مهندسی کده

هسته

مقاله اصلی: هسته اتمی

انرژی اتصال مورد نیاز یک هسته برای فرار از هسته ، برای ایزوتوپ های مختلف

تمام پروتونها و نوترونهای متصل شده در یک اتم یک هسته اتمی کوچک را تشکیل می دهند و در مجموع نوکلئون نامیده می شوند. شعاع یک هسته تقریباً برابر با فمتومتر است ، جایی که { displaystyle A} A تعداد کل هسته ها است این بسیار کمتر از شعاع اتم است که در حد 105 fm است. نوکلئون ها توسط یک پتانسیل جذاب کوتاه مدت به نام نیروی قوی باقیمانده به هم متصل می شوند. در فواصل کمتر از 2.5 fm این نیرو بسیار بیشتر از نیروی الکترواستاتیکی است که باعث می شود پروتون های دارای بار مثبت یکدیگر را دفع کنند انجام پروژه متره انجام پروژه های متره و برآورد متره

اتمهای همان عنصر همان تعداد پروتون دارند که به آنها عدد اتمی گفته می شود. در داخل یک عنصر واحد ، تعداد نوترون ها ممکن است متفاوت باشد و ایزوتوپ آن عنصر را تعیین کند. تعداد کل پروتون ها و نوترون ها نوکلید را تعیین می کند. تعداد نوترون ها نسبت به پروتون ها ، ثبات هسته را تعیین می کند ، با ایزوتوپ های خاص تحت پوسیدگی رادیواکتیو قرار می گیرد.

پروتون ، الکترون و نوترون به عنوان فرمیون طبقه بندی می شوند. فرمیون از اصل طرد پائولی پیروی می کند که فرمیون های یکسان مانند پروتون های متعدد را از اشغال همزمان یک حالت کوانتومی منع می کند. بنابراین ، هر پروتون در هسته باید یک حالت کوانتومی متفاوت از سایر پروتون ها داشته باشد ، و این وضعیت در مورد تمام نوترون های هسته و تمام الکترون های ابر الکترون وجود دارد.

هسته ای که تعداد پروتون های متفاوتی نسبت به نوترون ها دارد ، می تواند از طریق پوسیدگی رادیواکتیو به حالت انرژی کمتری سقوط کند که باعث می شود تعداد پروتون ها و نوترون ها با هم مطابقت بیشتری داشته باشد. در نتیجه ، اتمهایی که دارای تعداد مطابقت پروتون و نوترون هستند ، در برابر پوسیدگی پایدارتر هستند ، اما با افزایش تعداد اتمی ، دافعه متقابل پروتون ها برای حفظ ثبات هسته نیاز به نسبت فزاینده ای از نوترون ها دارد.

تصویری از فرآیند همجوشی هسته ای که هسته دوتریم را تشکیل می دهد ، متشکل از یک پروتون و یک نوترون ، از دو پروتون. یک پوزیترون (e +) - یک الکترون ضد ماده - همراه با یک نوترینو الکترون ساطع می شود.

تعداد پروتون ها و نوترون های هسته اتمی را می توان اصلاح کرد ، اگرچه این به دلیل نیروی قوی می تواند به انرژی های بسیار بالایی نیاز داشته باشد. همجوشی هسته ای هنگامی اتفاق می افتد که ذرات اتمی متعدد به هم پیوسته و هسته سنگین تری را تشکیل می دهند ، مانند برخورد انرژی دو هسته. به عنوان مثال ، در هسته پروتون های خورشید برای غلبه بر دافعه متقابل خود - سد کولن - به انرژی 3 تا 10 کیلوولت نیاز دارند و با هم در یک هسته واحد ذوب می شوند. شکافت هسته ای فرایند مخالف است و باعث می شود که هسته به دو هسته کوچکتر تقسیم شود - معمولاً از طریق پوسیدگی رادیواکتیو. هسته را می توان از طریق بمباران ذرات زیر اتمی با انرژی زیاد یا فوتون نیز اصلاح کرد. اگر این تعداد پروتون های هسته را اصلاح کند ، اتم به عنصر شیمیایی دیگری تغییر می کند. انجام پروژه های فتو شاپ انجام پروژه فتوشاپ فتوشاپ

اگر جرم هسته به دنبال یک واکنش همجوشی کمتر از جمع جرم ذرات جدا باشد ، می توان تفاوت بین این دو مقدار را به عنوان نوعی انرژی قابل استفاده (مانند اشعه گاما یا انرژی جنبشی) منتشر کرد. از یک ذره بتا) ، همانطور که توسط فرمول برابری انرژی جرم آلبرت انیشتین شرح داده شده است ، m از دست دادن جرم است و { displaystyle c} c سرعت نور است. این کسری بخشی از انرژی اتصال هسته جدید است و این از دست دادن غیر قابل بازیابی انرژی است که باعث می شود ذرات ذوب شده در یک حالت باقی بمانند و نیاز به جدا شدن این انرژی باشد.

همجوشی دو هسته که هسته های بزرگتری با تعداد اتمی کمتر از آهن و نیکل ایجاد می کنند - تعداد کل هسته های حدود 60 عدد - معمولاً یک فرآیند گرمازایی است که انرژی بیشتری از آنچه برای جمع شدن آنها لازم است آزاد می کند. همین روند آزادسازی انرژی است که همجوشی هسته ای در ستارگان را به یک واکنش خود پایدار تبدیل می کند. برای هسته های سنگین تر ، انرژی اتصال در هر هسته در هسته شروع به کاهش می کند. این بدان معنی است که فرآیندهای همجوشی هسته هایی تولید می کند که تعداد اتمی آنها بیشتر از 26 و جرم های اتمی بالاتر از 60 است ، یک فرآیند گرمازا است. این هسته های پرجرم تر نمی توانند یک واکنش همجوشی تولید کننده انرژی داشته باشند که می تواند تعادل هیدرواستاتیک یک ستاره را حفظ کند.

شکافت ، فیزیک پر انرژی و مواد متراکم

در سال 1938 ، شیمی دان آلمانی ، اتو هان ، دانشجوی رادرفورد ، نوترون ها را به سمت اتم های اورانیوم هدایت كرد و انتظار داشت عناصر ترانس اورانیوم بدست آورد. در عوض ، آزمایشات شیمیایی وی باریم را به عنوان یک محصول نشان داد. یک سال بعد ، لیزه میتنر و برادرزاده اش اتو فریش تأیید کردند که نتیجه هان اولین شکاف هسته ای تجربی است. در سال 1944 ، هان جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد. علی رغم تلاش های هان ، مشارکت های میتنر و فریش به رسمیت شناخته نشد.

در دهه 1950 ، توسعه شتاب دهنده های ذرات و آشکارسازهای ذرات به دانشمندان اجازه داد تا تأثیرات اتم های دارای انرژی زیاد را مطالعه کنند. مشخص شد که نوترون ها و پروتون ها هادرون یا کامپوزیت ذرات کوچکتر به نام کوارک هستند. مدل استاندارد فیزیک ذرات توسعه یافته است که تاکنون با موفقیت خواص هسته را از نظر این ذرات زیر اتمی و نیروهای حاکم بر فعل و انفعالات آنها توضیح داده است.

ساختار

ذرات زیر اتمی

مقاله اصلی: ذره زیر اتمی

گرچه کلمه اتم در ابتدا ذره ای را نشان می داد که نمی توان آن را به ذرات کوچکتر تقسیم کرد ، اما در استفاده علمی جدید ، اتم از ذرات مختلف زیر اتمی تشکیل شده است. ذرات تشکیل دهنده یک اتم الکترون ، پروتون و نوترون هستند.

الکترون با داشتن بار الکتریکی منفی و اندازه ای که برای اندازه گیری با استفاده از تکنیک های موجود خیلی کوچک است ، کمترین جرم این ذرات است. تا زمان کشف جرم نوترینو ، این سبکترین ذره با جرم استراحت مثبت اندازه گیری شده بود. در شرایط عادی ، الکترون ها توسط جاذبه ای که از بارهای الکتریکی مخالف ایجاد می شود ، به هسته بار مثبت متصل می شوند. اگر یک اتم الکترون های بیشتری نسبت به عدد اتمی خود داشته باشد ، به طور کلی بار منفی یا مثبت می شود. یک اتم باردار یون نامیده می شود. الکترون ها از اواخر قرن نوزدهم شناخته می شوند ، بیشتر به لطف J.J. تامسون برای جزئیات تاریخ فیزیک زیر اتمی را ببینید.

پروتون ها دارای بار مثبت و جرم 1836 برابر الکترون هستند ، یعنی 677 × 10×27 کیلوگرم. تعداد پروتونهای یک اتم را عدد اتمی آن می نامند. ارنست رادرفورد (1919) مشاهده کرد که نیتروژن تحت بمباران ذرات آلفا آنچه را که به نظر می رسد هسته هیدروژن باشد ، خارج می کند. تا سال 1920 او پذیرفت که هسته هیدروژن ذره ای مشخص در اتم است و آن را پروتون نامید.

نوترون ها هیچ بار الکتریکی ندارند و جرم آزاد 1839 برابر جرم الکترون ، یا 1.6749 × 10−27 کیلوگرم است. نوترون ها از سه ذره تشکیل دهنده سنگین ترین وزن هستند ، اما جرم آنها می تواند توسط انرژی اتصال هسته ای کاهش یابد. نوترون ها و پروتون ها (که در مجموع به آنها نوکلئون گفته می شود) ابعاد قابل مقایسه ای دارند - به ابعاد 2.5 × 10-15 متر - هرچند که «سطح» این ذرات به وضوح تعریف نشده است. نوترون در سال 1932 توسط فیزیکدان انگلیسی جیمز چادویک کشف شد. انواع پروژه های شما را  انجام پروژه متره و برآورد درزمینه متره و برآورد انجام دهد

در مدل استاندارد فیزیک ، الکترون ها واقعاً ذرات بنیادی هستند و هیچ ساختار درونی ندارند ، در حالی که پروتون ها و نوترون ها ذرات کامپوزیتی هستند که از ذرات بنیادی به نام کوارک تشکیل شده اند. در اتمها دو نوع کوارک وجود دارد که هر کدام دارای بار الکتریکی کسری هستند. پروتونها از دو کوارک بالا (هر کدام با بار +) تشکیل شده اند. نوترون ها از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده اند. این تمایز اختلاف جرم و بار بین دو ذره را به حساب می آورد

کوارک ها توسط کنش متقابل قوی (یا نیروی قوی) ، که توسط گلوئون ها واسطه است ، نگه داشته می شوند. پروتون ها و نوترون ها ، به نوبه خود ، توسط هسته هسته ای در هسته یکدیگر نگه داشته می شوند ، که این یک باقی مانده از نیروی قوی است که دارای خواص برد تا حدی متفاوت است (برای اطلاعات بیشتر به مقاله نیروی هسته ای مراجعه کنید). گلوئون عضوی از خانواده بوزونهای سنج است که ذرات بنیادی هستند و نیروهای فیزیکی را واسطه می کنند