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Physique nucléaire

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Physique nucléaire
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Nucleus · Nucléons ( p , n ) · Force nucléaire · Réaction nucléaire

La physique nucléaire est le domaine de la physique qui étudie les constituants et les interactions des noyaux atomiques . Les applications les plus connus de la physique nucléaire sont l'énergie nucléaire et la production d'armes nucléaires de la technologie, mais la recherche a fourni l'application dans de nombreux domaines, y compris ceux la médecine nucléaire et imagerie par résonance magnétique, l'implantation ionique dans l'ingénierie des matériaux , et datation au radiocarbone de la géologie et de l'archéologie .

Le domaine de la physique des particules a évolué à partir de la physique nucléaire et est généralement enseigné en étroite association avec la physique nucléaire.

Histoire

La physique moderne
{I \ hbar \ frac {\ partial} {\ t partielle} \ Psi (\ mathbf {r}, \, t) = \ hat H \ Psi (\ mathbf {r}, \, t)}
Équation de Schrödinger
Histoire de la physique moderne

L'histoire de la physique nucléaire comme une discipline distincte de la physique atomique commence avec la découverte de la radioactivité par Henri Becquerel en 1896, alors qu'il enquêtait sur phosphorescence uranium sels. La découverte de l' électron par JJ Thomson une année plus tard était une indication que l'atome avait la structure interne. Au tournant du 20e siècle, le modèle accepté de l'atome était JJ Thomson modèle de plum-pudding dans lequel l'atome était une grosse boule chargée positivement avec de petits électrons chargés négativement embarqués à l'intérieur de celui-ci. Au tournant du siècle physiciens ont également découvert trois types de rayonnement émanant atomes, qu'ils nommèrent alpha, bêta, et rayonnement gamma. Expériences en 1911 par Otto Hahn, et en James Chadwick en 1914 a découvert que la désintégration bêta spectre était continu plutôt que discrète. Ce est-à-électrons ont été éjectés de l'atome avec une gamme d'énergies, plutôt que les quantités discrètes d'énergie qui ont été observés en gamma et alpha caries. Ce était un problème pour la physique nucléaire à l'époque, car il a indiqué que l'énergie n'a pas été conservé dans ces désintégrations.

En 1905, Albert Einstein a formulé l'idée de équivalence masse-énergie. Bien que les travaux sur la radioactivité par Becquerel et Marie Curie est antérieure à cela, une explication de la source de l'énergie de la radioactivité aurait à attendre pour la découverte que le noyau lui-même est composé de petits constituants, le nucléons.

L'équipe de Rutherford découvre le noyau

Ernest Rutherford est souvent considéré comme le "père de la physique nucléaire"

En 1907, Ernest Rutherford a publié «Radiation de la particule α de Radium en passant à travers la matière." Hans Geiger élargi sur ce travail dans une communication à la Société royale des expériences lui et Rutherford avait fait passer des particules α dans l'air, une feuille d'aluminium et feuille d'or. Plus de travail a été publié en 1909 par Geiger et Marsden et le travail encore considérablement élargi a été publié en 1910 par Geiger, En 1911-2 Rutherford allait devant la Société royale pour expliquer les expériences et proposer la nouvelle théorie du noyau atomique comme nous le comprenons maintenant.

L'expérience clé derrière cette annonce qui se est passé en 1910 à la Université de Manchester, que l'équipe d'Ernest Rutherford a effectué une remarquable expérience dans laquelle Hans Geiger et Ernest Marsden sous sa supervision tiré particules alpha (noyaux d'hélium) à un film mince de l'or feuille. Le plum pudding modèle prédit que les particules alpha devraient sortir de la feuille avec leurs trajectoires étant au plus légèrement fléchis. Rutherford a eu l'idée de charger son équipe à chercher quelque chose qui a choqué lui fait observer: quelques particules ont été dispersées dans de grands angles, même complètement vers l'arrière, dans certains cas. Il l'a comparé à tirer une balle au papier de soie et ayant rebondir sur. La découverte, en commençant par l'analyse de Rutherford des données en 1911, a finalement conduit au modèle Rutherford de l'atome, dans lequel l'atome a un très petit noyau, très dense contenant la plupart de sa masse, et composé de particules lourdes chargées positivement avec embarquée électrons afin d'équilibrer la charge (le neutron était inconnu). A titre d'exemple, dans ce modèle (qui ne est pas celui moderne) de l'azote 14 est composée d'un noyau 14 avec des protons et des électrons (21 7 particules totales), et le noyau est entouré d'électrons plus 7 orbite.

Le modèle de Rutherford a plutôt bien fonctionné jusqu'à ce que des études de spin nucléaire ont été effectués par Franco Rasetti au California Institute of Technology en 1929. En 1925, il a été connu que les protons et les électrons ont une rotation de 1/2, et dans le modèle Rutherford d'azote-14, 20 du total des 21 particules nucléaires auraient jumelé pour annuler rotation de l'autre , et la particule étrange final devrait avoir quitté le noyau avec un spin net de moitié. Rasetti découvert, cependant, que de l'azote 14 a un spin de 1.

James Chadwick decouvre le neutron

En 1932, Chadwick a réalisé que le rayonnement qui avait été observé par Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène et Frédéric Joliot-Curie était en fait due à une particule neutre d'environ la même masse que le proton, qu'il appelle le neutrons (suite à une suggestion de la nécessité d'une telle particule, par Rutherford). Dans la même année Dmitri Ivanenko suggéré que les neutrons étaient en fait des particules de spin 1/2 et que le noyau contenait neutrons pour expliquer la masse pas due à protons, et qu'il n'y avait pas d'électrons dans les protons et les neutrons noyau seule. Le spin du neutron immédiatement résolu le problème de la rotation de l'azote-14, comme un proton et un neutron non apparié non apparié dans ce modèle, contribuent chacun un spin de 1/2 dans la même direction, pour un spin total final de 1.

Avec la découverte du neutron, les scientifiques de dernière pourraient calculer quelle fraction de chaque noyau énergie de liaison a, à partir de la comparaison de la masse nucléaire à celle des protons et des neutrons qui le composent. Les différences entre les masses nucléaires ont été calculées de cette manière et à mesure des réactions nucléaires ont été mesurées-ont été trouvés d'accord avec le calcul d'Einstein de l'équivalence de la masse et de l'énergie à haute précision (à moins de 1 pour cent à partir de 1934).

Les équations de ProcA du champ de Higgs vecteur massif

Alexandru Proca a été le premier à développer et à signaler le vecteur massif boson équations de champ et une théorie de la mésonique domaine des forces nucléaires. Les équations de ProcA étaient connus Wolfgang Pauli qui a mentionné les équations dans son discours Nobel, et ils ont été également connu pour Yukawa, Wentzel, Taketani, Sakata, Kemmer, Heitler et Fröhlich qui ont apprécié le contenu des équations de ProcA pour développer une théorie des noyaux atomiques en physique nucléaire.

La Meson de Yukawa postulé pour lier noyaux

En 1935, Hideki Yukawa a proposé la première théorie importante de la force forte d'expliquer comment le noyau tient ensemble. Dans le Yukawa interaction d'un particule virtuelle, appelée plus tard un meson, une force médiation entre toutes les nucléons, y compris les protons et les neutrons. Cette force a expliqué pourquoi noyaux ne se désintègrent pas sous l'influence de protons répulsion, et il a également donné une explication des raisons pour lesquelles l'attrayante force forte avait une portée plus limitée que la répulsion électromagnétique entre protons. Par la suite, la découverte de la pi meson montré à avoir les propriétés de la particule de Yukawa.

Avec les papiers de Yukawa, le modèle moderne de l'atome était complète. Le centre de l'atome contient une boule serrée de neutrons et de protons, qui est maintenu par la force nucléaire forte, sauf si elle est trop grande. Noyaux instables peuvent subir une désintégration alpha, dans lequel ils émettent un noyau d'hélium énergique, ou la désintégration bêta, dans lequel ils éjectent un électron (ou positrons). Après l'une de ces désintégrations le noyau résultante peut être laissé dans un état excité, et dans ce cas il se désintègre à son état fondamental en émettant des photons de haute énergie (désintégration gamma).

L'étude des forces nucléaires fortes et faibles (ce dernier explique par Enrico Fermi via L'interaction de Fermi en 1934) a conduit les physiciens à entrer en collision les noyaux et électrons à des énergies toujours plus élevées. Cette recherche est devenue la science de la physique des particules , le joyau de la couronne de qui est le modèle standard de la physique des particules qui décrit les forces fortes, faibles et électromagnétiques.

La physique nucléaire moderne

Un noyau lourd peut contenir des centaines de nucléons qui signifie que, avec une approximation elle peut être traitée comme un système classique , plutôt que la mécanique quantique une. Dans le résultantes modèle de goutte de liquide, le noyau a une énergie qui provient en partie de la tension de surface et en partie à partir de la répulsion électrique des protons. Le modèle de goutte de liquide est capable de reproduire de nombreuses caractéristiques de noyaux, y compris la tendance générale de énergie de liaison à l'égard de nombre de masse, ainsi que le phénomène de la fission nucléaire .

Superposée sur cette image classique, cependant, sont les effets de la mécanique quantique, qui peuvent être décrits en utilisant le nucléaire modèle coquille, développé en grande partie par Maria Goeppert-Mayer. Noyaux avec certains nombres de neutrons et de protons (la nombres magiques 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, ...) sont particulièrement stables, parce que leurs coquilles sont remplis.

D'autres modèles plus complexes pour le noyau ont également été proposés, tels que la interagissant modèle de Higgs, dans lequel des paires de neutrons et de protons interagissent comme des bosons, analogue à Paires de Cooper d'électrons.

Une grande partie de la recherche actuelle en physique nucléaire a trait à l'étude des noyaux dans des conditions extrêmes telles que la haute spin et de l'énergie d'excitation. Les noyaux peuvent également avoir des formes extrêmes (semblable à celui de ballons de rugby) ou des ratios extrêmes neutrons-à-proton. Les expérimentateurs peuvent créer de tels noyaux utilisant des réactions de fusion ou de transfert du nucléon induites artificiellement, utilisant des faisceaux d'ions d'un accélérateur. Poutres avec des énergies encore plus élevées peuvent être utilisés pour créer des noyaux à des températures très élevées, et il ya des signes que ces expériences ont produit un transition de phase de la matière nucléaire ordinaire à un nouvel état, le plasma quark-gluon, dans lequel les quarks se mêlent les uns aux autres, plutôt que d'être séparés en triolets car ils sont en neutrons et de protons.

La désintégration nucléaire

Quatre-vingt éléments ont au moins un isotope stable jamais été observée à la pourriture, pour un montant total d'environ 254 isotopes stables. Cependant, des milliers d' isotopes ont été caractérisées qui sont instables. Ces radio-isotopes décroissance au cours du temps des échelles allant de quelques fractions de seconde à quelques semaines, des années, des milliards d'années, voire des milliards d'années.

La stabilité d'un noyau est plus élevé quand il tombe dans une certaine gamme ou de l'équilibre de la composition de neutrons et de protons; trop ou trop peu de neutrons peuvent provoquer à la pourriture. Par exemple, dans désintégration bêta un d'azote -16 atome (7 protons, neutrons 9) est converti en oxygène -16 atome (8 protons, 8 neutrons) en quelques secondes d'être créé. Dans ce désintégration d'un neutron dans le noyau de l'azote est converti en un proton et un électron et un antineutrino par le force nucléaire faible. L'élément est transmuté à un autre élément en faisant l'acquisition du proton créé.

En désintégration alpha de l'élément radioactif se désintègre en émettant un noyau d'hélium (2 protons et 2 neutrons), ce qui donne un autre élément, plus hélium-4. Dans de nombreux cas, ce processus se poursuit à travers plusieurs étapes de ce genre, y compris d'autres types de désintégrations, jusqu'à ce qu'un élément stable est formé.

En désintégration gamma, un noyau se désintègre à partir d'un état excité dans un état d'énergie plus faible, en émettant un rayons gamma. L'élément ne est pas changé à un autre élément dans le procédé (pas Transmutation est impliqué).

Autres désintégrations plus exotiques sont possibles (voir l'article principal). Par exemple, dans désintégration de conversion interne, l'énergie à partir d'un noyau excité peut être utilisé pour éjecter une des électrons orbitales à air à partir de l'atome, à un procédé qui produit des électrons à grande vitesse, mais ne est pas désintégration bêta et (contrairement à la désintégration bêta) ne transmuter pas un élément à un autre.

La fusion nucléaire

En fusion nucléaire, deux noyaux de faible masse entrent en contact très étroit avec l'autre, de sorte que la force forte les fusibles. Il nécessite une grande quantité d'énergie pour vaincre la répulsion entre les noyaux de la forte ou forces nucléaires pour produire cet effet, donc la fusion nucléaire ne peut avoir lieu à des températures très élevées ou des pressions élevées. Une fois le processus réussit, une très grande quantité d'énergie est libérée et le noyau combinée suppose un niveau d'énergie plus faible. L'énergie de liaison par nucléon augmente avec le nombre de masse jusqu'à nickel -62. Etoiles comme le Soleil sont alimentés par la fusion de quatre protons dans le noyau d'hélium, deux positons, et deux neutrinos. La fusion incontrôlée de l'hydrogène en hélium est connu comme emballement thermonucléaire. Une frontière de la recherche actuelle dans diverses institutions, par exemple la Joint European Torus (JET) et ITER, est le développement d'une méthode économiquement viable d'utiliser l'énergie d'une réaction de fusion contrôlée. Fusion nucléaire naturel est à l'origine de la lumière et de l'énergie produite par le cœur de toutes les étoiles, y compris notre propre soleil .

Fission nucléaire

La fission nucléaire est le processus inverse de la fusion. Pour les noyaux plus lourds que le nickel-62 l'énergie de liaison par nucléon diminue avec le nombre de masse. Il est donc possible pour l'énergie d'être libéré si un noyau lourd se brise en deux plus légers.

Le processus de désintégration alpha est essentiellement un type spécial de spontanée fission nucléaire . Ce procédé produit une fission hautement asymétrique du fait que les quatre particules qui constituent la particule alpha sont étroitement liés en particulier à l'autre, ce qui rend la production de ce noyau dans fission particulièrement susceptibles.

Pour certains des noyaux plus lourds qui produisent des neutrons sur la fission, et qui également facilement absorber les neutrons pour lancer la fission, un type de la fission des neutrons à l'initiative d'auto-inflammation peut être obtenu, dans un soi-disant réaction en chaîne. Les réactions en chaîne ont été connus dans la chimie avant de la physique, et en fait de nombreux processus familiers comme les incendies et les explosions chimiques sont des réactions en chaîne chimiques. La fission ou Réaction en chaîne "nucléaire", en utilisant des neutrons de fission-produit, est la source d'énergie pour les centrales nucléaires et les centrales nucléaires de type bombes de fission, comme ceux explosé par le États-Unis en Hiroshima et Nagasaki, au Japon, à la fin de la Seconde Guerre mondiale . Noyaux lourds tels que l'uranium et le thorium peut également subir fission spontanée, mais ils sont beaucoup plus susceptibles de subir la décomposition par la désintégration alpha.

Pour une réaction en chaîne de neutrons à l'initiative de se produire, il doit y avoir un masse critique de l'élément présent dans un certain espace dans certaines conditions. Les conditions de la masse critique plus petite exigent la conservation des neutrons émis et aussi leur ralentissement ou la modération donc il ya une plus grande section ou probabability de les initier une autre fission. Dans deux régions de Oklo, au Gabon, en Afrique, réacteurs naturels de fission nucléaire étaient actifs il ya plus de 1,5 milliards d'années. Mesures d'émission de neutrino naturel ont démontré que près de la moitié de la chaleur émanant des principaux résultats de la Terre de la désintégration radioactive. Cependant, on ne sait pas si tout cela résulte de fission des réactions en chaîne.

Production d'éléments «lourds» (numéro atomique supérieur à cinq)

Selon la théorie, que l'Univers refroidi après le big bang , il est finalement devenu possible pour les particules subatomiques communs que nous connaissons (neutrons, protons et électrons) d'exister. Les particules les plus communs créés dans le big bang qui sont encore facilement observables à nous aujourd'hui étaient protons et d'électrons (en nombre égal). Les protons finiraient par former des atomes d'hydrogène. Presque tous les neutrons créés lors du Big Bang ont été absorbés dans comptes d'hélium-4 dans les trois premières minutes après le Big Bang, et cela hélium pour la plupart de l'hélium dans l'univers d'aujourd'hui (voir Big Bang nucléosynthèse).

Certains fraction d'éléments au-delà de l'hélium ont été créés lors du Big Bang, que les protons et les neutrons sont entrés en collision les uns avec les autres (le lithium, le béryllium, et peut-être un peu de bore), mais tous les «éléments plus lourds" (carbone, l'élément numéro 6, et des éléments plus de numéro atomique ) que l'on voit aujourd'hui, ont été créés à l'intérieur d'étoiles pendant une série d'étapes de fusion, tels que la chaîne proton-proton, le Cycle CNO et de la triple processus-alpha. Progressivement éléments plus lourds sont créés au cours de la évolution d'une étoile.

Depuis l'énergie de liaison par nucléon pics autour du fer, de l'énergie ne est libéré dans les processus de fusion qui se produisent dessous de ce point. Depuis la création de noyaux plus lourds par fusion coûte de l'énergie, stations de nature à le processus de capture de neutrons. Neutrons (en raison de leur absence de charge) sont facilement absorbés par un noyau. Les éléments lourds sont créés soit par un processus de capture de neutrons lents (le procédé dit s) ou par le ou un processus rapide r. Le processus de s se produit dans pulsation thermique étoiles (appelé AGB ou asymptotique étoiles Giant Branch) et prend des centaines de milliers d'années pour atteindre les éléments les plus lourds de plomb et de bismuth. Le processus de r est pensé pour se produire dans des explosions de supernovae parce que les conditions de haute température, haute flux de neutrons et matière éjectée sont présents. Ces conditions stellaires font le neutron successive capture très rapide, impliquant des espèces très riches en neutrons qui a ensuite désintégration bêta d'éléments plus lourds, en particulier au niveau des points dits d'attente qui correspondent aux nucléides plus stables avec des coquilles de neutrons fermés (numéros de magie).

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