Varios días nublados en París en 1896 "arruinaron" el experimento de Henri Becquerel, pero en el proceso, nació el campo de la física nuclear. Becquerel estaba dispuesto a demostrar su hipótesis de que el uranio absorbía la luz solar y la re-irradiaba en forma de rayos X, descubiertos el año anterior.
Conceptos básicos de física nuclear: historia y descubrimiento

El plan de Becquerel era llevar el sulfato de uranilo de potasio a la luz solar y luego ponerlo en contacto con placas fotográficas envueltas en papel negro, porque si bien la luz visible no podría pasar, los rayos X sí lo harían. A pesar de la falta de luz solar, decidió pasar por el proceso de todos modos, y se sorprendió cuando descubrió imágenes aún grabadas en la placa fotográfica.

Las pruebas adicionales mostraron que no eran rayos X en absoluto, a pesar de su Suposiciones El camino de la luz no está doblado por un campo magnético, pero la radiación del uranio fue desviada por uno, y esto, junto con el primer resultado, fue cómo se descubrió la radiación. Marie Curie acuñó el término radioactividad y, junto con su esposo Pierre, descubrieron el polonio y el radio, identificando las fuentes precisas de la radiactividad.

Más tarde, Ernest Rutherford ideó los términos partículas alfa, partículas beta y gamma. partículas para el material irradiado, y el campo de la física nuclear realmente se puso en marcha.

Por supuesto, la gente ahora sabe mucho más sobre física nuclear que a principios del siglo XX, y es un tema crucial. entender y aprender sobre cualquier estudiante de física. Si desea comprender la naturaleza de la energía nuclear, las fuerzas nucleares fuertes y débiles o contribuir a campos como la medicina nuclear, aprender lo básico es esencial.
¿Qué es la física nuclear?

La física nuclear es esencialmente la física del núcleo, la parte del átomo que contiene los dos "hadrones", protones y neutrones más conocidos.

En particular, analiza las fuerzas que operan en el núcleo (la fuerte interacción que une a los protones). y neutrones juntos en el núcleo, así como mantener unidos sus quarks componentes, y la interacción débil relacionada con la desintegración radiactiva), y la interacción de los núcleos con otras partículas.

La física nuclear cubre temas como la fusión nuclear (que se relaciona con la energía de unión de diferentes elementos), la fisión nuclear (que es la división de elementos pesados para producir energía), así como la desintegración radiactiva y la estructura básica y las fuerzas en juego en el núcleo.

Hay muchos práctico aplicaciones del campo, incluyendo (pero no limitado a) trabajar en energía nuclear, medicina nuclear y física de alta energía.
Estructura del átomo

Un átomo está compuesto de un núcleo, que contiene positivamente protones cargados y neutrones no cargados, unidos por la fuerza nuclear fuerte. Estos están rodeados de electrones cargados negativamente, que forman lo que se llama una "nube" alrededor del núcleo, y el número de electrones coincide con el número de protones en un átomo neutro.

Ha habido numerosos modelos del átomo. propuesto a lo largo de la historia de la física, incluido el modelo de "pudín de ciruela" de Thomson, el modelo "planetario" de Rutherford y Bohr y el modelo moderno de mecánica cuántica descrito anteriormente.

El núcleo es pequeño, alrededor de 10 ^{- 15 m, que contiene la mayor parte de la masa del átomo, mientras que el átomo completo está en el orden de 10 −10 m. No deje que la notación lo engañe, esto significa que el núcleo es aproximadamente 100,000 veces más pequeño que el átomo en general, pero contiene la gran mayoría de la materia. ¡Entonces el átomo es predominantemente un espacio vacío!}

Sin embargo, la masa del átomo no es exactamente la misma que la masa de las partes constituyentes: si sumas las masas de los protones y neutrones, ya excede la masa de el átomo, incluso antes de dar cuenta de la masa mucho más pequeña del electrón.

Esto se llama el "defecto de masa" del átomo, y si convierte esta diferencia en energía utilizando la famosa ecuación de Einstein E
\u003d mc
^{2, obtienes la “energía de unión” del núcleo.}

Esta es la energía que tendrías que poner en el sistema para dividir el núcleo en sus protones y neutrones constituyentes. Estas energías son mucho, mucho más grandes que la energía que requiere para eliminar un electrón de su "órbita" alrededor del núcleo.
Materia nuclear y estructura nuclear

Los dos tipos de nucleón (es decir, partícula del núcleo). ) son el protón y el neutrón, y estos están estrechamente unidos en el núcleo del átomo.

Aunque estos son generalmente los nucleones sobre los que escuchará, en realidad no son partículas fundamentales en el modelo estándar de física de partículas. El protón y el neutrón están compuestos de partículas fundamentales llamadas quarks, que vienen en seis "sabores" y cada una lleva una fracción de la carga de un protón o un electrón.

Un quark up tiene un 2/3 e
carga, donde e
es la carga de un electrón, mientras que un quark descendente tiene una carga de −1/3 e
. Esto significa que dos quarks arriba y un quark abajo combinados producirían una partícula con una carga positiva de magnitud e
, que es un protón. Por otro lado, un quark up y dos quarks down producen una partícula sin carga general, el neutrón.
El modelo estándar de física de partículas

El modelo estándar cataloga todas las partículas fundamentales conocidas actualmente, y los agrupa en dos grupos principales: fermiones y bosones. Los fermiones se subdividen en quarks (que a su vez producen hadrones como protones y neutrones) y leptones (que incluyen electrones y neutrinos), y los bosones se subdividen en bosones medidores y escalares.

El bosón de Higgs es el único bosón escalar. conocidos hasta ahora, con los otros bosones - el fotón, el gluón, los bosones Z
- y los bosones W
- son bosones medidores.

Los fermiones, a diferencia de los bosones, obedecen " leyes de conservación de números ". Por ejemplo, existe una ley de conservación del número de leptones, que explica cosas como las partículas producidas como parte de los procesos de desintegración nuclear (porque la creación de un electrón con leptón número 1, por ejemplo, tiene que ser equilibrado con la creación de otra partícula con número de leptón −1, como un antineutrino de electrones).

El número de Quark también se conserva, y también hay otras cantidades conservadas.

Bosones son partículas portadoras de fuerza, por lo que las interacciones de las partículas fundamentales están mediadas por los bosones. Por ejemplo, la interacción de los quarks está mediada por gluones, y las interacciones electromagnéticas están mediadas por fotones.
Fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil

Aunque la fuerza electromagnética se aplica en el núcleo, las fuerzas principales Es necesario tener en cuenta las fuerzas nucleares fuertes y débiles. La fuerza nuclear fuerte es llevada por gluones, y la fuerza nuclear débil es llevada por W
^{± y los bosones Z
0.}

As El nombre sugiere que la fuerza nuclear fuerte es la más fuerte de todas las fuerzas fundamentales, seguida del electromagnetismo (10 ^{2 veces más débil), la fuerza débil (10 6 veces más débil) y la gravedad (10 40 veces más débil). La gran diferencia entre la gravedad y el resto de las fuerzas es la razón por la cual los físicos esencialmente la descuidan cuando discuten la materia a nivel atómico.}

La fuerza fuerte necesita
ser fuerte para superar la repulsión electromagnética entre los protones cargados positivamente en el núcleo: si hubiera sido más débil que la fuerza electromagnética, no se habrían podido formar átomos con más de un protón en el núcleo. Sin embargo, la fuerza fuerte tiene un rango muy corto.

Esto es importante porque muestra por qué la fuerza no se nota incluso en la escala de átomos o moléculas enteros, pero también significa que la repulsión electromagnética se vuelve más relevante para núcleos pesados (es decir, átomos más grandes). Esta es una de las razones por las que los núcleos inestables son a menudo los de los elementos pesados.

La fuerza débil también tiene un rango muy corto, y esencialmente hace que los quarks cambien de sabor. Esto puede hacer que un protón se convierta en un neutrón y viceversa, por lo que puede considerarse como la causa de procesos de desintegración nuclear como la desintegración beta más y menos.
Decadencia radiactiva

Hay tres tipos de desintegración radiactiva: desintegración alfa, desintegración beta y desintegración gamma. La desintegración alfa es cuando un átomo se desintegra al liberar una "partícula alfa", que es otro término para un núcleo de helio.

Hay tres subtipos de desintegración beta, pero todos ellos implican que un protón se convierta en un neutrones o viceversa. Una desintegración beta menos es cuando un neutrón se convierte en un protón y libera un electrón y un antineutrino de electrones en el proceso, mientras que en la desintegración beta más, un protón se convierte en un neutrón y libera un positrón (es decir, un anti-electrón) y un electrón neutrino.

En la captura de electrones, un electrón de las partes externas del átomo se absorbe en el núcleo y un protón se convierte en un neutrón, y se libera un neutrino del proceso.

La desintegración gamma es una desintegración donde se libera energía pero nada en el átomo cambia. Esto es análogo a la forma en que se libera un fotón cuando un electrón hace una transición de un estado de alta energía a un estado de baja energía. Un núcleo excitado hace una transición a un estado de baja energía y emite un rayo gamma como lo hace.
Fisión nuclear y fusión nuclear

La fusión nuclear es cuando dos núcleos se fusionan y crean un núcleo más pesado. Esta es la forma en que se genera energía en el sol, y lograr que el proceso ocurra en la Tierra para la generación de energía es uno de los objetivos más importantes para la física experimental.

El problema es que requiere temperaturas y presiones extremadamente altas, y, por lo tanto, niveles de energía muy altos. Sin embargo, si los científicos lo logran, la fusión podría convertirse en una fuente de energía vital a medida que la sociedad continúa creciendo y consumimos cantidades crecientes de energía.

La fisión nuclear es la división de un elemento pesado en dos núcleos más ligeros, y esto es lo que impulsa la generación actual de reactores nucleares.

La fisión es también el principio operativo de las armas nucleares, que es una de las principales razones por las que es un área controvertida. En la práctica, la fisión funciona a través de una serie de reacciones en cadena. Un neutrón que crea la división inicial en un elemento pesado como el uranio, genera un neutrón libre adicional después de la reacción, que luego puede causar otra división y así sucesivamente.

Esencialmente, ambos procesos ganan energía a través de la relación E
\u003d mc
^{2, ya que fusionar o dividir átomos implica una liberación de energía de la "masa faltante". Aplicaciones de la física nuclear}

Hay una amplia gama de aplicaciones de la física nuclear. En particular, los reactores nucleares y las centrales nucleares están operativos en muchos países del mundo, y muchos físicos están trabajando en diseños nuevos y más seguros.

Por ejemplo, algunos diseños de reactores nucleares tienen como objetivo garantizar que el material fuente no pueda ser utilizado para crear armas nucleares, que requieren una fuente mucho más enriquecida de uranio (es decir, un uranio "más puro") para operar.

La medicina nuclear es otra área importante para la física nuclear. La medicina nuclear implica la administración de pequeñas cantidades de material radiactivo al paciente, y luego se utilizan detectores para capturar imágenes de la radiación emitida. Esto ayuda a los médicos a diagnosticar afecciones renales, tiroideas, cardíacas y de otro tipo.

Por supuesto, hay muchas otras áreas en las que la física nuclear es esencialmente, incluida la física de alta energía y los aceleradores de partículas como el CERN, y la astrofísica, donde muchos de Los procesos dominantes en las estrellas dependen en gran medida de la física nuclear.