Physique nucl??aire

Physique nucl??aire
Nucleus ?? Nucl??ons ( p , n ) ?? Force nucl??aire ?? R??action nucl??aire
Mod??les nucl??aires et la stabilit?? Goutte de liquide ?? Enveloppe nucl??aire ?? Structure nucl??aire ??nergie de liaison ?? rapport p-n ?? ligne de goutte ?? goutte ?? Stabilit?? Isl.
La classification de nucl??ides Isotopes - ??gale Z - L'??galit?? des isobares Un Isotones - ??galit?? N Isodiaphers - ??galit?? N - Z - L'??galit?? des isom??res tout ce qui pr??c??de Noyaux Miroir - Z ↔ N Stable ?? Magie ?? Pair / impair ?? Halo
La d??croissance radioactive α Alpha ?? β (b??ta 2β, β +) ?? K / L capture ?? Isom??re ( Gamma γ ?? Conversion interne) ?? Fission spontan??e ?? Radioactivit?? de clusters ?? ??mission de neutrons ?? Proton ??mission ??nergie Decay ?? cha??ne de d??sint??gration ?? Produit Decay ?? Radiog??nique
Fission nucl??aire Spontan??e ?? Produits ( paire de rupture) ?? Photofission
Processus Capture ?? ??lectrons neutrons ( s ?? r) ?? proton ( p ?? rp)
Processus de haute ??nergie Spallation ( par rayons cosmiques) ?? Photod??sint??gration
Sujets nucl??osynth??se La fusion nucl??aire Processus: Stellar ?? Big Bang Supernova Nucl??ides: Primordial ?? Cosmog??nique ?? Artificiel
Les scientifiques Becquerel ?? Davisson ?? Bethe ?? Sklodowska-Curie ?? Pi.Curie ?? Fr.Curie ?? Ir.Curie ?? Fermi ?? Oppenheimer ?? Rutherford ?? Thomson ?? Chadwick ?? Oliphant ?? Szil??rd ?? Teller ?? Laurent ?? Proca ?? Mayer ?? Jensen ?? Alvarez ?? Soddy ?? Rabi ?? Meitner ?? Strassmann ?? Hahn ?? Purcell ?? Walton ?? Cockcroft ??

La physique nucl??aire est le domaine de la physique qui ??tudie les constituants et les interactions des noyaux atomiques . Les applications les plus connus de la physique nucl??aire sont l'??nergie nucl??aire et la production d'armes nucl??aires de la technologie, mais la recherche a fourni l'application dans de nombreux domaines, y compris ceux la m??decine nucl??aire et imagerie par r??sonance magn??tique, l'implantation ionique dans l'ing??nierie des mat??riaux , et datation au radiocarbone de la g??ologie et de l'arch??ologie .

Le domaine de la physique des particules a ??volu?? ?? partir de la physique nucl??aire et est g??n??ralement enseign?? en ??troite association avec la physique nucl??aire.

Histoire

La physique moderne
??quation de Schr??dinger
Histoire de la physique moderne
Fondateurs Max Planck ?? Albert Einstein
Branches M??canique quantique Chromodynamique quantique ??lectrodynamique quantique M??canique statistique quantique Mati??re condens??e Physique nucl??aire La physique des particules ?? la physique atomique La relativit?? g??n??rale ?? La relativit?? sp??ciale
Les scientifiques R??ntgen ?? Becquerel ?? Lorentz ?? Planck ?? Curie ?? Wien ?? Sklodowska-Curie ?? Sommerfeld ?? Rutherford ?? Soddy ?? Onnes ?? Einstein ?? Wilczek ?? N?? ?? Weyl ?? Bohr ?? Schr??dinger ?? de Broglie ?? Laue ?? Bose ?? Compton ?? Pauli ?? Walton ?? Fermi ?? Waals ?? Heisenberg ?? Dyson ?? Zeeman ?? Moseley ?? Hilbert ?? G??del ?? Jordan ?? Dirac ?? Wigner ?? Hawking ?? PW Anderson ?? Thomson ?? Poincar?? ?? Wheeler ?? Laue ?? Penrose ?? Millikan ?? Nambu ?? von Neumann ?? Higgs ?? Hahn ?? Feynman ?? Lee ?? Lenard ?? Salam ?? 'T Hooft ?? De Bell ?? Gell-Mann ?? JJ Thomson ?? Raman ?? Bragg ?? Bardeen ?? Shockley ?? Chadwick ?? Lawrence

L'histoire de la physique nucl??aire comme une discipline distincte de la physique atomique commence avec la d??couverte de la radioactivit?? par Henri Becquerel en 1896, alors qu'il enqu??tait sur phosphorescence uranium sels. La d??couverte de l' ??lectron par JJ Thomson une ann??e plus tard ??tait une indication que l'atome avait la structure interne. Au tournant du 20e si??cle, le mod??le accept?? de l'atome ??tait JJ Thomson mod??le de plum-pudding dans lequel l'atome ??tait une grosse boule charg??e positivement avec de petits ??lectrons charg??s n??gativement embarqu??s ?? l'int??rieur de celui-ci. Au tournant du si??cle physiciens ont ??galement d??couvert trois types de rayonnement ??manant atomes, qu'ils nomm??rent alpha, b??ta, et rayonnement gamma. Exp??riences en 1911 par Otto Hahn, et en James Chadwick en 1914 a d??couvert que la d??sint??gration b??ta spectre ??tait continu plut??t que discr??te. Ce est-??-??lectrons ont ??t?? ??ject??s de l'atome avec une gamme d'??nergies, plut??t que les quantit??s discr??tes d'??nergie qui ont ??t?? observ??s en gamma et alpha caries. Ce ??tait un probl??me pour la physique nucl??aire ?? l'??poque, car il a indiqu?? que l'??nergie n'a pas ??t?? conserv?? dans ces d??sint??grations.

En 1905, Albert Einstein a formul?? l'id??e de ??quivalence masse-??nergie. Bien que les travaux sur la radioactivit?? par Becquerel et Marie Curie est ant??rieure ?? cela, une explication de la source de l'??nergie de la radioactivit?? aurait ?? attendre pour la d??couverte que le noyau lui-m??me est compos?? de petits constituants, le nucl??ons.

L'??quipe de Rutherford d??couvre le noyau

Ernest Rutherford est souvent consid??r?? comme le "p??re de la physique nucl??aire"

En 1907, Ernest Rutherford a publi?? ??Radiation de la particule α de Radium en passant ?? travers la mati??re." Hans Geiger ??largi sur ce travail dans une communication ?? la Soci??t?? royale des exp??riences lui et Rutherford avait fait passer des particules α dans l'air, une feuille d'aluminium et feuille d'or. Plus de travail a ??t?? publi?? en 1909 par Geiger et Marsden et le travail encore consid??rablement ??largi a ??t?? publi?? en 1910 par Geiger, En 1911-2 Rutherford allait devant la Soci??t?? royale pour expliquer les exp??riences et proposer la nouvelle th??orie du noyau atomique comme nous le comprenons maintenant.

L'exp??rience cl?? derri??re cette annonce qui se est pass?? en 1910 ?? la Universit?? de Manchester, que l'??quipe d'Ernest Rutherford a effectu?? une remarquable exp??rience dans laquelle Hans Geiger et Ernest Marsden sous sa supervision tir?? particules alpha (noyaux d'h??lium) ?? un film mince de l'or feuille. Le plum pudding mod??le pr??dit que les particules alpha devraient sortir de la feuille avec leurs trajectoires ??tant au plus l??g??rement fl??chis. Rutherford a eu l'id??e de charger son ??quipe ?? chercher quelque chose qui a choqu?? lui fait observer: quelques particules ont ??t?? dispers??es dans de grands angles, m??me compl??tement vers l'arri??re, dans certains cas. Il l'a compar?? ?? tirer une balle au papier de soie et ayant rebondir sur. La d??couverte, en commen??ant par l'analyse de Rutherford des donn??es en 1911, a finalement conduit au mod??le Rutherford de l'atome, dans lequel l'atome a un tr??s petit noyau, tr??s dense contenant la plupart de sa masse, et compos?? de particules lourdes charg??es positivement avec embarqu??e ??lectrons afin d'??quilibrer la charge (le neutron ??tait inconnu). A titre d'exemple, dans ce mod??le (qui ne est pas celui moderne) de l'azote 14 est compos??e d'un noyau 14 avec des protons et des ??lectrons (21 7 particules totales), et le noyau est entour?? d'??lectrons plus 7 orbite.

Le mod??le de Rutherford a plut??t bien fonctionn?? jusqu'?? ce que des ??tudes de spin nucl??aire ont ??t?? effectu??s par Franco Rasetti au California Institute of Technology en 1929. En 1925, il a ??t?? connu que les protons et les ??lectrons ont une rotation de 1/2, et dans le mod??le Rutherford d'azote-14, 20 du total des 21 particules nucl??aires auraient jumel?? pour annuler rotation de l'autre , et la particule ??trange final devrait avoir quitt?? le noyau avec un spin net de moiti??. Rasetti d??couvert, cependant, que de l'azote 14 a un spin de 1.

James Chadwick decouvre le neutron

En 1932, Chadwick a r??alis?? que le rayonnement qui avait ??t?? observ?? par Walther Bothe, Herbert L. Becker, Ir??ne et Fr??d??ric Joliot-Curie ??tait en fait due ?? une particule neutre d'environ la m??me masse que le proton, qu'il appelle le neutrons (suite ?? une suggestion de la n??cessit?? d'une telle particule, par Rutherford). Dans la m??me ann??e Dmitri Ivanenko sugg??r?? que les neutrons ??taient en fait des particules de spin 1/2 et que le noyau contenait neutrons pour expliquer la masse pas due ?? protons, et qu'il n'y avait pas d'??lectrons dans les protons et les neutrons noyau seule. Le spin du neutron imm??diatement r??solu le probl??me de la rotation de l'azote-14, comme un proton et un neutron non appari?? non appari?? dans ce mod??le, contribuent chacun un spin de 1/2 dans la m??me direction, pour un spin total final de 1.

Avec la d??couverte du neutron, les scientifiques de derni??re pourraient calculer quelle fraction de chaque noyau ??nergie de liaison a, ?? partir de la comparaison de la masse nucl??aire ?? celle des protons et des neutrons qui le composent. Les diff??rences entre les masses nucl??aires ont ??t?? calcul??es de cette mani??re et ?? mesure des r??actions nucl??aires ont ??t?? mesur??es-ont ??t?? trouv??s d'accord avec le calcul d'Einstein de l'??quivalence de la masse et de l'??nergie ?? haute pr??cision (?? moins de 1 pour cent ?? partir de 1934).

Les ??quations de ProcA du champ de Higgs vecteur massif

Alexandru Proca a ??t?? le premier ?? d??velopper et ?? signaler le vecteur massif boson ??quations de champ et une th??orie de la m??sonique domaine des forces nucl??aires. Les ??quations de ProcA ??taient connus Wolfgang Pauli qui a mentionn?? les ??quations dans son discours Nobel, et ils ont ??t?? ??galement connu pour Yukawa, Wentzel, Taketani, Sakata, Kemmer, Heitler et Fr??hlich qui ont appr??ci?? le contenu des ??quations de ProcA pour d??velopper une th??orie des noyaux atomiques en physique nucl??aire.

La Meson de Yukawa postul?? pour lier noyaux

En 1935, Hideki Yukawa a propos?? la premi??re th??orie importante de la force forte d'expliquer comment le noyau tient ensemble. Dans le Yukawa interaction d'un particule virtuelle, appel??e plus tard un meson, une force m??diation entre toutes les nucl??ons, y compris les protons et les neutrons. Cette force a expliqu?? pourquoi noyaux ne se d??sint??grent pas sous l'influence de protons r??pulsion, et il a ??galement donn?? une explication des raisons pour lesquelles l'attrayante force forte avait une port??e plus limit??e que la r??pulsion ??lectromagn??tique entre protons. Par la suite, la d??couverte de la pi meson montr?? ?? avoir les propri??t??s de la particule de Yukawa.

Avec les papiers de Yukawa, le mod??le moderne de l'atome ??tait compl??te. Le centre de l'atome contient une boule serr??e de neutrons et de protons, qui est maintenu par la force nucl??aire forte, sauf si elle est trop grande. Noyaux instables peuvent subir une d??sint??gration alpha, dans lequel ils ??mettent un noyau d'h??lium ??nergique, ou la d??sint??gration b??ta, dans lequel ils ??jectent un ??lectron (ou positrons). Apr??s l'une de ces d??sint??grations le noyau r??sultante peut ??tre laiss?? dans un ??tat excit??, et dans ce cas il se d??sint??gre ?? son ??tat fondamental en ??mettant des photons de haute ??nergie (d??sint??gration gamma).

L'??tude des forces nucl??aires fortes et faibles (ce dernier explique par Enrico Fermi via L'interaction de Fermi en 1934) a conduit les physiciens ?? entrer en collision les noyaux et ??lectrons ?? des ??nergies toujours plus ??lev??es. Cette recherche est devenue la science de la physique des particules , le joyau de la couronne de qui est le mod??le standard de la physique des particules qui d??crit les forces fortes, faibles et ??lectromagn??tiques.

La physique nucl??aire moderne

Un noyau lourd peut contenir des centaines de nucl??ons qui signifie que, avec une approximation elle peut ??tre trait??e comme un syst??me classique , plut??t que la m??canique quantique une. Dans le r??sultantes mod??le de goutte de liquide, le noyau a une ??nergie qui provient en partie de la tension de surface et en partie ?? partir de la r??pulsion ??lectrique des protons. Le mod??le de goutte de liquide est capable de reproduire de nombreuses caract??ristiques de noyaux, y compris la tendance g??n??rale de ??nergie de liaison ?? l'??gard de nombre de masse, ainsi que le ph??nom??ne de la fission nucl??aire .

Superpos??e sur cette image classique, cependant, sont les effets de la m??canique quantique, qui peuvent ??tre d??crits en utilisant le nucl??aire mod??le coquille, d??velopp?? en grande partie par Maria Goeppert-Mayer. Noyaux avec certains nombres de neutrons et de protons (la nombres magiques 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, ...) sont particuli??rement stables, parce que leurs coquilles sont remplis.

D'autres mod??les plus complexes pour le noyau ont ??galement ??t?? propos??s, tels que la interagissant mod??le de Higgs, dans lequel des paires de neutrons et de protons interagissent comme des bosons, analogue ?? Paires de Cooper d'??lectrons.

Une grande partie de la recherche actuelle en physique nucl??aire a trait ?? l'??tude des noyaux dans des conditions extr??mes telles que la haute spin et de l'??nergie d'excitation. Les noyaux peuvent ??galement avoir des formes extr??mes (semblable ?? celui de ballons de rugby) ou des ratios extr??mes neutrons-??-proton. Les exp??rimentateurs peuvent cr??er de tels noyaux utilisant des r??actions de fusion ou de transfert du nucl??on induites artificiellement, utilisant des faisceaux d'ions d'un acc??l??rateur. Poutres avec des ??nergies encore plus ??lev??es peuvent ??tre utilis??s pour cr??er des noyaux ?? des temp??ratures tr??s ??lev??es, et il ya des signes que ces exp??riences ont produit un transition de phase de la mati??re nucl??aire ordinaire ?? un nouvel ??tat, le plasma quark-gluon, dans lequel les quarks se m??lent les uns aux autres, plut??t que d'??tre s??par??s en triolets car ils sont en neutrons et de protons.

La d??sint??gration nucl??aire

Quatre-vingt ??l??ments ont au moins un isotope stable jamais ??t?? observ??e ?? la pourriture, pour un montant total d'environ 254 isotopes stables. Cependant, des milliers d' isotopes ont ??t?? caract??ris??es qui sont instables. Ces radio-isotopes d??croissance au cours du temps des ??chelles allant de quelques fractions de seconde ?? quelques semaines, des ann??es, des milliards d'ann??es, voire des milliards d'ann??es.

La stabilit?? d'un noyau est plus ??lev?? quand il tombe dans une certaine gamme ou de l'??quilibre de la composition de neutrons et de protons; trop ou trop peu de neutrons peuvent provoquer ?? la pourriture. Par exemple, dans d??sint??gration b??ta un d'azote -16 atome (7 protons, neutrons 9) est converti en oxyg??ne -16 atome (8 protons, 8 neutrons) en quelques secondes d'??tre cr????. Dans ce d??sint??gration d'un neutron dans le noyau de l'azote est converti en un proton et un ??lectron et un antineutrino par le force nucl??aire faible. L'??l??ment est transmut?? ?? un autre ??l??ment en faisant l'acquisition du proton cr????.

En d??sint??gration alpha de l'??l??ment radioactif se d??sint??gre en ??mettant un noyau d'h??lium (2 protons et 2 neutrons), ce qui donne un autre ??l??ment, plus h??lium-4. Dans de nombreux cas, ce processus se poursuit ?? travers plusieurs ??tapes de ce genre, y compris d'autres types de d??sint??grations, jusqu'?? ce qu'un ??l??ment stable est form??.

En d??sint??gration gamma, un noyau se d??sint??gre ?? partir d'un ??tat excit?? dans un ??tat d'??nergie plus faible, en ??mettant un rayons gamma. L'??l??ment ne est pas chang?? ?? un autre ??l??ment dans le proc??d?? (pas Transmutation est impliqu??).

Autres d??sint??grations plus exotiques sont possibles (voir l'article principal). Par exemple, dans d??sint??gration de conversion interne, l'??nergie ?? partir d'un noyau excit?? peut ??tre utilis?? pour ??jecter une des ??lectrons orbitales ?? air ?? partir de l'atome, ?? un proc??d?? qui produit des ??lectrons ?? grande vitesse, mais ne est pas d??sint??gration b??ta et (contrairement ?? la d??sint??gration b??ta) ne transmuter pas un ??l??ment ?? un autre.

La fusion nucl??aire

En fusion nucl??aire, deux noyaux de faible masse entrent en contact tr??s ??troit avec l'autre, de sorte que la force forte les fusibles. Il n??cessite une grande quantit?? d'??nergie pour vaincre la r??pulsion entre les noyaux de la forte ou forces nucl??aires pour produire cet effet, donc la fusion nucl??aire ne peut avoir lieu ?? des temp??ratures tr??s ??lev??es ou des pressions ??lev??es. Une fois le processus r??ussit, une tr??s grande quantit?? d'??nergie est lib??r??e et le noyau combin??e suppose un niveau d'??nergie plus faible. L'??nergie de liaison par nucl??on augmente avec le nombre de masse jusqu'?? nickel -62. Etoiles comme le Soleil sont aliment??s par la fusion de quatre protons dans le noyau d'h??lium, deux positons, et deux neutrinos. La fusion incontr??l??e de l'hydrog??ne en h??lium est connu comme emballement thermonucl??aire. Une fronti??re de la recherche actuelle dans diverses institutions, par exemple la Joint European Torus (JET) et ITER, est le d??veloppement d'une m??thode ??conomiquement viable d'utiliser l'??nergie d'une r??action de fusion contr??l??e. Fusion nucl??aire naturel est ?? l'origine de la lumi??re et de l'??nergie produite par le c??ur de toutes les ??toiles, y compris notre propre soleil .

Fission nucl??aire

La fission nucl??aire est le processus inverse de la fusion. Pour les noyaux plus lourds que le nickel-62 l'??nergie de liaison par nucl??on diminue avec le nombre de masse. Il est donc possible pour l'??nergie d'??tre lib??r?? si un noyau lourd se brise en deux plus l??gers.

Le processus de d??sint??gration alpha est essentiellement un type sp??cial de spontan??e fission nucl??aire . Ce proc??d?? produit une fission hautement asym??trique du fait que les quatre particules qui constituent la particule alpha sont ??troitement li??s en particulier ?? l'autre, ce qui rend la production de ce noyau dans fission particuli??rement susceptibles.

Pour certains des noyaux plus lourds qui produisent des neutrons sur la fission, et qui ??galement facilement absorber les neutrons pour lancer la fission, un type de la fission des neutrons ?? l'initiative d'auto-inflammation peut ??tre obtenu, dans un soi-disant r??action en cha??ne. Les r??actions en cha??ne ont ??t?? connus dans la chimie avant de la physique, et en fait de nombreux processus familiers comme les incendies et les explosions chimiques sont des r??actions en cha??ne chimiques. La fission ou R??action en cha??ne "nucl??aire", en utilisant des neutrons de fission-produit, est la source d'??nergie pour les centrales nucl??aires et les centrales nucl??aires de type bombes de fission, comme ceux explos?? par le ??tats-Unis en Hiroshima et Nagasaki, au Japon, ?? la fin de la Seconde Guerre mondiale . Noyaux lourds tels que l'uranium et le thorium peut ??galement subir fission spontan??e, mais ils sont beaucoup plus susceptibles de subir la d??composition par la d??sint??gration alpha.

Pour une r??action en cha??ne de neutrons ?? l'initiative de se produire, il doit y avoir un masse critique de l'??l??ment pr??sent dans un certain espace dans certaines conditions. Les conditions de la masse critique plus petite exigent la conservation des neutrons ??mis et aussi leur ralentissement ou la mod??ration donc il ya une plus grande section ou probabability de les initier une autre fission. Dans deux r??gions de Oklo, au Gabon, en Afrique, r??acteurs naturels de fission nucl??aire ??taient actifs il ya plus de 1,5 milliards d'ann??es. Mesures d'??mission de neutrino naturel ont d??montr?? que pr??s de la moiti?? de la chaleur ??manant des principaux r??sultats de la Terre de la d??sint??gration radioactive. Cependant, on ne sait pas si tout cela r??sulte de fission des r??actions en cha??ne.

Production d'??l??ments ??lourds?? (num??ro atomique sup??rieur ?? cinq)

Selon la th??orie, que l'Univers refroidi apr??s le big bang , il est finalement devenu possible pour les particules subatomiques communs que nous connaissons (neutrons, protons et ??lectrons) d'exister. Les particules les plus communs cr????s dans le big bang qui sont encore facilement observables ?? nous aujourd'hui ??taient protons et d'??lectrons (en nombre ??gal). Les protons finiraient par former des atomes d'hydrog??ne. Presque tous les neutrons cr????s lors du Big Bang ont ??t?? absorb??s dans comptes d'h??lium-4 dans les trois premi??res minutes apr??s le Big Bang, et cela h??lium pour la plupart de l'h??lium dans l'univers d'aujourd'hui (voir Big Bang nucl??osynth??se).

Certains fraction d'??l??ments au-del?? de l'h??lium ont ??t?? cr????s lors du Big Bang, que les protons et les neutrons sont entr??s en collision les uns avec les autres (le lithium, le b??ryllium, et peut-??tre un peu de bore), mais tous les ????l??ments plus lourds" (carbone, l'??l??ment num??ro 6, et des ??l??ments plus de num??ro atomique ) que l'on voit aujourd'hui, ont ??t?? cr????s ?? l'int??rieur d'??toiles pendant une s??rie d'??tapes de fusion, tels que la cha??ne proton-proton, le Cycle CNO et de la triple processus-alpha. Progressivement ??l??ments plus lourds sont cr????s au cours de la ??volution d'une ??toile.

Depuis l'??nergie de liaison par nucl??on pics autour du fer, de l'??nergie ne est lib??r?? dans les processus de fusion qui se produisent dessous de ce point. Depuis la cr??ation de noyaux plus lourds par fusion co??te de l'??nergie, stations de nature ?? le processus de capture de neutrons. Neutrons (en raison de leur absence de charge) sont facilement absorb??s par un noyau. Les ??l??ments lourds sont cr????s soit par un processus de capture de neutrons lents (le proc??d?? dit s) ou par le ou un processus rapide r. Le processus de s se produit dans pulsation thermique ??toiles (appel?? AGB ou asymptotique ??toiles Giant Branch) et prend des centaines de milliers d'ann??es pour atteindre les ??l??ments les plus lourds de plomb et de bismuth. Le processus de r est pens?? pour se produire dans des explosions de supernovae parce que les conditions de haute temp??rature, haute flux de neutrons et mati??re ??ject??e sont pr??sents. Ces conditions stellaires font le neutron successive capture tr??s rapide, impliquant des esp??ces tr??s riches en neutrons qui a ensuite d??sint??gration b??ta d'??l??ments plus lourds, en particulier au niveau des points dits d'attente qui correspondent aux nucl??ides plus stables avec des coquilles de neutrons ferm??s (num??ros de magie).