "النموذج القياسي" إلى التفسير المقبول حاليًا للقوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة، والقوة الكهرومغناطيسية. في هذا النموذج، يتم وصف القوة النووية القوية بين الكواركات من حيث مفهوم اللون، ويشار إلى النظرية باسم الكرومودينارنيا الكمومية. وفقًا للنموذج القياسي، فإن القوة النووية الضعيفة والقوة الكهرومغناطيسية هما مظهران منفصلان لقوة واحدة أكثر جوهرية، يشار إليها باسم القوة الكهروضعيفة.

علم الكونيات

علم الكونيات هو دراسة بنية وتطور الكون. في هذه الدراسة، تعتبر الجوانب الكبيرة جدًا والصغيرة جدًا للكون مهمة. يدرس علماء الفلك، على سبيل المثال، النجوم الموجودة على مسافات هائلة من الأرض، تصل إلى مليارات السنين الضوئية. في المقابل، يركز فيزيائيو الجسيمات جهودهم على الجسيمات الأولية الصغيرة جدًا ($l0^{-18}$ م أو أصغر) التي تشمل المادة. أدى التآزر بين عمل علماء الفلك وعمل علماء فيزياء الجسيمات إلى تقدم كبير في فهمنا للكون. ومن الأمور الأساسية لهذا الفهم هو الاعتقاد بأن الكون يتوسع، ونبدأ بمناقشة الأدلة التي تبرر هذا الاعتقاد.