Fizyka nuklearna

Fizyki Jądrowej jest nauką, że badania nie tylko jądro atomowe jako taki (rozwój modelu teoretycznego), ale również, jak to oddziaływuje gdy cząstka pochodzi „bliskie” (rząd wielkości wynosi 10 - 12 cm , jedna często przemawia fizyka jądrowa przekroju poprzecznego, którego jednostką jest stodoła lub 10 -24 cm 2 ) jądra (uzyskiwanie wyników eksperymentalnych). Po krótkim przypomnieniu historycznym, artykuł ten poświęcony jest opisaniu:

Wprowadzenie

Materia składa się z cząsteczek , kryształów lub jonów, które same składają się z atomów . Atomy te powstają z centralnego jądra otoczonego chmurą elektronową. Fizyka jądrowa to nauka, która interesuje się wszystkimi zjawiskami fizycznymi dotyczącymi jądra atomowego. Ze względu na swój mikroskopijny rozmiar, użyte narzędzia matematyczne mieszczą się zasadniczo w ramach formalizmu mechaniki kwantowej .

Jądro atomowe składa się z nukleony , które są podzielone na protonów i neutronów . Protony to cząstki, które mają dodatni elementarny ładunek elektryczny , natomiast neutrony to cząstki obojętne. Mają tylko moment magnetyczny i dlatego nie są bardzo wrażliwe na pole elektromagnetyczne , w przeciwieństwie do protonów. Gdybyśmy zasymilowali jądro atomowe do twardej kuli, promień tej kuli wynosiłby kilka fermis, 1 fermi ma wartość 10 -15 metrów (1 fermi = 1 femtometr ). Jądra o tej samej wartości Z, czyli o tej samej liczbie protonów i nie mające takiej samej liczby neutronów nazywamy izotopami .

Sedno w historii

Do przełomu XIX i XX  wieku uważano, że ostatecznym składnikiem materiału są atomy . Odkrycie radioaktywności w 1896 przez Henri Becquerela i późniejsze badania, w szczególności przez parę Curie , zaczęły sugerować, że atomy mogą same być obiektami złożonymi. Jak inaczej materia mogłaby spontanicznie emitować cząstki, jak w przypadku radioaktywności alfa?

W 1911 Rutherford odkrył, że atomy wydają się być obiektami złożonymi. Analizując dyfuzję cząstek alfa emitowanych przez źródło promieniotwórcze przez płatek złota, doszedł do wniosku, że „najprostszy wydaje się przypuszczać, że atom zawiera centralny [elektryczny] ładunek rozłożony w bardzo małej objętości.” ( „  Najprościej jest przypuszczać, że atom zawiera centralny ładunek rozłożony w bardzo małej objętości...  " . Model atomu Rutherforda był zatem centralnym jądrem z ładunkiem elektrycznym otoczonym przez elektrony utrzymywane na orbicie przez oddziaływanie elektromagnetyczne. Zaproponował ją już w 1904 roku Hantarō Nagaoka .

W 1919 Rutherford wciąż odkrył istnienie w jądrze protonu , cząstki posiadającej dodatni ładunek elementarny e , ale posiadającej masę znacznie większą niż elektronu (który ma ujemny elementarny ładunek elektryczny). W 1932 Chadwick podkreślił istnienie neutronu, cząstki bardzo podobnej do protonu, z wyjątkiem tego, że nie ma ładunku elektrycznego (stąd jego nazwa). Jednocześnie Heisenberg sugeruje, że jądro atomowe w rzeczywistości składa się z zestawu protonów i neutronów.

Struktura jądrowa

Oddziaływanie silne utrzymuje spójność nukleonów w jądrze. Jest to najbardziej intensywna z czterech podstawowych sił natury (stąd jej nazwa). Charakteryzuje się tym, że jest silnie przyciągający na krótkich dystansach (kiedy nukleony zbliżają się bardzo blisko siebie), odstraszający na "średniej" odległości i znoszący się na dalekich dystansach. Ponieważ protony są naładowanymi cząstkami, oddziałują one również poprzez oddziaływanie kulombowskie . Jeśli liczba protonów w jądrze jest duża, to drugie ma pierwszeństwo przed oddziaływaniem silnym i jądra stają się niestabilne. Ilość energii, która utrzymuje jądro razem, nazywana jest energią wiązania jądra .

Reakcje jądrowe

Mówi się, że reakcja jest jądrowa, gdy następuje modyfikacja stanu kwantowego jądra. W reakcji uczestniczą wówczas nukleony tworzące jądro, ale także inne cząstki, takie jak e - elektrony , e + pozytony itp.

Reakcje jądrowe mogą mieć kilka rodzajów. Najważniejsze z nich modyfikują skład jądra i dlatego też są transmutacjami ; w naturze obserwujemy:

Wraz z pojawieniem się akceleratorów cząstek i ciężkich jąder zbadano nowe typy reakcji:

Inne interakcje nie zmieniają składu jądra, ale przenoszą do niego energię wzbudzenia:

Zastosowania fizyki jądrowej

Astrofizyka

Nukleosynteza mówi produkcji we wszechświecie różnych jąder, które obecnie stanowią. Jednak do wyjaśnienia obfitości różnych pierwiastków chemicznych we wszechświecie potrzebne są dwa bardzo różne procesy:

Archeologia

Lekarstwo

Medycyny nuklearnej w oparciu o wykorzystanie źródeł promieniotwórczych i interakcji z tych źródeł z tkanki ludzkiej. Ta interakcja jest wykorzystywana do celów diagnostycznych ( np. radiologia ) lub leczniczych ( radioterapia ). Od lat 80. opracowano techniki obrazowania metodą jądrowego rezonansu magnetycznego (MRI) , które wykorzystują właściwości magnetyczne jąder.

Produkcja energii

Produkcja energii jądrowej może mieć dwa źródła: rozszczepienie ciężkiego jądra (rodzina aktynowców, takich jak uran) lub fuzja lekkich jąder (takich jak deuter , tryt ).

Produkcja energii może być:

Kontrolowana produkcja energii

Obecnie producenci mogą wykorzystywać tylko energię pochodzącą z rozszczepienia ciężkich jąder. Energia jest następnie wykorzystywana:

  • albo do produkcji energii elektrycznej, tak jest w przypadku elektrowni jądrowych”
  • albo w celu umożliwienia poruszania się pojazdu, szczególnie w sektorze morskim (lotniczki, okręty podwodne o napędzie atomowym) i lotniczym

Wykorzystanie syntezy jądrowej do cywilnej produkcji energii nie zostało jeszcze opanowane. Jej opanowanie jest przedmiotem międzynarodowego projektu ITER .

Zastosowanie wojskowe (bomba nuklearna)

Przemysł spożywczy: sterylizacja żywności

Zobacz napromienianie żywności .

Analiza aktywacji

Zasada polega na napromieniowaniu pod strumieniem neutronów obiektu w celu wytworzenia produktów aktywacji, które są radioizotopami utworzonymi z pierwiastków obecnych w analizowanej matrycy. Każdy radioizotop emituje charakterystyczne linie X/gamma. W zależności od intensywności emitowanych linii można cofnąć się do składu wyjściowego, w proporcjach wyraźnie niższych niż w przypadku analizy chemicznej: podczas gdy ppm ( część na milion ) jest typowo dolną granicą stężenia wynikającego z pomiar chemiczny, możliwe jest osiągnięcie, przy analizie przez aktywację, stężeń do 10 -12 .

Badania nieniszczące

Ta sama zasada, co radiologia stosowana w medycynie, ale źródła promieniowania są bardziej intensywne i mają „twardsze” widmo ze względu na grubość i rodzaj materiału (stal itp.), przez który mają przejść.

Wykrywanie i lokalizacja wybuchu jądrowego

Organizacje badawcze fizyki jądrowej

We Francji

W Europie

Na świecie

Uwagi i referencje

  1. Czasopismo Filozoficzne , seria 6 , tom.  21 maja 1911, s.  669-688.

Bibliografia

Książki popularyzatorskie

  • James M. Cork, Radioaktywność i fizyka jądrowa , Dunod, 1949.
  • Bernard Fernandez, Od atomu do jądra - Historyczne podejście do fizyki atomowej i fizyki jądrowej , wyd. Elipsy, 2006 ( ISBN  2729827846 ) .

Książki inicjacyjne

  • Luc Valentin, Świat subatomowy [ szczegóły wydań ]
  • Luc Valentin, Noyaux i cząstki - Modele i symetrie , Hermann, 1997.
  • David Halliday, Wprowadzenie do fizyki jądrowej , Dunod, 1957.

Podstawowe książki fizyki

  • Irving Kaplan, Fizyka jądrowa , Seria Addisona-Wesleya w nauce i inżynierii jądrowej, Addison-Wesley, 1956.
  • A. Bohr i B. Mottelson , Struktura Jądrowa , 2 tomy.  , Benjamin, 1969-1975. Tom 1: Ruch pojedynczej cząstki  ; tom 2: Deformacje jądrowe . Przedrukowane przez World Scientific Publishing Company, 1998 ( ISBN  981-02-3197-0 ) .
  • P. Ring & P. ​​​​Schuck, Jądrowy problem wielu ciał , Springer Verlag, 1980 ( ISBN  3-540-21206-X ) .
  • A. de Shalit i H. Feshbach, Teoretyczna fizyka jądrowa , 2 tom.  , John Wiley & Sons, 1974. Tom 1: Struktura jądrowa  ; tom 2: Reakcje jądrowe ( ISBN  0-471-20385-8 ) .
  • C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë, Mechanika kwantowa , 2 tom.  , Hermann, Zbiór „Edukacja naukowa” ( ISBN  2-7056-6074-7 i 2-7056-6121-2 ) .

Załączniki

Powiązane artykuły

Odnośnie bomb atomowych

Linki zewnętrzne