Πυρηνική φυσική

Πυρηνική αντίδραση

Η πυρηνική φυσική είναι ο τομέας της φυσικής που ασχολείται με τη μελέτη των φαινομένων που συσχετίζονται με τον πυρήνα του ατόμου, τα στοιχειώδη σωματίδια που τον αποτελούν καθώς και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους (δομή, χαρακτηριστικά, συμπεριφορά κλπ.). Ως επιστημονικός κλάδος αναπτύχθηκε τον 20ο αιώνα, μετά την ανακάλυψη της ραδιενέργειας από το ζεύγος Κιουρί και του πυρήνα του ατόμου από τον Ράδερφορντ. Από τη δεκαετία του 1930 κι έπειτα, δημιουργήθηκε ένας από τους κύριους κλάδους της σύγχρονης φυσικής, καθώς διαπιστώθηκε η δυνατότητα εφαρμογής της στην παραγωγή ενέργειας αλλά και την κατασκευή όπλων.

Η ιστορία του πυρήνα

Μέχρι τις αρχές του 20ού αιώνα, θεωρείτο ότι τα άτομα ήταν τα τελικά συστατικά της ύλης. Η ανακάλυψη της ραδιενέργειας το 1896 από τον Ανρί Μπεκερέλ και οι μελέτες που ακολούθησαν, ιδίως από τους Κιουρί, άρχισαν να υποδηλώνουν ότι τα ίδια τα άτομα μπορεί να είναι σύνθετα αντικείμενα. Πώς αλλιώς θα μπορούσε η ύλη να εκπέμπει αυθόρμητα σωματίδια, όπως στην περίπτωση της ραδιενέργειας άλφα;

Το 1911 ο Ράδερφορντ ανακάλυψε ότι τα άτομα όντως φαίνονταν να είναι σύνθετα αντικείμενα. Αναλύοντας τη διάχυση των σωματιδίων άλφα που εκπέμπονται από μια ραδιενεργό πηγή μέσα από ένα φύλλο χρυσού, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι "φαίνεται απλούστερο να υποθέσουμε ότι το άτομο περιέχει ένα κεντρικό φορτίο που κατανέμεται σε έναν πολύ μικρό όγκο... ". Το υπόδειγμα του Ράδερφορντ για το άτομο ήταν επομένως ένας κεντρικός πυρήνας με ηλεκτρικό φορτίο που περιβάλλεται από ηλεκτρόνια που κρατούνται σε τροχιά με ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Είχε ήδη προταθεί το 1904 από τον Hantarō Nagaoka.

Το 1919, ο Ράδερφορντ ανακάλυψε και πάλι την ύπαρξη στον πυρήνα του πρωτονίου, ενός σωματιδίου με στοιχειώδες θετικό φορτίο e, αλλά με μάζα πολύ μεγαλύτερη από εκείνη του ηλεκτρονίου (το οποίο έχει αρνητικό στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο). Το 1932, ο Τσάντγουικ απέδειξε την ύπαρξη του νετρονίου, ενός σωματιδίου που μοιάζει πολύ με το πρωτόνιο, εκτός από το γεγονός ότι δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο (εξ ου και το όνομά του). Παράλληλα, ο Χάιζενμπεργκ πρότεινε ότι ο ατομικός πυρήνας αποτελείται στην πραγματικότητα από μια συλλογή πρωτονίων και νετρονίων.

Το 1932, ο Λεό Σίλαρντ διατύπωσε την άποψη ότι οι πυρηνικές αλυσιδωτές αντιδράσεις μπορούν να παράγουν θερμική ενέργεια. Το 1934, ο Ενρίκο Φέρμι εισήγαγε την έννοια της ασθενούς αλληλεπίδρασης, η οποία θα γινόταν η θεωρία της στοιχειώδους αλληλεπίδρασης, που ολοκληρώθηκε το 1970, και η οποία εφαρμόζεται στην κινητική των νετρονίων, στη σταθερότητα του ατομικού πυρήνα και σε αυτό που σήμερα είναι γνωστό ως "πυρηνική αντίδραση". Η φυσική αυτή απομακρύνθηκε από την κλασική φυσική, στην οποία οι ενέργειες εκφράζονται χωρίς ασυνέχεια, προς την κβαντική φυσική, στην οποία οι ενέργειες είναι ασθενείς αλλά έχουν ασυνεχείς τιμές.

Πυρηνική δομή

Η αλληλεπίδραση που συγκρατεί τα νουκλεόνια στον πυρήνα είναι αποτέλεσμα της ισχυρής πυρηνικής αλληλεπίδρασης που συνδέει τα κουάρκ στο νουκλεόνιο. Η ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση είναι η πιο έντονη από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης (εξ ου και το όνομά της)- έχει πολύ μικρή εμβέλεια, η οποία εξασφαλίζει την ισχυρή συνοχή των νουκλεονίων, και μπορούν να θεωρηθούν ως στοιχειώδη σωματίδια (αγνοώντας την εσωτερική τους δομή) σε ένα ευρύ ενεργειακό εύρος (έως GeV).

Το υπόλειμμα αυτής της αλληλεπίδρασης γίνεται αισθητό έξω από τα νουκλεόνια: είναι ισχυρά απωθητικό μέχρι το 1 φερμί, όπου γίνεται ισχυρά ελκυστικό, και στη συνέχεια μειώνεται εκθετικά (βλέπε σχήμα για μια συγκεκριμένη διαμόρφωση σπιν). Καθώς τα πρωτόνια είναι φορτισμένα σωματίδια, αλληλεπιδρούν επίσης μέσω της αλληλεπίδρασης Κουλόμπ. Εάν ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι μεγάλος, η αλληλεπίδραση Κουλόμπ υπερισχύει της ισχυρής αλληλεπίδρασης και οι πυρήνες γίνονται ασταθείς. Το ποσό της ενέργειας που συγκρατεί τον πυρήνα ενωμένο ονομάζεται ενέργεια σύνδεσης του πυρήνα.

Πυρηνικές αντιδράσεις

Μια αντίδραση λέγεται πυρηνική όταν υπάρχει αλλαγή στην κβαντική κατάσταση του πυρήνα. Στην αντίδραση συμμετέχουν τα νουκλεόνια που αποτελούν τον πυρήνα, αλλά και άλλα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια e-, τα ποζιτρόνια e+...

Οι πυρηνικές αντιδράσεις μπορεί να είναι διαφόρων τύπων. Οι σημαντικότερες μεταβάλλουν τη σύσταση του πυρήνα και επομένως είναι επίσης μετατροπές:

• Διάσπαση: ένας βαρύς πυρήνας διασπάται σε δύο ή περισσότερα θραύσματα. Αυτός είναι ο τύπος αντίδρασης που χρησιμοποιείται στις ατομικές βόμβες τύπου Α και στους πυρηνικούς σταθμούς,
• Σύντηξη: δύο ελαφροί πυρήνες συντήκονται μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο τα αστέρια παράγουν ενέργεια. Η πυρηνική σύντηξη είναι η πηγή της νουκλεοσύνθεσης, η οποία εξηγεί τη γένεση όλων των στοιχείων του περιοδικού πίνακα των στοιχείων του Μεντελέγιεφ και των ισοτόπων τους. Είναι επίσης το είδος της αντίδρασης που χρησιμοποιείται στις λεγόμενες βόμβες υδρογόνου (βόμβες Η). Η χρήση της σύντηξης για την παραγωγή πολιτικής ενέργειας δεν έχει ακόμη κατακτηθεί. Η κατάκτησή της αποτελεί το αντικείμενο του διεθνούς προγράμματος ITER6,
• Ραδιενέργεια: ένας πυρήνας εκπέμπει αυθόρμητα ένα ή περισσότερα σωματίδια. Γίνεται διάκριση μεταξύ :
  • α ραδιενέργεια, κατά την οποία εκπέμπεται πυρήνας ηλίου-4,
  • β ραδιενέργεια, κατά την οποία εκπέμπεται είτε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ηλεκτρονικό αντινετρίνο (β-) είτε ένα ποζιτρόνιο και ένα ηλεκτρονικό νετρίνο (β+),
  • γ ραδιενέργεια, κατά την οποία ένας πυρήνας χάνει την ενέργειά του μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας.

Με την έλευση των επιταχυντών σωματιδίων και των βαρέων πυρήνων (Α > 8), μελετήθηκαν νέοι τύποι αντιδράσεων :

• αντιδράσεις μεταφοράς όπου ένα ή περισσότερα νουκλεόνια ανταλλάσσονται μεταξύ των πυρήνων της δέσμης και εκείνων του στόχου
• σπαλλαγή (knock-out reaction): ελαφρά σωματίδια (νετρόνια, για παράδειγμα) εκτοξεύονται σε έναν πυρήνα-στόχο και αποβάλλουν ένα ή περισσότερα νουκλεόνια από τον πυρήνα αυτό,
• συγκρούσεις μεταξύ βαρέων πυρήνων, όπου το ποσό της διαθέσιμης κινητικής ενέργειας είναι πολύ υψηλό, οδηγώντας σε πυρήνες με υψηλή διέγερση (θερμοί πυρήνες ή ακόμη και ο σχηματισμός πλάσματος κουάρκ-γκλουονίων σε πολύ υψηλές ενέργειες).
• σε βίαιες συγκρούσεις, ο πολυθρυμματισμός διασπά έναν πυρήνα σε περισσότερους από δύο πυρήνες,

Άλλες αλληλεπιδράσεις δεν αλλάζουν τη σύσταση του πυρήνα, αλλά μεταφέρουν σε αυτόν ενέργεια διέγερσης:

• αντιδράσεις διασποράς: τροποποιείται η τροχιά του βλήματος (φωτόνιο, νουκλεόνιο ή σύνολο νουκλεονίων). Η ελαστική σκέδαση συμβαίνει όταν η κινητική ενέργεια του συστήματος {προβλήματος-στόχου} διατηρείται. Αν αυτό δεν συμβαίνει, μιλάμε για ανελαστική σκέδαση: επιπλέον δυνητική ενέργεια (από τον πυρήνα) απελευθερώνεται τη στιγμή της αλληλεπίδρασης. Όταν το προσπίπτον σωματίδιο είναι φωτόνιο, η σκέδαση ονομάζεται αλλιώς, ανάλογα με το φυσικό φαινόμενο που εμπλέκεται:
  • Η σκέδαση Τόμσον περιλαμβάνει ένα φωτόνιο που αλληλεπιδρά με ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Αυτή ονομάζεται συνεκτική σκέδαση επειδή το μήκος του σκεδαζόμενου φωτονίου είναι το ίδιο με το προσπίπτον φωτόνιο (βλέπε επόμενο σημείο). Η σκέδαση Τόμσον είναι ελαστική σκέδαση που λαμβάνει γενικά χώρα μεταξύ μερικών δεκάδων keV και 100 keV,
  • Όταν το φωτόνιο έχει υψηλότερη ενέργεια πρόσπτωσης (πάνω από περίπου 100 keV), η ενέργεια του επανεκπεμπόμενου φωτονίου είναι χαμηλότερη από εκείνη του προσπίπτοντος φωτονίου. Αυτό είναι γνωστό ως φαινόμενο Κόμπτον (μεταβολή του μήκους κύματος). Η σκέδαση Κόμπτον είναι επίσης ελαστική σκέδαση (η διαφορά ενέργειας μεταξύ της προσπίπτουσας ακτίνας γάμμα και της επανεκπεμπόμενης ακτίνας γάμμα μεταδίδεται στο ηλεκτρόνιο). Η σκέδαση Τόμσον είναι μια ειδική περίπτωση σκέδασης Κόμπτον (όταν η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου είναι πολύ μικρότερη από 511 keV). Επομένως, η σκέδαση Τόμσον δεν είναι αυστηρά μιλώντας συνεκτική σκέδαση, αλλά η διαφορά στο μήκος κύματος μεταξύ του εκπεμπόμενου σωματιδίου και του προσπίπτοντος σωματιδίου είναι πολύ μικρή για να μετρηθεί,
  • Όταν το προσπίπτον φωτόνιο αλληλεπιδρά με ένα ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο (ακριβέστερα με ένα μόριο με διπολική ροπή όπως το Ν2 ή το Ο2, τα οποία βρίσκονται στον αέρα - το βαρύκεντρο του ηλεκτρονιακού νέφους του ενός (ή και των δύο) ατόμων δεν συμπίπτει με τον πυρήνα), αυτό ονομάζεται σκέδαση Rayleigh. Η σκέδαση Ρέιλεϊ είναι απόλυτα συνεκτική. Επικρατεί για φωτόνια μερικών eV. Συγκεκριμένα, εξηγεί το γαλάζιο χρώμα του ουρανού,

• το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: το προσπίπτον φωτόνιο "εξαφανίζεται" μεταδίδοντας την ενέργειά του με τη μορφή κινητικής ενέργειας σε ένα ηλεκτρόνιο. Το φαινόμενο αυτό είναι κυρίαρχο για φωτόνια με ενέργειες μικρότερες από μερικές δεκάδες keV.

Εφαρμογές της πυρηνικής φυσικής

Αστροφυσική

Η πυρηνοσύνθεση εξηγεί πώς παράγονται οι διάφοροι πυρήνες που συνθέτουν το σύμπαν. Ωστόσο, απαιτούνται δύο πολύ διαφορετικές διαδικασίες για να εξηγηθεί η αφθονία των διαφόρων χημικών στοιχείων στο σύμπαν:

• Στην πρώτη φάση, κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης, οι πυρήνες 2D, 3He, 4He και 7Li σχηματίζονται από το υδρογόνο. Κανένα βαρύτερο στοιχείο δεν συντέθηκε, επειδή αυτή η φάση είναι σχετικά σύντομη. Για να σχηματιστούν στοιχεία βαρύτερα από το λίθιο, απαιτείται μια αντίδραση στην οποία εμπλέκονται τρεις πυρήνες ηλίου, γνωστή ως τριπλή αντίδραση άλφα. Αυτό το είδος αντίδρασης είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθεί και μπορεί να λάβει χώρα μόνο σε περιόδους πολύ μεγαλύτερες από τα λίγα λεπτά της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης,
• Η υπόλοιπη πυρηνοσύνθεση λαμβάνει χώρα στον πυρήνα των άστρων. Αυτό είναι γνωστό ως αστρική πυρηνοσύνθεση. Η αστρική πυρηνοσύνθεση μπορεί να χωριστεί σε δύο διαδικασίες: την αργή πυρηνοσύνθεση, η οποία λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό των άστρων και επιτρέπει τη σύνθεση στοιχείων ελαφρύτερων από το σίδηρο, και την εκρηκτική πυρηνοσύνθεση, η οποία παράγεται μόνο κατά τη διάρκεια αστρικών εκρήξεων, γνωστών ως υπερκαινοφανείς. Αυτό είναι γνωστό ως εκρηκτική πυρηνοσύνθεση.

Τα στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα πέρα από το ουράνιο, έχουν ανακαλυφθεί με τεχνητό τρόπο σε πυρηνικά εργαστήρια. Το βαρύτερο γνωστό στοιχείο σήμερα έχει Ατομικό Αριθμό ίσο με 113.

Σήμερα κύριο αντικείμενο μελέτης της Πυρηνικής Φυσικής αποτελούν τα φαινόμενα όχι μόνο αυτά που εξελίσσονται στον πυρήνα των ατόμων αλλά και εκείνα που μπορούν να εξελιχθούν κάτω από ειδικές συνθήκες. Και τέτοια φαινόμενα είναι οι αλλαγές των πυρήνων που οφείλονται στις πυρηνικές αντιδράσεις.

Αρχαιολογία

Η ραδιομετρική χρονολόγηση (επίσης γνωστή ως "ραδιοχρονολογία") είναι μια μέθοδος απόλυτης χρονολόγησης που χρησιμοποιεί την τακτική διακύμανση με την πάροδο του χρόνου της αναλογίας των ραδιοϊσοτόπων σε ορισμένα σώματα. Η πιο γνωστή είναι αναμφίβολα η χρονολόγηση με άνθρακα-14, αλλά υπάρχουν και πολλές άλλες. Δεν χρησιμοποιούν όλες το ίδιο φυσικό και γεωλογικό σκεπτικό και η ακρίβειά τους ποικίλλει. Οι ραδιομετρικές μέθοδοι χρονολόγησης αποτελούν τον πυρήνα της ισοτοπικής γεωλογίας.

Ιατρική

Η πυρηνική ιατρική βασίζεται στη χρήση ραδιενεργών πηγών και στην αλληλεπίδρασή τους με τον ανθρώπινο ιστό. Η αλληλεπίδραση αυτή αξιοποιείται για διαγνωστικούς σκοπούς (π.χ. ακτινολογία) ή για θεραπεία (π.χ. ακτινοθεραπεία). Από τη δεκαετία του 1980 έχουν αναπτυχθεί τεχνικές απεικόνισης με πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (MRI), οι οποίες χρησιμοποιούν τις μαγνητικές ιδιότητες των πυρήνων.

Παραγωγή ενέργειας

Η πυρηνική ενέργεια μπορεί να παραχθεί από δύο πηγές: σχάση βαρέων πυρήνων (οικογένεια ακτινιδίων, όπως το ουράνιο) ή σύντηξη ελαφρών πυρήνων (δευτέριο, τρίτιο).

Η ενέργεια μπορεί να παραχθεί :

• σύντομη και έντονη: αυτή είναι η αρχή της πυρηνικής βόμβας,
• ελεγχόμενη σε βάθος χρόνου (τόσο για πολιτική όσο και για στρατιωτική παραγωγή).

Ελεγχόμενη παραγωγή ενέργειας

Προς το παρόν, η βιομηχανία μπορεί να αξιοποιήσει μόνο την ενέργεια που προέρχεται από τη σχάση βαρέων πυρήνων. Η ενέργεια αυτή χρησιμοποιείται στη συνέχεια :

• είτε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, όπως στην περίπτωση των πυρηνικών σταθμών παραγωγής ενέργειας,

Η διαφοροποίηση της από την Ατομική φυσική

Για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα η Πυρηνική Φυσική ήταν ταυτόσημη με την Ατομική Φυσική, μιας και δεν είχαν εντοπιστεί τα βασικά συστατικά που αποτελούν τον πυρήνα, όπως τα γνωρίζουμε σήμερα. Η βασική παρατήρηση του Ράδερφορντ (Ernest Rutherford) κατά τη διάρκεια πειραμάτων σκέδασης ότι το σύνολο της μάζας του ατόμου ήταν συγκεντρωμένο στο κέντρο του και ότι υπήρχε θετικό φορτίο στο άτομο το οποίο προκαλούσε οπισθοσκέδαση σωματιδίων άλφα που εκτοξευόταν προς αυτό, ήταν η πρώτη ουσιαστική ένδειξη για την ύπαρξη των πρωτονίων στο κέντρο του ατόμου. Η ανακάλυψη του έτερου συστατικού του πυρήνα, του νετρονίου, έγινε μερικά χρόνια αργότερα, το 1932, από τον ΤσάντγουΪκ (James Chadwick).

Βιβλιογραφία

• General Chemistry by Linus Pauling (Dover 1970) (ISBN 0-486-65622-5)
• Introductory Nuclear Physics by Kenneth S. Krane (3rd edition, 1987) (ISBN 978-0471805533) [Undergraduate textbook]
• Theoretical Nuclear And Subnuclear Physics by John D. Walecka (2nd edition, 2004) (ISBN 9812388982) [Graduate textbook]
• Nuclear Physics in a Nutshell by Carlos A. Bertulani (Princeton Press 2007) (ISBN 978-0-691-12505-3)

Δημοσιεύσεις

Εισαγωγικά

• Belyaev, Alexander· Ross, Douglas (2021). The Basics of Nuclear and Particle Physics. Undergraduate Texts in Physics. Cham: Springer International Publishing. ISBN 978-3-030-80115-1. Ανακτήθηκε στις 19 Φεβρουαρίου 2023. 
• Povh, Bogdan· Rith, Klaus· Scholz, Christoph· Zetsche, Frank· Rodejohann, Werner (2015). Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. Graduate Texts in Physics. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-662-46320-8. Ανακτήθηκε στις 27 Μαΐου 2024. 

Έργα αναφοράς

• Handbook of Nuclear Physics. Isao Tanihata, Hiroshi Toki, Toshitaka Kajino (eds.). Singapore: Springer Nature Singapore. 2020. ISBN 9789811588181. Ανακτήθηκε στις 31 Μαΐου 2023. 

Προχωρημένο

• Bohr, Aage· Mottelson, Ben R. Nuclear Structure: (In 2 Volumes). World Scientific. ISBN 978-981-02-3197-2. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 20 Ιανουαρίου 2023. 
• Paetz gen. Schieck, Hans (2014). Nuclear Reactions: An Introduction. Lecture Notes in Physics. 882. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-53985-5. 

Κλασικά ή ιστορικά έργα

• Mott, N. F.· Massey, H. S. W. (1949). The Theory Of Atomic Collisions. The International Series of Monographs on Physics (2. έκδοση). Oxford: Calrendon Press (OUP). 
• Blatt, John M.· Weisskopf, Victor F. (1979). Theoretical Nuclear Physics. New York, NY: Springer New York. ISBN 978-1-4612-9961-5. Ανακτήθηκε στις 22 Φεβρουαρίου 2023. 
• Bethe, Hans A.· Morrison, Philip (2006). Elementary Nuclear Theory. Mineola, NY: Dover Publications. ISBN 978-0-486-45048-3. 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Ernest Rutherford's biography at the American Institute of Physics Archived - Wayback Machine
• CNRS Institut national de physique nucléaire et de physique des particules
• Vortrag von Martin Schumacher Goettingen