Atomfizika

A magfizika az a tudomány, amely nemcsak az atommagot ( mint elméleti modell kidolgozását) vizsgálja, hanem azt is, hogy miként hat egymásra, amikor egy részecske "közel" kerül (nagyságrendje 10 - 12 cm , az ember általában beszél keresztmetszetű magfizika, amelynek egysége az istálló vagy a mag 10 -24 cm 2 ) (kísérleti eredmények elérése). Rövid történelmi emlékeztető után ez a cikk a következőket írja le:

a nukleáris szerkezet , amelynek célja megérteni, hogy a nukleonok ( protonok és neutronok ) hogyan hatnak egymásra, és így alkotják a magot;
A mechanizmusok nukleáris reakciók , amelynek célja, hogy leírja a különböző módon, hogy magok hat egymásra: hasadás , fúzió , diffúzió (rugalmas, rugalmatlan), radioaktivitás , stb ;
a nukleáris fizika alkalmazási területei , az orvostudománytól az asztrofizikáig , beleértve az energiatermelést is , mindezen tevékenységi területek a sugár-anyag kölcsönhatások fizikáját használják ki ;
a nukleáris fizika kutatószervezetei , Franciaországban és a világon.

Bevezetés

Az anyag molekulákból , kristályokból vagy ionokból áll, amelyek maguk is atomokból állnak . Ezek az atomok egy központi magból alakulnak ki , amelyet elektronikus felhő vesz körül. Az atomfizika az a tudomány, amely az atommagot érintő összes fizikai jelenség iránt érdeklődik. Ez utóbbi mikroszkopikus mérete miatt az alkalmazott matematikai eszközök lényegében a kvantummechanika formalizmusának keretei közé tartoznak .

Az atommagot nukleonok alkotják , amelyek protonokra és neutronokra oszlanak . A protonok olyan részecskék, amelyek pozitív elemi elektromos töltéssel rendelkeznek , míg a neutronok semleges részecskék. Csak mágneses pillanatuk van, ezért a protonokkal ellentétben nem túl érzékenyek az elektromágneses mezőre . Ha az atommagot egy kemény szférához asszimilálnánk, ennek a gömbnek a sugara néhány fermis lenne, 1 fermi értéke 10 -15 méter (1 fermi = 1 femtométer ). Az azonos Z értékű, azaz azonos protonszámú és nem azonos neutronszámú atommagokat izotópoknak nevezzük .

A történelem magja

A XX . Század fordulójáig azt hitték, hogy az atomok az anyag legfőbb alkotóelemei. Henri Becquerel által a radioaktivitás 1896-ban történt felfedezése és az azt követő tanulmányok, különös tekintettel a Cury-kra , kezdték feltételezni, hogy maguk az atomok talán összetett tárgyak. Hogyan másképp tudná az anyag spontán részecskéket kibocsátani, mint az alfa radioaktivitás esetében?

1911-ben fedezte fel Rutherford, hogy az atomok összetett tárgyaknak tűnnek. A radioaktív forrás által egy arany levélen keresztül kibocsátott alfa-részecskék diffúziójának elemzésével arra a következtetésre jutott, hogy "úgy tűnik, hogy a legegyszerűbb feltételezni, hogy az atom egy nagyon kis térfogatban elosztott központi [elektromos] töltetet tartalmaz" ( ") . " Úgy tűnik, a legegyszerűbb feltételezni, hogy az atom egy nagyon kis térfogaton keresztül elosztott központi töltetet tartalmaz ... " ). Az atom Rutherford-modellje tehát egy központi mag volt, amelynek elektromos töltése elektromágneses interakció útján keringő pályán tartott elektronokkal volt körülvéve. Már 1904-ben javasolta Hantarō Nagaoka .

1919-ben, Rutherford továbbra is felfedezték a létezését a sejtmagban a proton , egy részecske rendelkező pozitív elemi töltés e , de rendelkező anyag sokkal nagyobb, mint a elektron (ami negatív elemi elektromos töltés). 1932-ben Chadwick kiemelte a neutron létezését, amely nagyon hasonlít a protonhoz, kivéve azt a tényt, hogy nincs elektromos töltése (innen kapta a nevét). Ugyanakkor Heisenberg azt javasolja, hogy az atommag valójában protonok és neutronok halmazából álljon.

Nukleáris szerkezet

Az erős kölcsönhatás fenntartja a nukleonok kohézióját a magban. A természet négy alapvető ereje közül a legintenzívebb (innen ered a neve). Jellemzője, hogy rövid távolságra erősen vonzó (amikor a nukleonok nagyon közel kerülnek egymáshoz), "közepes" távolságban taszít, és nagy távolságban törlődik. Mivel a protonok töltött részecskék, a Coulomb-kölcsönhatáson keresztül is kölcsönhatásba lépnek . Ha a magban nagy a protonok száma, akkor ez utóbbi elsőbbséget élvez az erős kölcsönhatással szemben, és a magok instabillá válnak. Az az energiamennyiség, amely együtt tartja a magot, magkötési energiának nevezzük .

Nukleáris reakciók

A reakció akkor mondható nukleárisnak, ha a mag kvantumállapota módosul . A nukleonok alkotó nucleus majd vesz részt a reakcióban, hanem más részecskék, mint például az e - az elektronok , az e + pozitronokkal, stb

A nukleáris reakciók többféle lehet. A legfontosabbak módosítják a mag összetételét, ezért transzmutációk is ; a természetben megfigyeljük:

a hasadás : egy nehéz mag több töredékre szakad. Ez a fajta reakció valósul meg az A típusú atombombákban és az atomerőművekben ;
a fúzió : több könnyű mag összeolvad. Ez a csillag energiatermelési módja. A magfúzió a nukleoszintézis forrása, amely megmagyarázza a Mendelejev periódusos rendszer összes elemének és izotópjainak keletkezését . Ez az a típusú reakció is, amelyet az úgynevezett hidrogénbombákban ( H bomba ) alkalmaznak. A fúzió polgári energiatermelésre való felhasználását még nem sikerült elsajátítani. Elsajátítása a nemzetközi ITER projekt tárgya ;
a radioaktivitás : egy mag spontán továbbítja egy vagy több részecskét. Megkülönböztetünk:
- a radioaktivitás, $\ alfa$ ahol a 4 héliummag kibocsátódik,
- a radioaktivitás, $\ béta$ amelyet vagy elektron és elektronikus anti-neutrino ( ), vagy pozitron és neutrino elektronika ( ) bocsát ki $\ beta ^ {{-}}$ $\ beta ^ {{+}}$
- az a radioaktivitás $\gamma$ , amely által a mag nagy energiájú elektromágneses sugárzás révén energiát veszít;

A részecskegyorsítók és a nehéz magok megérkezésével új típusú reakciókat tanulmányoztak:

transzferreakciók, ahol egy (vagy néhány) nukleont cserélnek a nyaláb és a cél magjai között
a spallációs (angol knockout reakció ) könnyű részecskék ( neutronok , például) küldenek egy megcélzott atommag és kisajtolási egy vagy több atommagok ezen mag;
ütközések nehéz magok között, ahol a rendelkezésre álló kinetikus energia mennyisége nagyon nagy, és nagyon izgatott magokhoz vezet (forró sejtmagok, vagy akár nagyon magas energiákhoz kvark-gluon plazma képződése )
a multifragmentáció kettőnél több magot bont;

Más kölcsönhatások nem változtatják meg a mag összetételét, de gerjesztési energiát adnak át:

diffúziós reakciók : a lövedék (egy foton, egy nukleon vagy egy nukleonkészlet) módosultnak látja a pályáját. Rugalmas diffúzióról akkor beszélünk, ha a {lövedék-cél} rendszer kinetikus energiája fennmarad. Ellenkező esetben rugalmatlan diffúzióról beszélünk: egy további potenciális energia (amely a magból származik) felszabadul az interakció idején. Amikor a beeső részecske foton, a szórást másképp nevezzük meg, az érintett fizikai jelenségtől függően:
- A Thomson-szórás egy fotont érint, amely kölcsönhatásba lép egy szabad elektronnal. Koherens szóródásról beszélünk, mert a szórt foton hossza megegyezik az incidenssel (lásd a következő pontot). A Thomson-szórás rugalmas szórás, amely általában néhány tíz és 100 keV között zajlik ,
- ha a fotonnak nagyobb a beeső energiája ( megközelítőleg 100 keV-nál nagyobb ), akkor az újra kibocsátott foton energiája alacsonyabb, mint a beeső fotoné. A Compton-effektusról (a hullámhossz variációjáról) beszélünk. A Compton-szórás szintén rugalmas szórás (a beeső gamma és az újra kibocsátott energia közötti különbség átkerül az elektronhoz). A Thomson-szórás a Compton-szórás speciális esete (amikor a beeső foton energiája jóval kevesebb, mint 511 keV ). A Thomson-szórás tehát nem szoros értelemben koherens szórás, de a kibocsátott részecske és az esemény közötti hullámhossz-különbség túl kicsi ahhoz, hogy meg lehessen mérni,
- amikor a beeső foton kölcsönhatásba lép egy párosított elektronnal (pontosabban egy olyan molekulával, amelynek olyan dipólus nyomatéka van, mint az N2 vagy O2, amely megtalálható a levegőben - az egyik (a 2) atom elektronfelhőjének baricentruma nem esik egybe a maggal ), Rayleigh-szórásról beszélünk. A Rayleigh-szórás tökéletesen következetes. Néhány eV fotonjain túlsúlyban van. Különösen az ég kék színét magyarázza;
a fotoelektromos effektus: a beeső foton "eltűnik" azáltal, hogy energiáját kinetikus energia formájában továbbítja egy elektronhoz. Az uralkodó jelenség olyan fotonok esetében, amelyek energiája kevesebb, mint néhány tíz keV.

A magfizika alkalmazásai

Asztrofizika

A nukleoszintézis azt állítja, hogy az univerzumban gyártják a jelenleg keletkező különféle magokat. Két különálló folyamatra van azonban szükség az univerzum különböző kémiai elemeinek rengetegségének magyarázatához:

az első fázisban, az Ősrobbanás során 2 H ( deutérium ), 3 He , 4 He és 7 Li magjai hidrogénből képződnek . Súlyosabb elem nem szintetizálódik, mert ez a szakasz viszonylag rövid. A lítiumnál nehezebb elemek képződéséhez azonban három héliummagot érintő reakcióra van szükség, amelyet triple alfa reakciónak nevezünk . Ezt a fajta reakciót rendkívül nehéz elérni, és csak sokkal hosszabb ideig lehet végrehajtani, mint az ősnukleoszintézis néhány perce;
a nukleoszintézis többi része így a csillagok szívében történik . Ezután a csillag nukleoszintéziséről beszélünk . Ez szintén két folyamatra oszlik: a csillagokban lejátszódó lassú nukleoszintézis, amely a vasnál könnyebb elemeket szintetizál , majd a csak csillagrobbanások során keletkező, szupernóvának nevezett, robbanékony nukleoszintézis . Ezt nevezzük robbanásveszélyes nukleoszintézisnek.

Régészet

Gyógyszer

A radioaktív források felhasználásán és ezen források emberi szövetekkel való kölcsönhatásán alapuló nukleáris gyógyszer . Ezt az interakciót diagnosztikai ( pl. Radiológiai ) vagy kezelési ( sugárterápiás ) célokra használják. Az 1980-as évektől olyan magmágneses rezonancia képalkotási (MRI) technikákat fejlesztettek ki, amelyek a magok mágneses tulajdonságait használják fel.

Energiatermelés

A nukleáris energia eredete kétféle: a hasadási egy nehéz atommag (családi aktinidáknak mint például az urán), vagy a fúziós a könnyű atommagok (például deutérium , trícium ).

Az energiatermelés lehet:

rövid és intenzív: ez egy atombomba elve ;
ellenőrzött (polgári, de katonai termelésre is).

Ellenőrzött energiatermelés

Jelenleg a gyártók csak azt az energiát használhatják fel, amely a nehéz magok hasadásából származik. Ezután az energiát felhasználják:

akár villamos energia előállítására, ez vonatkozik az atomerőművekre

vagy jármű mozgatására, különösen a tengeri ágazatban (repülőgép-hordozók, nukleáris hajtású tengeralattjárók) és az űrkutatásban

A fúzió polgári energiatermelésre való felhasználását még nem sikerült elsajátítani. Elsajátítása a nemzetközi ITER projekt tárgya .

Katonai alkalmazás (nukleáris bomba)

Élelmiszeripar: élelmiszer-sterilizálás

Lásd: Élelmiszer besugárzás .

Aktiválási elemzés

Az alapelv egy tárgy neutronfluxus alatt történő besugárzása annak érdekében, hogy olyan aktivációs termékeket hozzanak létre, amelyek radioizotópok, amelyek az elemzendő mátrixban jelen lévő elemekből képződnek. Minden radioizotóp jellegzetes X / gamma vonalakat bocsát ki. A kibocsátott vonalak intenzitásától függően vissza lehet térni a kezdeti összetételre, olyan arányban, amely egyértelműen alacsonyabb, mint a kémiai analízisé: míg a ppm ( millió per millió ) tipikusan a koncentráció alsó határa, kémiai méréssel aktiválással végzett analízissel elérhetjük a koncentrációkat 10 -12-ig .

Roncsolásmentes vizsgálat

Ugyanaz az elv, mint az orvostudományban használt radiológia, de a sugárforrások intenzívebbek és "keményebb" spektrummal rendelkeznek az átengedendő anyag (acél stb.) Vastagsága és jellege miatt.

Nukleáris robbanás észlelése és helye

Nukleáris fizika kutató szervezetek

Franciaországban

Atomenergia Bizottság (CEA)
Nemzeti Tudományos Kutatóközpont (CNRS)
Nagy nemzeti nehézion-gyorsító (GANIL, Caen)
Nukleáris Fizikai Intézet (IPN, Orsay)
Lineáris gyorsító laboratórium (LAL, Orsay)
Nukleáris Spektrometriás és Tömegspektrometriai Központ (CSNSM, Orsay)
Képalkotás és modellezés a neurobiológiában és a rákkutatásban (IMNC, Orsay)
Sugárvédelmi és Nukleáris Biztonsági Intézet (IRSN)
Synchrotron soleil (Saclay)
Európai szinkrotron sugárzási eszköz (ESRF, Grenoble)
Laue-Langevin Intézet (ILL, Grenoble)
Léon Brillouin Laboratórium (LLB, Orsay)
Henri Bequerel Nemzeti Laboratórium (Saclay)
Bordeaux Gradignan Nukleáris Tanulmányi Központ (CENBG, Bordeaux Gradignan)
Magfizikai Intézet (IPN, Villeurbanne)
Corpuscularis Fizikai Laboratórium ( LPC Caen , Clermont-Ferrand )
Hubert Curien Multidiszciplináris Intézet (IPHC, Strasbourg)
Magfizikai és nagy energiájú laboratórium (LPNHE, Paris Jussieu)
Szubatomi fizika és a kapcsolódó technológiák laboratóriuma (Subatech, Nantes)

Európában

Európai Nukleáris Kutatási Tanács (CERN)

A világban

Oak Ridge Nemzeti Laboratórium (ORNL)
Los Alamos Nemzeti Laboratórium (LANL)
Argonne Nemzeti Laboratórium (ANL)
Nehézionkutató Központ (GSI)
Nemzeti Szupravezető Cyclotron Laboratory (NSCL)
RIKEN Nishina Center (Japán)

Megjegyzések és hivatkozások

Filozófiai Magazin , 6. sorozat , vol. 1911. május 21., p. 669-688.

Bibliográfia

Népszerűsítő könyvek

James M. Cork, Radioaktivitás és atomfizika , Dunod, 1949.
Bernard Fernandez, Az atomtól a magig - Az atomfizika és a magfizika történeti megközelítése , szerk. Ellipszisek , 2006 ( ISBN 2729827846 ) .

Beavatási könyvek

Luc Valentin, A szubatomi világ [ a kiadások részlete ]
Luc Valentin, Noyaux és részecskék - Modellek és szimmetriák , Hermann, 1997.
David Halliday, Bevezetés a magfizikába , Dunod, 1957.

Alapvető fizika könyvek

Irving Kaplan, Nukleáris fizika , Addison-Wesley sorozat a nukleáris tudományban és mérnöki munkában, Addison-Wesley, 1956.

A. Bohr és B. Mottelson , Nuclear Structure , 2 köt. , Benjamin, 1969-1975. 1. kötet: Egy részecskemozgás ; 2. kötet: Nukleáris deformációk . Újranyomta a World Scientific Publishing Company, 1998 ( ISBN 981-02-3197-0 ) .

P. Ring & P. Schuck, A mag sok testének problémája , Springer Verlag, 1980 ( ISBN 3-540-21206-X ) .

A. de Shalit és H. Feshbach, Theoretical Nuclear Physics , 2 köt. , John Wiley & Sons, 1974. 1. kötet: Nukleáris szerkezet ; 2. kötet: Nukleáris reakciók ( ISBN 0-471-20385-8 ) .

C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë, Quantum Mechanics , 2 köt . , Hermann, „Természettudományi oktatás” gyűjtemény ( ISBN 2-7056-6074-7 és 2-7056-6121-2 ) .

Függelékek

Kapcsolódó cikkek

Az atombombákkal kapcsolatban