La física atómica y nuclear describen la física de los muy pequeños. Al trabajar con objetos tan pequeños, su intuición construida a partir de su comprensión de la mecánica clásica a menudo falla. Este es el ámbito de la mecánica cuántica, las fuerzas nucleares de corto alcance, la radiación electromagnética y el modelo estándar de física de partículas.
¿Qué es la física atómica?

La física atómica es la rama de la física que se ocupa de la estructura de el átomo, los estados de energía asociados y la interacción del átomo con partículas y campos. Por el contrario, la física nuclear se centra específicamente en lo que ocurre dentro del núcleo atómico, que se describe con más detalle en la siguiente sección.

Hay varios elementos de estudio en física de partículas. Primero y principal es la estructura del átomo mismo. Los átomos consisten en un núcleo fuertemente unido, que contiene protones y neutrones, y una nube de electrones difusa.

Dado que el núcleo suele ser del orden de 10 ^{-15 a 10 -14 m de diámetro, y los átomos en sí están en el orden de 10 -10 m de diámetro (y el tamaño de los electrones es insignificante), resulta que los átomos son en su mayoría espacio vacío. Por supuesto, no parecen serlo y toda la materia hecha de átomos ciertamente se siente como sustancia.}

La razón por la cual los átomos no parecen ser en su mayoría un espacio vacío es que tú también estás hecho de átomos, y todos los átomos interactúan con energía electromagnética. Aunque su mano, que está compuesta principalmente de átomos de espacio vacío, presiona contra una mesa, también compuesta principalmente de espacio vacío, no pasa a través de la mesa debido a las fuerzas electromagnéticas entre los átomos cuando entran en contacto.

Sin embargo, el neutrino, una partícula que no interactúa con la fuerza electromagnética, puede pasar a través de la mayoría del material atómico prácticamente sin ser detectado. De hecho, ¡100 trillones de neutrinos pasan por su cuerpo cada segundo!
Clasificación de los átomos

Los átomos se clasifican por número atómico en la tabla periódica. El número atómico es el número de protones que contiene el átomo en su núcleo. Este número define el elemento.

Si bien un elemento dado siempre tendrá el mismo número de protones, puede contener diferentes números de neutrones. Los diferentes isótopos de un elemento contienen diferentes números de neutrones. Algunos isótopos son más estables que otros (lo que significa que es menos probable que se descompongan espontáneamente en otra cosa), y esta estabilidad generalmente depende del número de neutrones, razón por la cual, para la mayoría de los elementos, la mayoría de los átomos tienden a ser de un isótopo específico .

El número de electrones que contiene un átomo determina si está ionizado o cargado. Un átomo neutro contiene la misma cantidad de electrones que los protones, pero a veces los átomos pueden ganar o perder electrones y cargarse. La facilidad con la que un átomo gana o pierde electrones depende de su estructura orbital de electrones.

El átomo de hidrógeno es el átomo más simple, que contiene solo un protón en su núcleo. Los tres isótopos más estables del hidrógeno son el protio (que no contiene neutrones), el deuterio (que contiene un neutrón) y el tritio (que contiene dos neutrones), siendo el protio el más abundante.

Se han propuesto diferentes modelos del átomo sobre los años, conducen al modelo actual. Los primeros trabajos fueron realizados por Ernest Rutherford, Niels Bohr y otros.
Espectros de absorción y emisión

Como se mencionó, los átomos interactúan con la fuerza electromagnética. Los protones en un átomo llevan carga positiva y los electrones llevan carga negativa. Los electrones en el átomo pueden absorber radiación electromagnética y alcanzar un estado de energía más alto como resultado, o emitir radiación y moverse a un estado de energía más bajo.

Una propiedad clave de esta absorción y emisión de radiación es que los átomos absorben y emiten radiación solo a valores cuantificados muy específicos. Y para cada tipo diferente de átomo, esos valores específicos son diferentes.

Un gas caliente de material atómico emitirá radiación a longitudes de onda muy específicas. Si la luz que proviene de este gas pasa a través de un espectroscopio, que extiende la luz en un espectro por la longitud de onda (como un arco iris), aparecerán distintas líneas de emisión. El conjunto de líneas de emisión provenientes del gas puede leerse casi como un código de barras que le dice exactamente qué átomos hay en el gas. De manera similar, si un espectro continuo de luz incide en un gas frío, y la luz que pasa a través de ese gas y luego pasa a través de un espectroscopio, vería un espectro continuo con espacios oscuros en las longitudes de onda específicas que absorbió el gas. Este espectro de absorción se verá como el inverso del espectro de emisión, las líneas oscuras aparecerán donde estaban las líneas brillantes para el mismo gas. Como tal, también se puede leer como un código de barras que le indica la composición del gas. Los astrónomos usan esto todo el tiempo para determinar la composición del material en el espacio.
¿Qué es la física nuclear?

La física nuclear se centra en el núcleo atómico, las reacciones nucleares y la interacción del núcleo con otras partículas. Explora la desintegración radiactiva, la fusión nuclear y la fisión nuclear, y la energía de unión, entre otros temas.

El núcleo contiene un grupo de protones y neutrones fuertemente unidos. Sin embargo, estas no son partículas fundamentales. Los protones y los neutrones están hechos de partículas aún más pequeñas llamadas quarks
.

Los Quarks son partículas con carga fraccional y nombres algo tontos. Vienen en seis llamados sabores: arriba, abajo, arriba, abajo, extraño y encantador. Un neutrón está formado por dos quarks hacia abajo y un quark hacia arriba, y un protón está formado por dos quarks hacia arriba y un quark hacia abajo. Los quarks en cada nucleón están fuertemente unidos por la fuerza nuclear fuerte.

La fuerza nuclear fuerte está mediada por partículas llamadas gluones
. ¿Estás sintiendo un tema? ¡Los científicos se divirtieron mucho nombrando estas partículas! Los gluones, por supuesto, "pegan" los quarks juntos. La fuerza nuclear fuerte actúa en un rango muy corto, a una distancia comparable al diámetro del núcleo de tamaño medio.
Energía de enlace

Cada neutrón aislado tiene una masa de 1.6749275 × 10 ^{-27 kg, y cada protón aislado tiene una masa de 1.6726219 × 10 -27 kg; sin embargo, cuando se unen en un núcleo atómico, la masa atómica no es la suma de sus partes constituyentes debido a algo llamado energía de enlace.}

Al unirse estrechamente, los nucleones alcanzan un estado de energía más bajo como resultado de parte de la masa total que tenían como partículas individuales se convertía en energía. Esta diferencia de masa que se convierte en energía se llama energía de unión del núcleo. La relación que describe cuánta energía corresponde a una cantidad dada de masa es la famosa ecuación E \u003d mc ^{2
de Einstein donde m
es la masa, c
es la velocidad de la luz y E
es la energía.}

Un concepto relacionado es la energía de enlace por nucleón, que es la energía de enlace total de un núcleo promediado sobre sus partes constituyentes. La energía de unión por nucleón es un buen indicador de cuán estable es un núcleo. Una energía de unión baja por nucleón indica que podría existir un estado más favorable de energía total más baja para ese núcleo en particular, lo que significa que probablemente querrá dividirse o fusionarse con otro núcleo en las condiciones adecuadas.

En general , los núcleos más ligeros que los núcleos de hierro tienden a alcanzar estados de energía más bajos y una energía de unión más alta por nucleón, al fusionarse con otros núcleos, mientras que los núcleos que son más pesados que el hierro tienden a alcanzar estados de energía más bajos al separarse en núcleos más ligeros. Los procesos por los cuales ocurren estos cambios se describen en la siguiente sección.
Fisión, fusión y decaimiento radiactivo

El enfoque principal de la física nuclear es estudiar la fisión, fusión y descomposición de los núcleos atómicos. Todos estos procesos están impulsados por una noción fundamental de que todas las partículas prefieren estados de menor energía.

La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en núcleos más pequeños. Los núcleos muy pesados son más propensos a hacer esto porque tienen una energía de unión más pequeña por nucleón. Como recordarán, hay algunas fuerzas que gobiernan lo que sucede en un núcleo atómico. La fuerza nuclear fuerte une fuertemente a los nucleones, pero es una fuerza de muy corto alcance. Entonces, para núcleos muy grandes, es menos efectivo.

Los protones cargados positivamente en el núcleo también se repelen entre sí a través de la fuerza electromagnética. Esta repulsión debe ser superada por la fuerza nuclear fuerte y también puede ser mediada por tener suficientes neutrones alrededor. Pero cuanto más grande es el núcleo, menos favorable es el equilibrio de fuerzas para la estabilidad.

Por lo tanto, los núcleos más grandes tienden a querer separarse ya sea mediante procesos de desintegración radiactiva o mediante reacciones de fisión como las que ocurren en reactores nucleares o bombas de fisión.

La fusión ocurre cuando dos núcleos más ligeros logran un estado de energía más favorable al combinarse en un núcleo más pesado. Sin embargo, para que se produzca la fisión, los núcleos en cuestión deben acercarse lo suficiente para que la fuerza nuclear fuerte pueda hacerse cargo. Esto significa que deben moverse lo suficientemente rápido para que puedan superar la repulsión eléctrica.

Los núcleos se mueven rápidamente en temperaturas extremas, por lo que esta condición a menudo es necesaria. Así es como la fusión nuclear puede tener lugar en el núcleo extremadamente caliente del sol. Hasta el día de hoy, los científicos todavía están tratando de encontrar una manera de hacer que ocurra la fusión en frío, es decir, la fusión a temperaturas más bajas. Dado que la energía se libera en el proceso de fusión y no deja desechos radiactivos como tienden a hacer los reactores de fisión, sería un recurso energético increíble si se logra.

La desintegración radiactiva es un medio común por el cual los núcleos experimentan cambios para convertirse en mas estable. Existen tres tipos principales de desintegración: desintegración alfa, desintegración beta y desintegración gamma.

En la desintegración alfa, un núcleo radiactivo libera una partícula alfa (un núcleo de helio-4) y se vuelve más estable como resultado. La desintegración beta se presenta en algunas variedades, pero en esencia es el resultado de que un neutrón se convierta en un protón o un protón se convierta en un neutrón y libere un β ^{-
o β +
partícula (un electrón o un positrón). La desintegración gamma ocurre cuando un núcleo en un estado excitado libera energía en forma de rayos gamma, pero mantiene su número total de neutrones y protones.
El modelo estándar de física de partículas}

El estudio de la física nuclear se extiende en el campo más amplio de la física de partículas, cuyo objetivo es comprender el funcionamiento de todas las partículas fundamentales. El modelo estándar clasifica las partículas en fermiones y bosones, y luego clasifica aún más los fermiones en quarks y leptones, y los bosones en bosones medidores y escalares.

Los bosones no obedecen las leyes de conservación de números, pero los fermiones sí. También hay una ley de conservación para los números de leptones y quarks, además de otras cantidades conservadas. Las interacciones de las partículas fundamentales están mediadas por los bosones portadores de energía.
Aplicaciones de la física nuclear y la física atómica

Las aplicaciones de la física nuclear y atómica son abundantes. Los reactores nucleares en las centrales nucleares crean energía limpia al aprovechar la energía liberada durante los procesos de fisión. La medicina nuclear utiliza isótopos radiactivos para la obtención de imágenes. Los astrofísicos usan la espectroscopia para determinar la composición de nebulosas distantes. La resonancia magnética permite a los médicos crear imágenes detalladas del interior de sus pacientes. Incluso la tecnología de rayos X hace uso de la física nuclear.