Plusieurs jours nuageux à Paris en 1896 ont "ruiné" l'expérience d'Henri Becquerel, mais dans le même temps, le domaine de la physique nucléaire est né. Becquerel devait prouver son hypothèse selon laquelle l'uranium absorbait la lumière solaire et la retransmettait sous forme de rayons X, qui avaient été découverts l'année précédente.
Notions fondamentales de physique nucléaire: histoire et découverte

Le plan de Becquerel était d'amener le sulfate de potassium et d'uranyle au soleil, puis de le mettre en contact avec des plaques photographiques enveloppées dans du papier noir, car si la lumière visible ne pouvait pas passer, les rayons X le faisaient. Malgré le manque de soleil, il a quand même décidé de passer par le processus et a été choqué quand il a découvert des images encore enregistrées sur la plaque photographique.

Des tests supplémentaires ont montré qu'il ne s'agissait pas du tout de rayons X, malgré son hypothèses. Le chemin de la lumière n'est pas courbé par un champ magnétique, mais le rayonnement de l'uranium a été dévié par un, et c'est ainsi que le premier résultat a été découvert comment le rayonnement a été découvert. Marie Curie a inventé le terme radioactivité, et avec son mari Pierre, a découvert le polonium et le radium, en identifiant les sources précises de la radioactivité.

Plus tard, Ernest Rutherford a trouvé les termes particules alpha, particules bêta et gamma particules pour le matériau rayonné, et le domaine de la physique nucléaire a vraiment démarré.

Bien sûr, les gens en savent beaucoup plus sur la physique nucléaire aujourd'hui qu'au début du 20e siècle, et c'est un sujet crucial à comprendre et à apprendre pour tout étudiant en physique. Que vous souhaitiez comprendre la nature de l'énergie nucléaire, les forces nucléaires fortes et faibles ou contribuer à des domaines comme la médecine nucléaire, apprendre les bases est essentiel.
Qu'est-ce que la physique nucléaire?

La physique nucléaire est essentiellement la physique du noyau, la partie de l'atome contenant les deux "hadrons" les plus connus, les protons et les neutrons.

En particulier, il examine les forces opérant dans le noyau (la forte interaction qui lie les protons et les neutrons ensemble dans le noyau, ainsi que le maintien de leurs quarks composants, et l'interaction faible liée à la désintégration radioactive), et l'interaction des noyaux avec d'autres particules.

La physique nucléaire couvre des sujets comme la fusion nucléaire (qui concerne l'énergie de liaison de différents éléments), la fission nucléaire (qui est la division d'éléments lourds pour produire de l'énergie) ainsi que la désintégration radioactive et la structure de base et les forces en jeu dans le noyau.

Il existe de nombreux pratique applications du domaine, y compris (mais sans s'y limiter) le travail dans l'énergie nucléaire, la médecine nucléaire et la physique des hautes énergies.
Structure de l'atome

Un atome est composé d'un noyau, qui contient le positif -protons chargés et neutrons non chargés, maintenus ensemble par la force nucléaire puissante. Ceux-ci sont entourés d'électrons chargés négativement, qui forment ce qu'on appelle un «nuage» autour du noyau, et le nombre d'électrons correspond au nombre de protons dans un atome neutre.

Il y a eu de nombreux modèles de l'atome proposé tout au long de l'histoire de la physique, y compris le modèle "plum pudding" de Thomson, le modèle "planétaire" de Rutherford et Bohr et le modèle mécanique quantique moderne décrit ci-dessus.

Le noyau est minuscule, à environ 10 ^{- 15 m, contenant l'essentiel de la masse de l'atome, tandis que l'atome entier est de l'ordre de 10 -10 m. Ne vous laissez pas tromper par la notation - cela signifie que le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l’atome dans son ensemble, mais il contient la grande majorité de la matière. Donc, l'atome est principalement un espace vide!}

La masse de l'atome n'est pas exactement la même que la masse des parties constituantes: si vous additionnez les masses des protons et des neutrons, elle dépasse déjà la masse de l'atome, avant même de prendre en compte la masse beaucoup plus petite de l'électron.

C'est ce qu'on appelle le "défaut de masse" de l'atome, et si vous convertissez cette différence en énergie en utilisant la célèbre équation d'Einstein E
\u003d mc
^{2, vous obtenez "l'énergie de liaison" du noyau.}

C'est l'énergie que vous devez mettre dans le système afin de diviser le noyau dans ses protons et neutrons constitutifs. Ces énergies sont beaucoup, beaucoup plus grandes que l'énergie dont elle a besoin pour retirer un électron de son "orbite" autour du noyau.
Matière nucléaire et structure nucléaire

Les deux types de nucléons (c.-à-d. Les particules du noyau ) sont le proton et le neutron, et ceux-ci sont étroitement liés dans le noyau de l'atome.

Bien que ce soient généralement les nucléons dont vous entendrez parler, ce ne sont pas en fait des particules fondamentales dans le modèle standard de la physique des particules. Le proton et le neutron sont tous deux composés de particules fondamentales appelées quarks, qui se déclinent en six «saveurs» et portent chacune une fraction de la charge d'un proton ou d'un électron.

Un quark up a un 2/3 e
charge, où e
est la charge d'un électron, tandis qu'un quark down a une charge −1/3 e
. Cela signifie que deux quarks up et un quark down combinés produiraient une particule avec une charge positive de magnitude e
, qui est un proton. D'autre part, un quark up et deux quarks down produisent une particule sans charge globale, le neutron.
Le modèle standard de physique des particules

Le modèle standard répertorie toutes les particules fondamentales actuellement connues, et les regroupe en deux groupes principaux: les fermions et les bosons. Les fermions sont subdivisés en quarks (qui à leur tour produisent des hadrons comme les protons et les neutrons) et les leptons (qui incluent les électrons et les neutrinos), et les bosons sont subdivisés en bosons de jauge et scalaires.

Le boson de Higgs est le seul boson scalaire connus jusqu'à présent, les autres bosons - le photon, le gluon, les Z
-bosons et W
bosons - étant des bosons de jauge.

Les fermions, contrairement aux bosons, obéissent " par exemple, il existe une loi de conservation du nombre de leptons, qui explique des choses comme les particules produites dans le cadre des processus de désintégration nucléaire (parce que la création d'un électron avec le nombre de leptons 1, par exemple, doit être équilibré avec la création d'une autre particule avec le nombre de leptons -1, comme un anti-neutrino électronique).

Le nombre de quark est également conservé, et il y a aussi d'autres quantités conservées.

Bosons sont des particules porteuses de force, et donc les interactions des particules fondamentales sont médiées par les bosons. Par exemple, l'interaction des quarks est médiée par des gluons et les interactions électromagnétiques sont médiées par des photons.
Force nucléaire forte et force nucléaire faible

Bien que la force électromagnétique s'applique dans le noyau, les principales forces que vous Il faut considérer les forces nucléaires fortes et faibles. La force nucléaire forte est portée par des gluons, et la force nucléaire faible est portée par W
^{± et les Z
0 bosons.}

As le nom l'indique, la force nucléaire forte est la plus forte de toutes les forces fondamentales, suivie de l'électromagnétisme (10 ^{2 fois plus faible), de la force faible (10 6 fois plus faible) et de la gravité (10 40 fois plus faible). L'énorme différence entre la gravité et le reste des forces est la raison pour laquelle les physiciens la négligent essentiellement lorsqu'ils discutent de la matière au niveau atomique.}

La force forte doit
être forte pour surmonter la répulsion électromagnétique entre les protons chargés positivement dans le noyau - s'il avait été plus faible que la force électromagnétique, aucun atome avec plus d'un proton dans le noyau n'aurait pu se former. Cependant, la force forte a une portée très courte.

C'est important car cela montre pourquoi la force n'est pas perceptible même à l'échelle d'atomes ou de molécules entières, mais cela signifie également que la répulsion électromagnétique devient plus pertinente pour les noyaux lourds (c'est-à-dire des atomes plus gros). C'est l'une des raisons pour lesquelles les noyaux instables sont souvent ceux des éléments lourds.

La force faible a également une portée très courte, et elle fait essentiellement changer les quarks de saveur. Cela peut faire qu'un proton devienne un neutron et vice-versa, et il peut donc être considéré comme la cause de processus de désintégration nucléaire comme la désintégration bêta plus et moins.
La désintégration radioactive

Il existe trois types de la désintégration radioactive: désintégration alpha, désintégration bêta et désintégration gamma. La désintégration alpha est lorsqu'un atome se désintègre en libérant une "particule alpha", qui est un autre terme pour un noyau d'hélium.

Il existe trois sous-types de désintégration bêta, mais tous impliquent un proton se transformant en un neutron ou vice-versa. Une désintégration bêta moins est lorsqu'un neutron devient un proton et libère un électron et un électron anti-neutrino dans le processus, tandis que dans la désintégration bêta plus, un proton devient un neutron et libère un positron (c.-à-d. Un anti-électron) et un électron neutrino.

Dans la capture d'électrons, un électron des parties externes de l'atome est absorbé dans le noyau et un proton est converti en neutron, et un neutrino est libéré du processus.

La désintégration gamma est une désintégration où l'énergie est libérée mais rien dans l'atome ne change. Ceci est analogue à la façon dont un photon est libéré lorsqu'un électron fait la transition d'un état de haute énergie à un état de basse énergie. Un noyau excité fait une transition vers un état de basse énergie et émet un rayon gamma comme il le fait.
Fission nucléaire et fusion nucléaire

La fusion nucléaire, c'est quand deux noyaux fusionnent et créent un noyau plus lourd. C'est ainsi que l'énergie est générée par le soleil, et faire en sorte que le processus se produise sur Terre pour la production d'énergie est l'un des plus grands objectifs de la physique expérimentale.

Le problème est qu'il nécessite des températures et des pressions extrêmement élevées, et donc des niveaux d'énergie très élevés. Cependant, si les scientifiques y parviennent, la fusion pourrait devenir une source d'énergie vitale à mesure que la société continue de croître et que nous consommons des quantités croissantes d'énergie.

La fission nucléaire est la division d'un élément lourd en deux noyaux plus légers, et c'est ce qui alimente la génération actuelle de réacteurs nucléaires.

La fission est également le principe de fonctionnement des armes nucléaires, ce qui est l'une des principales raisons pour lesquelles c'est un domaine controversé. En pratique, la fission passe par une série de réactions en chaîne. Un neutron qui crée la scission initiale dans un élément lourd comme l'uranium, génère un autre neutron libre après la réaction, qui peut ensuite provoquer une autre scission et ainsi de suite.

Essentiellement, ces deux processus gagnent de l'énergie par la relation E
\u003d mc
^{2, car la fusion ou la division d'atomes implique une libération d'énergie de la "masse manquante".
Applications de la physique nucléaire}

Il existe une vaste gamme d'applications de la physique nucléaire. En particulier, les réacteurs nucléaires et les centrales nucléaires sont opérationnels dans de nombreux pays à travers le monde, et de nombreux physiciens travaillent sur de nouvelles conceptions plus sûres.

Par exemple, certaines conceptions de réacteurs nucléaires visent à garantir que la matière source ne peut pas être utilisé pour créer des armes nucléaires, qui nécessitent une source d'uranium beaucoup plus enrichie (c'est-à-dire un uranium «plus pur») pour fonctionner.

La médecine nucléaire est un autre domaine important de la physique nucléaire. La médecine nucléaire implique de très petites quantités de matières radioactives administrées au patient, puis des détecteurs sont utilisés pour capturer des images du rayonnement émis. Cela aide les médecins à diagnostiquer les maladies rénales, thyroïdiennes, cardiaques et autres.

Bien sûr, il existe de nombreux autres domaines où la physique nucléaire est essentiellement, y compris la physique des hautes énergies et les accélérateurs de particules comme le CERN, et l'astrophysique, où de nombreux les processus dominants dans les étoiles dépendent fortement de la physique nucléaire.