Vários dias nublados em Paris em 1896 "arruinaram" o experimento de Henri Becquerel, mas nesse processo nasceu o campo da física nuclear. Becquerel estava disposto a provar sua hipótese de que o urânio absorveu a luz solar e a irradiava sob a forma de raios-X, descobertos no ano anterior.
Fundamentos de física nuclear: história e descoberta

Plano de Becquerel era trazer o uranil sulfato de potássio para a luz do sol e colocá-lo em contato com placas fotográficas embrulhadas em papel preto, porque, embora a luz visível não passasse, os raios X o fariam. Apesar da falta de luz do sol, ele decidiu seguir o processo de qualquer maneira e ficou chocado ao descobrir imagens ainda gravadas na placa fotográfica.

Testes adicionais mostraram que não eram raios X, apesar de sua premissas. O caminho da luz não é dobrado por um campo magnético, mas a radiação do urânio foi desviada por um, e isso - junto com o primeiro resultado - foi como a radiação foi descoberta. Marie Curie cunhou o termo radioatividade e, junto com o marido Pierre, descobriu polônio e rádio, identificando as fontes precisas da radioatividade. Mais tarde, Ernest Rutherford criou os termos partículas alfa, partículas beta e gama. partículas para o material irradiado e o campo da física nuclear realmente avançou.

É claro que as pessoas sabem muito mais sobre física nuclear agora do que na virada do século XX, e esse é um tópico crucial para entender e aprender sobre qualquer estudante de física. Se você quer entender a natureza da energia nuclear, as forças nucleares fortes e fracas ou contribuir com campos como a medicina nuclear, aprender o básico é essencial.
O que é a Física Nuclear?

A física nuclear é essencialmente a física do núcleo, a parte do átomo que contém os dois "hadrons" mais conhecidos, prótons e nêutrons.

Em particular, ele examina as forças que operam no núcleo (a forte interação que liga os prótons) e nêutrons juntos no núcleo, além de manter seus quarks componentes juntos, e a fraca interação relacionada ao decaimento radioativo) e a interação dos núcleos com outras partículas.
Física nuclear abrange tópicos como a fusão nuclear (que refere-se à energia de ligação de diferentes elementos), fissão nuclear (que é a divisão de elementos pesados para produzir energia), bem como decaimento radioativo e estrutura básica e forças em jogo no núcleo.

Existem muitos prático aplicações do campo, incluindo (mas não limitado a) trabalho em energia nuclear, medicina nuclear e física de alta energia.
Estrutura do átomo

Um átomo é composto de um núcleo, que contém positivamente prótons carregados e nêutrons não carregados, mantidos juntos pela forte força nuclear. Elas são cercadas por elétrons com carga negativa, que formam o que é chamado de "nuvem" ao redor do núcleo, e o número de elétrons corresponde ao número de prótons em um átomo neutro.

Existem vários modelos de átomos proposto ao longo da história da física, incluindo o modelo "pudim de ameixa" de Thomson, o modelo "planetário" de Rutherford e Bohr e o modelo mecânico quântico moderno descrito acima.

O núcleo é minúsculo, em torno de 10 ^{- 15 m, contendo a maior parte da massa do átomo, enquanto o átomo inteiro está na ordem de 10 <-10 m. Não deixe a notação enganar você: isso significa que o núcleo é cerca de 100.000 vezes menor que o átomo em geral, mas contém a grande maioria do problema. Portanto, o átomo é predominantemente espaço vazio!}

A massa do átomo não é exatamente a mesma que a massa das partes constituintes: se você somar as massas dos prótons e nêutrons, ele já excederá a massa de o átomo, antes mesmo de você explicar a massa muito menor do elétron.

Isso é chamado de "defeito de massa" do átomo, e se você converter essa diferença em energia usando a famosa equação de Einstein E
\u003d mc
^{2, você obtém a "energia de ligação" do núcleo.}

Essa é a energia que você teria que colocar no sistema para dividir a energia. núcleo em seus prótons e nêutrons constituintes. Essas energias são muito, muito maiores que a energia necessária para remover um elétron de sua “órbita” ao redor do núcleo.
Matéria Nuclear e Estrutura Nuclear

Os dois tipos de nucleon (isto é, partícula do núcleo) ) são o próton e o nêutron, e estes estão fortemente ligados no núcleo do átomo.

Embora esses geralmente sejam os núcleons dos quais você ouvirá falar, eles não são realmente partículas fundamentais no modelo padrão da física de partículas. O próton e o nêutron são compostos de partículas fundamentais chamadas quarks, que vêm em seis "sabores" e cada uma carrega uma fração da carga de um próton ou elétron.

Um quark up tem 2/3 e
carga, onde e
é a carga de um elétron, enquanto um quark baixo tem uma carga de -1/3 e
. Isso significa que dois quarks up e um quark down combinados produziriam uma partícula com uma carga positiva de magnitude e
, que é um próton. Por outro lado, um quark up e dois quarks down produzem uma partícula sem carga geral, o nêutron.
O Modelo Padrão da Física de Partículas

O modelo padrão cataloga todas as partículas fundamentais conhecidas atualmente, e os agrupa em dois grupos principais: férmions e bósons. Os férmions são subdivididos em quarks (que, por sua vez, produzem hádrons como prótons e nêutrons) e leptons (que incluem elétrons e neutrinos), e os bósons são subdivididos em bósons de bitola e escalares. conhecido até o momento, com os outros bósons - o fóton, o glúon, os zós-Z e os bósons-W e os bósons - sendo bósons de bitola.

Os férmions, diferentemente dos bósons, obedecem " por exemplo, existe uma lei de conservação do número de lepton, que explica coisas como as partículas produzidas como parte dos processos de decaimento nuclear (porque a criação de um elétron com o número 1 de lepton, por exemplo, precisa ser equilibrado com a criação de outra partícula com número de lepton −1, como um antineutrino de elétrons).

O número de quarks também é conservado, e também existem outras quantidades conservadas.

Bósons são partículas portadoras de força e, portanto, as interações das partículas fundamentais são mediadas pelos bósons. Por exemplo, a interação dos quarks é mediada por glúons, e as interações eletromagnéticas são mediadas por fótons.
Força nuclear forte e força nuclear fraca

Embora a força eletromagnética se aplique no núcleo, as principais forças que você precisa considerar são as forças nucleares fortes e fracas. A força nuclear forte é carregada por glúons, e a força nuclear fraca é carregada por W
^{± e os Z
0 bósons.}

o nome sugere, a força nuclear forte é a mais forte de todas as forças fundamentais, seguida pelo eletromagnetismo (10 vezes mais fraco), a força fraca (10 vezes 6 vezes mais fraca) e a gravidade (10 vezes mais) mais fraco). A enorme diferença entre a gravidade e o resto das forças é o motivo pelo qual os físicos a negligenciam ao discutir a matéria no nível atômico.

A força forte precisa ser forte para superar a repulsão eletromagnética entre eles. os prótons com carga positiva no núcleo - se tivesse sido mais fraco que a força eletromagnética, nenhum átomo com mais de um próton no núcleo teria sido capaz de se formar. No entanto, a força forte tem um alcance muito curto.

Isso é importante porque mostra por que a força não é perceptível, mesmo na escala de átomos ou moléculas inteiros, mas também significa que a repulsão eletromagnética se torna mais relevante para núcleos pesados (ou seja, átomos maiores). Essa é uma das razões pelas quais os núcleos instáveis costumam ser os dos elementos pesados.

A força fraca também tem um alcance muito curto, e essencialmente faz com que os quarks mudem de sabor. Isso pode fazer com que um próton se torne um nêutron e vice-versa, e assim pode ser considerado a causa dos processos de decaimento nuclear, como o beta mais e o decaimento negativo.
Decaimento radioativo

Existem três tipos de decaimento radioativo: decaimento alfa, decaimento beta e decaimento gama. Decaimento alfa é quando um átomo decai liberando uma “partícula alfa”, que é outro termo para um núcleo de hélio.

Existem três subtipos de decaimento beta, mas todos eles envolvem um próton que se transforma em um nêutron ou vice-versa. Um decaimento beta menos é quando um nêutron se torna um próton e libera um elétron e um antineutrino de elétrons no processo, enquanto que no decaimento beta mais, um próton se torna um nêutron e libera um pósitron (ou seja, um anti-elétron) e um elétron neutrino.

Na captura de elétrons, um elétron das partes externas do átomo é absorvido no núcleo e um próton é convertido em nêutron, e um neutrino é liberado do processo.

Decaimento gama é um decaimento em que a energia é liberada, mas nada no átomo muda. Isso é análogo ao modo como um fóton é liberado quando um elétron faz a transição de um estado de alta energia para um estado de baixa energia. Um núcleo excitado faz uma transição para um estado de baixa energia e emite um raio gama como ele faz.
Fissão nuclear e fusão nuclear

A fusão nuclear ocorre quando dois núcleos se fundem e criam um núcleo mais pesado. É assim que a energia é gerada no sol, e fazer com que o processo ocorra na Terra para geração de energia é um dos maiores objetivos da física experimental.

O problema é que exige temperaturas e pressões extremamente altas, e, portanto, níveis de energia muito altos. No entanto, se os cientistas o conseguirem, a fusão pode se tornar uma fonte de energia vital, à medida que a sociedade continua a crescer e consumimos quantidades crescentes de energia.

A fissão nuclear é a divisão de um elemento pesado em dois núcleos mais leves, e isso é o que alimenta a atual geração de reatores nucleares.

A fissão também é o princípio operacional das armas nucleares, que é uma das principais razões pelas quais é uma área controversa. Na prática, a fissão funciona através de uma série de reações em cadeia. Um nêutron que cria a divisão inicial em um elemento pesado como o urânio gera um nêutron livre adicional após a reação, que pode causar outra divisão e assim por diante.

Essencialmente, esses dois processos ganham energia através da relação E
\u003d mc
^{2, uma vez que a fusão ou divisão de átomos envolve a liberação de energia da “massa perdida”.
Aplicações da Física Nuclear}

Há uma enorme variedade de aplicações da física nuclear. Notavelmente, reatores nucleares e usinas nucleares estão operacionais em muitos países ao redor do mundo, e muitos físicos estão trabalhando em projetos novos e mais seguros.

Por exemplo, alguns projetos de reatores nucleares têm como objetivo garantir que o material de origem não possa ser usado para criar armas nucleares, que exigem uma fonte muito mais enriquecida de urânio (ou seja, um urânio "mais puro") para funcionar.

A medicina nuclear é outra área importante da física nuclear. A medicina nuclear envolve quantidades muito pequenas de material radioativo sendo administradas ao paciente e, em seguida, detectores são usados para capturar imagens da radiação emitida. Isso ajuda os médicos a diagnosticar rins, tireóide, coração e outras condições.

É claro que existem muitas outras áreas em que a física nuclear é essencialmente, incluindo física de alta energia e aceleradores de partículas como CERN e astrofísica, onde muitos os processos dominantes nas estrelas dependem fortemente da física nuclear.