A física atômica e nuclear descrevem a física dos muito pequenos. Ao trabalhar com objetos tão pequenos, sua intuição construída a partir do seu entendimento da mecânica clássica geralmente falha. Este é o domínio da mecânica quântica, forças nucleares de curto alcance, radiação eletromagnética e o modelo padrão da física de partículas.
O que é a física atômica?

A física atômica é o ramo da física que lida com a estrutura da o átomo, estados de energia associados e a interação do átomo com partículas e campos. Por outro lado, a física nuclear concentra-se especificamente nos acontecimentos dentro do núcleo atômico, que são descritos em mais detalhes na próxima seção.

Existem vários itens de estudo em física de partículas. Primeiro e acima de tudo, é a estrutura do próprio átomo. Os átomos consistem em um núcleo firmemente ligado, que contém prótons e nêutrons, e uma nuvem de elétrons difusa.

Dado que o núcleo geralmente está na ordem de 10 <-5 a -15 a 10 <-up> -14 m em diâmetro, e os próprios átomos têm da ordem de 10 a 10 m de diâmetro (e o tamanho dos elétrons é insignificante), verifica-se que os átomos são na maior parte espaços vazios. É claro que eles não parecem ser e toda a matéria feita de átomos certamente parece substância.

A razão pela qual os átomos não parecem ser na maior parte espaço vazio é que você também é feito de átomos, e todos os átomos interagem com energia eletromagnética. Mesmo que sua mão, que é composta principalmente de átomos de espaço vazio, pressione contra uma mesa, também composta principalmente de espaço vazio, ela não passa pela mesa devido às forças eletromagnéticas entre os átomos quando entram em contato.

O neutrino, uma partícula que não interage com a força eletromagnética, é capaz de passar através da maioria dos materiais atômicos virtualmente não detectados. De fato, 100 trilhões de neutrinos passam pelo seu corpo a cada segundo!
Classificação atômica

Os átomos são classificados por número atômico na tabela periódica. O número atômico é o número de prótons que o átomo contém em seu núcleo. Esse número define o elemento.

Embora um determinado elemento sempre tenha o mesmo número de prótons, ele pode conter diferentes números de nêutrons. Isótopos diferentes de um elemento contêm números diferentes de nêutrons. Alguns isótopos são mais estáveis que outros (o que significa menos probabilidade de decair espontaneamente em outra coisa), e essa estabilidade normalmente depende do número de nêutrons, e é por isso que, para a maioria dos elementos, a maioria dos átomos costuma ser de um isótopo específico .

O número de elétrons que um átomo contém determina se ele é ionizado ou carregado. Um átomo neutro contém o mesmo número de elétrons que os prótons, mas às vezes os átomos podem ganhar ou perder elétrons e ficar carregados. A facilidade com que um átomo ganha ou perde elétrons depende de sua estrutura orbital de elétrons.

O átomo de hidrogênio é o átomo mais simples, contendo apenas um próton no núcleo. Os três isótopos mais estáveis do hidrogênio são o ópio (sem nêutrons), o deutério (com um nêutron) e o trítio (com dois nêutrons), sendo o própio o mais abundante.

Diferentes modelos do átomo foram propostos os anos, levando ao modelo atual. O trabalho inicial foi realizado por Ernest Rutherford, Niels Bohr e outros.
Espectros de Absorção e Emissão

Como mencionado, os átomos interagem com a força eletromagnética. Os prótons em um átomo carregam carga positiva e os elétrons carregam carga negativa. Os elétrons no átomo podem absorver a radiação eletromagnética e, como resultado, obter um estado de energia mais alto, ou emitir radiação e passar para um estado de energia mais baixo.

Uma propriedade essencial dessa absorção e emissão de radiação é que os átomos absorvem e emitem radiação apenas em valores quantizados muito específicos. E para cada tipo diferente de átomo, esses valores específicos são diferentes.

Um gás quente de material atômico emitirá radiação em comprimentos de onda muito específicos. Se a luz proveniente desse gás for passada através de um espectroscópio, que espalha a luz em um espectro pelo comprimento de onda (como um arco-íris), linhas de emissão distintas aparecerão. O conjunto de linhas de emissão provenientes do gás pode ser lido quase como um código de barras, informando exatamente o que átomos existem no gás.

Da mesma forma, se um espectro contínuo de luz é incidente em um gás frio, e a luz que passa por esse gás e passa por um espectroscópio, você vê um espectro contínuo com lacunas escuras nos comprimentos de onda específicos que o gás absorveu. Esse espectro de absorção será parecido com o inverso do espectro de emissão, as linhas escuras aparecendo onde as linhas brilhantes estavam para o mesmo gás. Como tal, também pode ser lido como um código de barras informando a composição do gás. Os astrônomos usam isso o tempo todo para determinar a composição do material no espaço.
O que é física nuclear?

A física nuclear se concentra no núcleo atômico, nas reações nucleares e na interação do núcleo com outras partículas. Explora decaimento radioativo, fusão nuclear e fissão nuclear, e energia de ligação, entre outros tópicos.

O núcleo contém um grupo fortemente unido de prótons e nêutrons. No entanto, estas não são partículas fundamentais. Prótons e nêutrons são feitos de partículas ainda menores chamadas quarks
.

Quarks são partículas com carga fracionária e nomes um pouco tolos. Eles vêm em seis sabores chamados: cima, baixo, cima, baixo, estranho e charme. Um nêutron é constituído por dois quarks descendentes e um quark ascendente, e um próton é constituído por dois quarks descendentes e um quark descendente. Os quarks em cada núcleo são fortemente ligados pela força nuclear forte.

A força nuclear forte é mediada por partículas chamadas glúons
. Você está sentindo um tema? Os cientistas se divertiram muito nomeando essas partículas! Os glúons, é claro, "colam" os quarks juntos. A força nuclear forte atua apenas em uma faixa muito curta - a uma distância comparável ao diâmetro do núcleo de tamanho médio.
Energia de ligação

Todo nêutron isolado tem uma massa de 1,6749275 × 10 ^{-27 kg, e todo próton isolado tem uma massa de 1,6726219 × 10 -27 kg; no entanto, quando unidas em um núcleo atômico, a massa atômica não é a soma de suas partes constituintes devido a algo chamado energia de ligação.}

Ao ficarem fortemente ligados, os núcleos atingem um estado de energia mais baixo como resultado de parte da massa total que eles tinham como partículas individuais é convertida em energia. Essa diferença de massa que é convertida em energia é chamada de energia de ligação do núcleo. A relação que descreve quanta energia corresponde a uma determinada quantidade de massa é a famosa equação de Einstein E \u003d mc ^{2
equação em que m
é a massa, c
é a velocidade da luz e E
é a energia.}

Um conceito relacionado é a energia de ligação por núcleo, que é a energia de ligação total de um núcleo em média sobre suas partes constituintes. A energia de ligação por núcleo é um bom indicador de quão estável é um núcleo. Uma baixa energia de ligação por núcleo indica que pode existir um estado mais favorável de energia total mais baixa para esse núcleo em particular, o que significa que provavelmente desejará se separar ou se fundir com outro núcleo nas condições adequadas.

Em geral , núcleos mais leves que núcleos de ferro tendem a atingir estados de energia mais baixos e energia de ligação mais alta por núcleo, fundindo-se com outros núcleos, enquanto núcleos mais pesados que o ferro tendem a alcançar estados de energia mais baixos dividindo-se em núcleos mais leves. Os processos pelos quais essas mudanças ocorrem são descritos na próxima seção.
Fissão, fusão e decaimento radioativo

O foco principal da física nuclear está no estudo da fissão, fusão e decaimento dos núcleos atômicos. Todos esses processos são conduzidos por uma noção fundamental de que todas as partículas preferem estados de energia mais baixos.
A fissão ocorre quando um núcleo pesado se divide em núcleos menores. Núcleos muito pesados são mais propensos a fazer isso porque possuem uma energia de ligação menor por núcleo. Como você deve se lembrar, existem algumas forças que governam o que está acontecendo em um núcleo atômico. A forte força nuclear une firmemente os nucleons, mas é uma força de curto alcance. Portanto, para núcleos muito grandes, é menos eficaz.

Os prótons carregados positivamente no núcleo também se repelem através da força eletromagnética. Essa repulsa deve ser superada pela forte força nuclear e também pode ser mediada por ter nêutrons suficientes por perto. Porém, quanto maior o núcleo, menos favorável é o equilíbrio de forças para a estabilidade. Portanto, núcleos maiores tendem a se separar por processos de decaimento radioativo ou por reações de fissão, como as que ocorrem em reatores nucleares ou bombas de fissão.

A fusão ocorre quando dois núcleos mais leves atingem um estado de energia mais favorável combinando-se em um núcleo mais pesado. No entanto, para que a fissão ocorra, os núcleos em questão devem se aproximar o suficiente um do outro para que a força nuclear forte possa assumir o controle. Isso significa que eles devem estar se movendo rápido o suficiente para que possam superar a repulsão elétrica. É assim que a fusão nuclear pode ocorrer no núcleo extremamente quente do sol. Até hoje, os cientistas ainda estão tentando encontrar uma maneira de fazer a fusão a frio - ou seja, a temperaturas mais baixas. Como a energia é liberada no processo de fusão e não deixa resíduos radioativos como os reatores de fissão tendem a fazer, seria um recurso energético incrível se alcançado.

O decaimento radioativo é um meio comum pelo qual os núcleos sofrem alterações para se tornarem. mais estável. Existem três tipos principais de decaimento: decaimento alfa, decaimento beta e decaimento gama.

No decaimento alfa, um núcleo radioativo libera uma partícula alfa (um núcleo de hélio-4) e se torna mais estável como resultado. O decaimento beta ocorre em algumas variedades, mas, em essência, resulta de um nêutron se tornar um próton ou um próton se tornar um nêutron e liberar um β ^{-
ou β +
partícula (um elétron ou um pósitron). O decaimento gama ocorre quando um núcleo em um estado excitado libera energia na forma de raios gama, mas mantém seu número total de nêutrons e prótons.
O Modelo Padrão da Física de Partículas
O estudo da física nuclear se estende no campo maior da física de partículas, que visa entender o funcionamento de todas as partículas fundamentais. O modelo padrão classifica as partículas em férmions e bósons e depois classifica os férmions em quarks e leptons, e os bósons em bósons de escala e escalares.
Os bósons não obedecem às leis de conservação de números, mas os férmions. Existe também uma lei de conservação para os números de lepton e quark, além de outras quantidades conservadas. As interações das partículas fundamentais são mediadas pelos bósons que transportam energia.
Aplicações da Física Nuclear e da Física Atômica}

As aplicações da física nuclear e atômica são abundantes. Reatores nucleares em usinas nucleares criam energia limpa, aproveitando a energia liberada durante os processos de fissão. A medicina nuclear utiliza isótopos radioativos para geração de imagens. Astrofísicos usam espectroscopia para determinar a composição de nebulosas distantes. A ressonância magnética permite que os médicos criem imagens detalhadas do interior de seus pacientes. Até a tecnologia de raios-X faz uso da física nuclear.