פיזיקה גרעינית

פיזיקה גרעיניתהיא ענף בפיזיקההמודרנית העוסק בחקרגרעין האטוםותהליכי הגומלין המתרחשים בו.

היסטוריה

העובדה כי לאטומים יש מבנה פנימי התגלתה בשלהיהמאה ה-19,עד אז התייחסו לאטומים כאלחלקיקים נקודתייםללא מבנה פנימי ושאינם ניתנים לחלוקה. קיום מבנה פנימי באטומים אושש ניסיונית רק בתחילתהמאה ה־20.

גרעין האטום התגלה על ידיארנסט רתרפורדבשנת1911,באמצעות ניסוי מפורסם בו רתרפורד מדד את הפיזור שלחלקיקי אלפא(שהם גרעיניהליום) וגילה שהחלקיקים מפוזרים רק מאזור קטן של האטום. מכך הסיק רתרפורד שהמטען החיובי של האטום מרוכז בגרעין קטן באמצעו ואילו המטען השלילי סובב סביבו. עד לפיתוחמודל האטום של בוהרסברו הפיזיקאים שהאטום הוא מעין "מערכת שמש"קטנה שלאלקטרוניםהסובבים סביב גרעין.

התקדמות גדולה בחקר האטום התאפשרה בעקבות פיתוחתורת היחסות הפרטית(והנוסחה המפורסמתE=mc²) ומכניקת הקוונטים.במסגרת מכניקת הקוונטים, נוסחו כללי אכלוס של האלקטרונים סביב האטום רק במספר בדיד של מסלולים מותרים סביב האטום ברמות אנרגיהשונות (שמספרן הואבן מנייה).

עד היום, על אף מאמצים גדולים שהושקעו והתקדמות רבה שהושגה בהבנת גרעין האטום, אין בידנו הבנה מלאה של הגרעין. הסיבות לכך נעוצות במבנה המורכב של הכוח הגרעיני, שהוא כוח שיורי שאיננו מתואר על ידיהמודל הסטנדרטי,ובכך שמלבד הגרעינים הקלים ביותר הגרעין הואמערכת רב גופיתולכן איננו ניתן לפתרון אנליטי. יתרה מכך, מדובר במערכת רב גופית קוונטית ועל כן לא ניתן לפתור את הבעיה הרב גופית עבור גרעינים כבדים יותר מגרעין ההליום באופן נומרי בעזרת כח החישוב הקיים היום. (זאת בניגוד למצב בקוסמולוגיה,למשל, שם פותרים את הבעיה הרב גופית הקלאסית בעזרת סימולצית מחשב).

מושגי יסוד

גרעין האטום

ערך מורחב –גרעין האטום

גרעין אטום עשוי להכיל שני סוגים של חלקיקים:

1. פרוטון:חלקיק בגרעין הטעון ביחידתמטען יסודיחיובית אחת (שוות ערך ל$1.6\times 10^{-19}$קולון). הפרוטון משתייך למשפחת הבאריונים.מסתו היא ~ 1.00728יחידות מסה אטומית מאוחדתוהיא גדולה בערך פי 1836 ממסת האלקטרון.המספר האטומישל יסוד מציין את מספר הפרוטונים בגרעין והוא הגורם להבדל בין היסודות השונים. מדענים מעריכים כי משך חייו של הפרוטון הוא אינסופי, אולם נושא זה עודנו שנוי במחלוקת. כל גרעין אטום, ללא יוצא מן הכלל, מכיל לפחות פרוטון אחד.
2. נייטרון:חלקיק בגרעין שאינו נושא מטען. הנייטרון כבד במקצת מהפרוטון (1.00867 ימ "א). הנייטרון יציב כל עוד הוא נמצא בתוך גרעין האטום. ברגע שהנייטרון נמצא מחוץ לגרעין האטום הוא עובר תהליך של התפרקות בהשפעתו שלהכוח הגרעיני החלש.תוצרי הפירוק הללו הםפרוטון,אלקטרוןוחלקיק כמעט חסר מסה ומטען בשםאנטי-נייטרינו.לנייטרון יש זמן מחצית חיים של כ 880 שניות.גרעין המימן-1הוא יוצא דופן לעומת כל הגרעינים האחרים, שכן הוא חסר נייטרונים ומכיל אך ורק פרוטון אחד. דבר זה אינו מתקיים באיזוטופיםאחרים של מימן, כגוןדאוטריום.

כוחות הפועלים בגרעין האטום

בפיזיקה הגרעינית נדונים ארבעה כוחות יסודיים:

1. הכוח הגרעיני החזק(strong interaction): כוח זה פועל בתוךהאדרונים.עוצמתו גדולה פי 100 מזו של הכוח האלקטרומגנטי. טווח הפעולה של הכוח הגרעיני החזק (או, בקיצור, הכוח החזק) הוא בסדר הגודל של ‎10^-15‎ מטר. בפיזיקה הגרעינית נהוג לכנות מרחק זה בשםפרמי(fermi), על שם הפיזיקאיאנריקו פרמי.הכוח החזק נובע מחילופים שלבוזוניםמסוגגלואוניםבין הקווארקיםהמרכיבים את הנוקליאון, והוא אחראי לעיקר מסתו של הגרעין.
2. הכוח הגרעיני(nuclear force): כוח זה, שהוא השייר (residual) של הכוח הגרעיני החזק, הוא הכוח שמחבר יחד את הפרוטונים והנייטרונים בגרעין האטום. הוא נישא על ידי שלושה סוגי בוזונים שהםמזונים:פאיונים,מזוני רוומזוני אומגה.טווח הפעולה של הכוח הגרעיני הוא כ-2 פרמי לכל היותר. מעבר למרחק זה, עוצמתו של הכוח הגרעיני זניחה. כתוצאה מכך ומהדחייה שמפעיל הכוח האלקטרומגנטי בין הפרוטונים בגרעין, גודלם המרבי של גרעינים מוגבל.
3. הכוח האלקטרומגנטי(electromagnetic interaction): הכוח השני בעוצמתו מבין ארבעת כוחות היסוד. הוא פועל בין כל שני חלקיקים נושאימטען חשמלי.לפיהאלקטרודינמיקה הקוונטית,כוח זה נובע מחילופיפוטוניםבין החלקיקים. בגרעין האטום, הכוח האלקטרומגנטי יוצר דחייה בין הפרוטונים המרכיבים את הגרעין, דחייה עליה מתגבר הכוח הגרעיני, השומר על לכידות הגרעין, עד גודל מסוים.
4. הכוח הגרעיני החלש(weak interaction): הכוח השלישי בעוצמתו מבין ארבעת כוחות היסוד. כוח זה אחראי, בין היתר, לרדיואקטיביותמסוגקרינת בטא.

אינטראקציות גרעיניות

• רדיואקטיביות
• ביקוע גרעיני
• היתוך גרעיני

יישומים

• נשק גרעיני
  • פצצת אטום
  • פצצת מימן
• כור אטומי
• הסברת מנגנון הפקת האנרגיה שלהשמשוכוכביםאחרים.

ראו גם

• אטום
• מכניקת הקוונטים
• חלקיק יסודי
• המודל הסטנדרטי

לקריאה נוספת

• דניאל אשרי, ‏פיזיקה גרעינית,סדרתאוניברסיטה משודרת,בהוצאתמשרד הביטחון – ההוצאה לאור,1989

קישורים חיצוניים

• פיזיקה גרעינית,דף שער בספרייה הלאומית