×
Kernfisika

Kernfisika is die deel van fisika waarin atoomkerne asook hul samestellende dele en wisselwerkings bestudeer word. Ander vorme van kernmaterie word ook bestudeer. Daarteenoor gaan atoomfisika oor die bestudering van die hele atoom, insluitende die elektrone.

’n Kernreaksie.

Ontdekkings in kernfisika het gelei tot baie toepassings in dié veld, soos kernkrag, kernwapens, kernmedisyne, magnetieseresonansiebeelding, radiokoolstofdatering, ensovoorts.

Deeltjiefisika het uit kernfisika ontstaan en die twee velde hou nou verband met mekaar. Kernastrofisika, die toepassing van kernfisika op die gebied van astrofisika, is belangrik om die binnewerking van sterre en die oorsprong van elemente te verduidelik.

Inhoud

Henri Becquerel.

Die geskiedenis van kernfisika as ’n ander dissipline as atoomfisika het begin met die ontdekking in 1896 deur Henri Becquerel van radioaktiwiteit terwyl hy fosforessensie in uraansoute ondersoek het. Die ontdekking van die elektron die volgende jaar deur J.J. Thomson was ’n aanduiding dat die atoom ’n interne struktuur het.

In die daaropvolgende jare is radioaktiwiteit deeglik bestudeer, deur onder andere Marie en Pierre Curie sowel as deur Ernest Rutherford en sy samewerkers. Aan die begin van die 20ste eeu het fisici ook drie soorte bestraling ontdek wat uit atome vloei; hulle het dit alfa-, beta- en gammastrale genoem. In eksperimente in 1911 deur Otto Hahn en in 1914 deur James Chadwick is ontdek dat die betavervalspektrum aaneenlopend in plaas van diskreet is. Dit beteken elektrone word uit die atoom gewerp met ’n aaneenlopende reeks energieë, eerder as met die diskrete hoeveelhede energie wat in gamma- en alfaverval waargeneem is. In dié tyd was dit ’n probleem vir kernfisika, omdat dit gelyk het asof dit ’n aanduiding is dat energie nie in dié vervalle bewaar word nie.

Die Nobelprys vir fisika is in 1903 gesamentlik toegeken aan Becquerel vir sy ontdekking van radioaktiwiteit en aan Marie en Pierre Curie vir hul daaropvolgende navorsing daaroor. Rutherford het in 1908 die Nobelprys vir chemie gekry vir sy "ondersoeke na die disintegrasie van die elemente en die chemie van radioaktiewe stowwe".

In 1905 het Albert Einstein die massa-energieverband geformuleer. Terwyl Becquerel en Marie Curie se werk oor radioaktiwiteit dit voorafgegaan het, is ’n verduideliking van die energiebron van radioaktiwiteit eers gekry met die ontdekking dat die kern self uit kleiner dele, die nukleone, bestaan.

Rutherford se span ontdek die kern

Bo: Verwagte resultate van Thomson se "Plum-Pudding" hipotese
Onder: Werklike resultate wat gelei het tot die hipotese van 'n atoom met 'n klein kern.

In 1906 is Ernest Rutherford se Retardation of the α Particle from Radium in passing through matter gepubliseer. Hans Geiger het op dié werk uitgebrei in ’n dokument gerig aan die Royal Society met eksperimente wat hy en Rutherford gedoen het deur alfadeeltjies deur lug, aliminiumfoelie en bladgoud te stuur. Nog werke is in 1909 gepubliseer deur Geiger en Ernest Marsden, asook ’n grootliks uitgebreide werk in 1910 deur Geiger. In 1911 tot 1912 het Rutherford aan die Royal Society die eksperimente verduidelik en die nuwe teorie oor die atoomkern soos ons dit nou verstaan, voorgestel.

Die sleuteleksperiment agter hierdie aankondiging is in 1910 by die Universiteit van Manchester uitgevoer: Ernest Rutherford se span het ’n merkwaardige eksperiment uitgevoer waarin Geiger en Marsden, onder Rutherford se toesig, aflfadeeltjies (heliumkerne) deur ’n dun laag bladgoud gestuur het. Die atoommodel van Thomson het voorspel die alfadeeltjies se baan sou hoogstens net effens gebuig wees. Rutherford het sy span egter opdrag gegee om uit te kyk vir iets wat hy geskok was om te sien: ’n Paar deeltjies is teen groot hoeke verstrooi, soms selfs heeltemal agteruit. Hy het dit vergelyk met ’n koeël wat deur ’n sneesdoekie gevuur word en dan heeltemal daarvan terugbons. Dié ontdekking, tesame met Rutherford se ontleding van die data in 1911, het gelei tot die Rutherford-model van die atoom waarvolgens die atoom ’n baie klein, baie digte kern het wat die grootste deel van sy massa bevat, en uit hoogs positief gelaaide deeltjies bestaan met omringende elektrone wat die lading uitbalanseer (aangesien die neutron nog nie ontdek was nie). Volgens hierdie model (wat nie die moderne een is nie) bestaan stikstof-14 byvoorbeeld uit ’n kern met 14 protone en 7 elektrone (altesaam 21 deeltjies) en word die kern omring deur nog 7 elektrone.

Omstreeks 1920 het Arthur Eddington die ontdekking en meganisme van kernfusieprosesse in sterre voorspel in sy dokument The Internal Constitution of the Stars. In dié tyd was die bron van sterenergie ’n algehele raaisel; Eddington het reg voorspel dat die bron die fusie van waterstof na helium is wat enorme hoeveelhede energie vrystel volgens Einstein se vergelyking E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} . Dit was ’n uitsonderlike ontwikkeling, want in dié tyd was fusie en termonukleêre energie, en selfs dat sterre grootliks uit waterstof bestaan, nog nie ontdek nie.

Die Rutherford-model het heel goed gewerk totdat studies oor kernspin in 1929 deur Franco Rasetti by die Kaliforniese Instituut van Tegnologie gedoen is. Teen 1925 was dit bekend dat protone en elektrone elk ’n spin van12 het. In die Rutherford-model van stikstof-14 sou 20 van die altesaam 21 kerndeeltjies afgepaar het om mekaar se spin te kanselleer, en die laaste deeltjie sou die kern ’n netto spin van12 gegee het. Rasetti het egter ontdek stikstof-14 het ’n spin van 1.

James Chadwick ontdek die neutron

In 1932 het Chadwick besef bestraling, wat deur verskeie wetenskaplikes waargeneem is, is eintlik vanweë ’n neutrale deeltjie wat min of meer dieselfde massa as die proton het. Hy het dit die neutron genoem (ná ’n voorstel deur Rutherford oor die behoefte aan so ’n deeltjie). In dieselfde jaar het Dmitri Ivanenko voorgestel daar is nie elektrone in die kern nie, net protone en neutrone, en dat neutrone ’n spin van12 het; dit het die massa verduidelik wat nie aan protone toegeskryf kan word nie. Die spin van die neutron het dadelik die probleem opgelos van die spin van stikstof-14, omdat die een ongepaarde proton en een ongepaarde neutron in hierdie model elk ’n spin van12 in dieselfde rigting bydra, en dit gee ’n totale spin van 1.

Met die ontdekking van die neutron kon wetenskaplikes ten minste bereken watter fraksie bindingsenergie elke kern het deur die kernmassa te vergelyk met dié van die protone en neutrone waaruit dit bestaan. Die verskille tussen kernmassas is so bereken. Wanneer kernreaksies gemeet is, het dit tot binne 1% ooreengestem met Einstein se berekening van die massa-energieverband.

Yukawa se teorie oor kernbindingskrag

In 1935 het Hideki Yukawa die eerste betekenisvolle teorie oor die sterk kernkrag voorgestel om te verduidelik hoe kerne bymekaarbly. Volgens hom het ’n deeltjie, wat later ’n meson genoem is, ’n krag uitgeoefen op alle nukleone, insluitende protone en neutrone. Dié krag het verduidelik waarom kerne nie onder die invloed van protonafstoting disintegreer nie, en ook die manier verduidelik waarop die aantrekkende sterk krag ’n meer beperkte omvang het as die elektromagnetiese afstoting tussen protone. Later is met die ontdekking van die π-meson bewys dit het die eienskappe van Yukawa se deeltjie.

Met Yukawa se werk is die moderne model van die atoom voltooi. Die atoomkern bestaan uit ’n digte bol neutrone en protone, wat deur die sterk kernkrag bymekaargehou word, tensy dit te groot is. Onstabiele kerne kan alfaverval ondergaan, in welke geval hulle ’n energieke heliumkern uitwerp, of betaverval, in welke geval hulle ’n elektron (of positron) uitwerp. Ná een van hierdie vervalle kan die kern in ’n opgewekte toestand wees, en dan verval dit tot sy basistoestand deur hoë-energiefotone uit te werp (gammaverval).

Die studie van die sterk en die swak kernkrag (waarvan laasgenoemde in 1934 deur Enrico Fermi verduidelik is) het daartoe gelei dat wetenskaplikes kerne en elektrone teen al hoe hoër energieë laat bots het. Hierdie navorsing het die grondslag gevorm van deeltjiefisika, waarvan die kersie op die koek die standaardmodel van deeltjiefisika is. Dit beskryf die sterk en swak kernkrag en elektromegnetiese krag.

Die maateenhede van die SI-stelsel is nie geskik vir die klein mate wat in kernfisika betref is. Ander mate is oor die jare ontwikkel wn woed dikwels gebruik. Hierdie mate verskyn in 'n tabel in die SI Brochure met die titel "Non-SI units accepted for use with the SI Units". Die eenhede sluit in:

  • Energie - Die SI eenheid vir energie is die joule (J). In kernfisika is energie dikwels in elektronvoltes (eV) aangehaal. Die elektron-volt is die energie van 'n elektron wat deur 'n spanning van een volt versnel is. Dit is gelyk aan1,602 176 634 x 10–19 J.
  • Massa - Die SI eenheid vir massa is die kilogram (kg). In kernfisika is massa dikwels in atomiese massaeenhede ("amu", "ame" of "u") of daltons (Da) aangehaal. In vroeër jare was daar verskillende definisies vir die ame, maar deesdae is die dalton gedefinieër as een twaalfde van die massa van een atoom koolstof-12. Sy waarde is1,660 539 066 60(50) x 10–27 kg en is ongeveer die massa van 'n vry proton of neutron.
In sekere gevalle word massa in MeV in plaas van daltons aangedui. Sy waarde is deur Einstein se vergelyking E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} bereken.
  • Elektriese lading - Die SI eenheid vir elektriese lading is die coulomb. In kermfisika is elektriese lading dikwels in eenvoudige ladings (elementary charges) aangehaal. Die eenvoudige lading is die lading van een proton of die negatiewe waarde van die lading van een elektron. In die kernfisikaletterkunde is die lading gewoonlik sonder eenhede aangedui, byvoorbeeld "lading = +1". Die waarde van een eenvoudige lading eenheid is1.602 176 634 x 10–19 C.
  • Hoekmomentum - Die SI eenheid vir hoekmomentum of spin is joules-sekonde (J·s). In kernfisika is die hoekmomentum dikwels in "atoomiese eenhede van hoekmomentum" aangedui. Die waarde van een sulke eenheid (wat bekend is as die "verminderde konstante van Planck" - simbool ħ) is deur die vergelykingh = 2πħ = 6.626 070 15 × 10-34 J·s gegee. Volgens die kwantumteorie is die spin van 'n deeltjie veelvoudige van die helfde van verminderde plankkonstant. Dit word gewoonlik sonder eenhede aangedui, byvoorbeeld "spin =12".

Notas

  1. Sedert die hersiening van SI op 19 Mei 2019 kry die konstante van Planck 'n konstante waarde waaruit volg dat die elektron-volt presies afgelei kan word.
  2. Die afkorting "amu" kom van "Atomic mass units" en die afkorting '"ame" kom van "Atomiese massaeenheid"' af. Volgens die 8ste uitgawe van die SI Brochure (2006) is die simbool "u" is die verkose wêreldwye simbool vir hierdie hoeveelheid maar volgens die 9de uitgawe (2019) is die dalton die verkose naam en "Da" die verkose simbool vir die "atomiese massaeenhede"
  3. Die uitdrukking "1,234 567(89)" beteken"1,234 567 ± 0,000 089".
  4. Voordat hierdie vergelyking gebruik is, moet alle hoeveelhede omgeskep word in samehangende eenhede (byvoorbeeld SI).
  5. Sedert die hersiening van SI op 19 Mei 2019 kry die lading van 'n elektroon 'n konstante waarde en die ampere is in terme van hierdie waarde gedefinieër.
  6. Sedert die hersiening van SI op 19 Mei 2019 kry die konstante van Planck 'n konstante waarde en is die kilogram in terme van hierdie konstante gedefinieër.

Die kern van 'n atoom bevat 'n aantal barione – altyd minstens een proton en gewoonlik 'n aantal neutrone. Al sou twee protone mekaar gewoonlik afstoot, hou die neutrone en die swak wisselwerking al die deeltjies in plek. Die chemiese eienskappe van die atoom is alleenlik afhanklik van die aantal protone (protongetal). Die protongetal gee die atoom ook sy atoomgetal, maar die stabilitiet van die atoom is afhanklik van beide die protongetal en neutrongetal. Die atoom se massagetal (A) is die som van sy proton- en neutrongetal.

Bindingsenergie per nukleon vir verskeie atoomgetalle.

Dit kan op 'n wiskundige manier geskryf word:

A = N + Z {\displaystyle A=N+Z}

waar

A {\displaystyle A} = massagetal
N {\displaystyle N} = neutrongetal
Z {\displaystyle Z} = protongetal

Die protongetal is uniek vir elke chemiese element, maar verskillende atome van 'n spesifieke element kan verskillende getalle neutrone en dus verskillende atoommassas hê. Atome van 'n element wat verskillende neutrongetalle het, word isotope genoem. Die simbool vir die element X met 'n massagetal A en 'n protongetal Z word as Z A X {\displaystyle {}_{Z}^{A}\!X} geskryf.

Wanneer die verskeie nukleone deur die swak wisselwerking met mekaar verbind is, word heelwat energie vrygestel. Hiedie energie is bekend as the bindingsenergie. Die hoeveelheid energie kan bereken word deur die massa van die kerm te meet en ook die totale massa van die verskeie nukleone in hul vrye toestand te meet en bereken. Die verskil tussen hierdie twee waardes is die massaverskil. Die bindingsenergie is bereken deur Einstein se vergelyking

E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}}

waar

E {\displaystyle E} = Bindingsenergie
m {\displaystyle m} = Massaverskil
c {\displaystyle c} = Ligsnelheid

Die grafiek aan die regterkant toon dat die bindingsenergie die hoogste is vir elemente wat naby yster in die periodieke tabel is.

Kernverval

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Radio-aktiewe verval.
Stabiliteit van verskillende atome as 'n funksie van die aantal protone (Z) en aantal neutrone (N).
Verval ketting van 235Ur na 207Pb.

Van al die elemente het 80 minstens een stabiele isotoop wat nooit in waarnemings verval nie (of so stadig verval dat die tempo onwaarneembaar in eksperimente is); altesaam sowat 254 isotope is stabiel. Daar is egter duisende onstabiele isotope. Hierdie "radio-isotope" verval oor tydperke wat wissel van ’n breukdeel van ’n sekonde tot biljoene jare. Die kernverval vergelyking is

N ( t ) = N 0 e λ t {\displaystyle N(t)=N_{0}e^{-\lambda t}\,}

waar

N {\displaystyle N} is die getal atome in die steekproef na 'n tyd t {\displaystyle t}
N 0 {\displaystyle N_{0}} is die oorspronklike aantal atome in die steekproef.
λ {\displaystyle \lambda } is die vervalkonstant van die isotoop.

Na 'n tydperk gelyk aan die halfleeftyd van die isotoop verval die helfte van die atome in die isotoop monster. Die vervalkonstant en die halfleeftyd ( t 1 / 2 {\displaystyle t_{1/2}} ) is verwant deur

t 1 / 2 = ln 2 λ {\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}\,}

Die stabielste kerne val binne sekere samestellingsreikwydtes van neutrone en protone: Te min of te veel neutrone (in verhouding met die getal protone) sal veroorsaak dat dit verval. Daar is drie soorte verval - alfaverval waar 'n alfadeeltjie of heliumkern vrygestel is, betaverval waar 'n betadeeltjie of elektron vrygestel is en gammaverval waar 'n gammadeeltjie of foton vrygetel is. In alle gevalle is die verbindingsenergie verhoog en die surplus energie word ontbind as kinetiese energie.

Negative betaverval

In negative betaverval (β−-verval) word ’n neutron in die moederkern deur die swak wisselwerking in ’n proton, elektron (negative betadeeltjie) en antineutrino verander. Die antineutrino word amper dadelik deur 'n vrye neutrino vernietig om 'n gammafoton te vorm. 'n Element met 'n protonaantal Z {\displaystyle Z} verander na ’n element met 'n protonaantal Z + 1 {\displaystyle Z+1} maar die massaantal bly dieselfde. 'n Voorbeeld van betaverval wat in radiokoolstofdatering begruik is is die verandering van ’n koolstof-14-atoom (6 protone, 8 neutrone) met 'n halfleeftyd van 5730 jaar in ’n stikstof-14-atoom (7 protone, 7 neutrone). Die verhouding van hierdie verval is

6 14 C 5730 y 7 14 N + 1 0 e + ν ¯ e {\displaystyle \mathrm {^{14\!\,}_{\ 6}C\ {\overset {5730y}{\longrightarrow }}\ _{\ 7}^{14}N~+~_{-1}^{0}e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}} }

Alfaverval

In alfaverval verval die radioaktiewe element deur ’n alfadeeltjie (heliumkern) van (2 protone en 2 neutrone) vry te stel. Die meeste van die energie wat terselfdetyd vrygestel is word kinetiese energie van die alfadeeltjie. 'n Element met 'n protonaantal Z {\displaystyle Z} , 'n neutronaantal N {\displaystyle N} en 'n massa-aantal A {\displaystyle A} verander na ’n element met 'n protonaantal Z 2 {\displaystyle Z-2} , 'n neutronaantal N 2 {\displaystyle N-2} en 'n massa-aantal A 4 {\displaystyle A-4} . 'n Voorbeeld van alfaverval is die gebruik van alfadeeltjies vanuit die kunsmatige element Amerikium-241 (95 protone, 146 neutrone) deur rookmelders. Die verhouding van hierdie verval is:

95 241 A m 432.2 y 93 237 N p + 2 4 α 2 + {\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np~+~_{2}^{4}\alpha ^{2+}} }

Vervalkettings

In baie gevalle, veral met die swaarder elemente, verval een radioaktieve ekement na 'n ander radioaktieve element. Hierdie tweede element verval na 'n derde element en so voorts totdat ’n stabiele element gevorm word. Elke stap kan òf 'n alfaverval òf 'n betaverval wees. Aangesien dat die massaaantal met elke stap met òf 4 òf zero verminder is, vind ons vier hoof kettings in die natuur. Die moederelement in die verskeie kettings is 90 232 A m {\displaystyle _{\ 90}^{232\!\,}Am} , 92 235 U r {\displaystyle _{\ 92}^{235\!\,}Ur} , 93 237 U r {\displaystyle _{\ 93}^{237\!\,}Ur} en 92 238 U r {\displaystyle _{\ 92}^{238\!\,}Ur} . Die vervalketting van 92 235 U r {\displaystyle _{\ 92}^{235\!\,}Ur} (wat na elf stappe aan die stabiele atoom 22 207 U r {\displaystyle _{\ 22}^{207\!\,}Ur} verval) is aan die regterkant getoon.

Gammaverval

In gammaverval verval ’n kern van ’n opgewekte toestand na ’n toestand met ’n laer energie deur ’n gammastraal of hoogenergiefoton vry te stel. Die element verander in die proses nie in ’n ander element nie (geen kernverandering is betrokke nie), maar verloor 'n bietjie energie wat beskryf is deur die verhouding:

E = h f {\displaystyle E=hf}

waar

E {\displaystyle E} is die energie wat deur die atoom verloor is.
h {\displaystyle h} is die konstante van Planck.
f {\displaystyle f} is die frekwensie van die gammafoton.

Ander vervalle

Die positive betaverval (β+-verval) waar 'n neutron tot 'n proton, positron (anti-elektron of positive betadeeltjie) en 'n neutrino verval is bekend met die ligte radio-isotope. Ander, meer eksotiese soorte verval is ook moontlik. So kan die energie van ’n opgewekte kern een van die binneste elektrone uit die atoom werp in ’n proses wat hoëspoed-elektrone teweegbring, maar nie betaverval is nie en (anders as betaverval) nie een element in ’n ander verander nie.

Kernfusie

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Kernfusie.
Fusie van deuterium met tritium om helium-4 te vorm.

In kernfusie kom twee kerne met ’n lae massa in noue kontak met mekaar en die sterk kernkrag laat hulle saamsmelt. Dit verg ’n groot hoeveelheid energie vir die sterk krag om die elektriese afstoting tussen die kerne te oorkom om hulle te laat saamsmelt. Daarom kan kernfusie net by ’n baie hoë temperatuur of druk plaasvind. Wanneer kerne saamsmelt, word ’n groot hoeveelheid energie vrygestel en die gekombineerde kern het dan ’n laer energievlak. Die energie wat vrygetel is is hoër as die energie nodig om die sterk elektriese afstoring oor te komm. Die bindingsenergie per nukleon neem met die massagetal toe tot by nikkel-62. Sterre soos die Son word aangedryf deur die fusie van vier protone in ’n heliumkern, twee positrone en twee neutrino's. Die onbeheerde fusie van waterstof in helium is bekend as ’n termonukleêre wegholeffek.

Een van die mees voorkomende voorbeelde van fusie is die vorming van helium uit deuterium ('n isotoop van waterstof met een neutron) en tritium ('n isotope van waterstof met twee neutrone. Die vergelyking vir hierdie reaksie is:

1 2 H + 1 3 H 2 4 H e + 0 1 n {\displaystyle \mathrm {^{2}_{1}H\ +\ _{1}^{3}H\ \longrightarrow \ _{2}^{4}He\ +\ _{0}^{1}n} }

Kernfusie is die oorsprong van die energie wat in die kerne van baie sterre, insluitende ons Son, vervaardig word. Al het heelwat navorsing van kernfusie plaasgevind is dit nog nie ekonomies of krag vanuit kernfusie te genereer nie, maar dit is verwag dat in die toekoms dit moontlik sal wees.

Kernsplyting

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Kernsplyting.
Kernsplyting van uraan.

Kernsplyting is die teenoorgestelde proses as kernfusie. Vir kerne swaarder as nikkel-62 neem die bindingsenergie per nukleon af met die massagetal. Dit is daarom moontlik dat energie vrygestel word as ’n swaar kern in twee ligter kerns opbreek.

Die proses van alfaverval is in wese ’n spesiale soort spontane kernsplyting. Dit is ’n hoogs asimmetriese splyting, want die vier deeltjies wat die alfadeeltjie uitmaak, is besonder dig aan mekaar verbind en dit maak die vervaardiging van hierdie kern in splyting besonder waarskynlik.

Van sekere van die swaarste kerne waarvan die splyting vrye neutrone vervaardig, en wat ook maklik neutrone absorbeer om splyting te begin, kan ’n selfontstekende soort neutrongeïnisieerde splyting verkry word, in ’n kettingreaksie. Kettingreaksies was in chemie bekend voor fisika, en eintlik is baie bekende prosesse soos vure en chemiese ontploffings chemiese kettingreaksies. Die splyting of "kern"-kettingreaksie, wat splytingvervaardigde neutrone gebruik, is die energiebron vir kernkragsentrales en splytingsoorte kernbomme soos dié wat aan die einde van die Tweede Wêreldoorlog op Hirosjima en Nagasaki in Japan gegooi is. Swaar kerne soos dié van uraan en torium kan ook spontane splyting ondergaan, maar hulle sal meer waarskynlik verval ondergaan deur alfaverval.

'n Tipiese kettingreacsie is die van Uraan-235. Waneer 'n atoom uraan-235 'n neutron absorbeer is die atoom gesplits, is drie neutrone vervaardig en 200 MeV energie gegenereer. Indien daar genoeg uraam-235 atome in die omgewing is (die kritiese massa), is gemiddeld meer as een van hierdie neutrone gebruik om nog splitsings te veroorsaak. In hierdie onstandinghede verhoog die tempo waarteen atome verdeel word eksponensieël. As dit nie beheer is nie, is daar 'n atomiese ontploffing maar as dit beheer is kan die energie deur 'n kragstasie versamel word. Die vergelyking van hierdie reaksie is:

235 U + 1 n 92 K r + 141 B a + 3 1 n {\displaystyle \mathrm {^{235}_{}U\ +\ _{}^{1}n\ \longrightarrow \ _{}^{92}Kr\ +\ _{}^{141}Ba\ +\ 3_{}^{1}n} }

Vervaardiging van "swaar" elemente (atoomgetal hoër as vyf)

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Nukleosintese.

Volgens die teorie het dit eindelik, toe die heelal afkoel ná die Groot Knal, moontlik geword dat algemene subatomiese deeltjies soos ons hulle ken (neutrone, protone en elektrone) kon ontstaan. Die mees algemene deeltjies wat met die Groot Knal ontstaan het wat vandag nog waarneembaar is, is (ewe veel) protone en elektrone. Die protone sou eindelik waterstofatome vorm. Feitlik al die neutrone wat met die Groot Knal ontstaan het, is binne die eerste drie minute opgeneem in helium-4, en hierdie helium verklaar die meeste helium wat vandag in die heelal bestaan.

’n Relatief klein getal elemente swaarder as helium (litium, berillium en dalk ’n bietjie boor) is met die Groot Knal geskep toe die protone en neutrone teen mekaar bots, maar al die swaarder elemente wat ons vandag ken (swaarder as koolstof), is in sterre gevorm tydens ’n reeks fusiestadiums. Al hoe swaarder elemente word geskep tydens die evolusie van sterre.

Aangesien die bindingsenergie per nukleon die grootste is in yster (56 nukleone), word energie net vrygestel tydens fusieprosesse in kleiner atome as dit. Omdat die skepping van swaarder kerne deur fusie energie verg, verlaat die natuur hom op die proses van neutronvangs. Neutrone (vanweë hul gebrek aan lading) word maklik deur ’n kern geabsorbeer. Die swaar elemente word geskep óf deur ’n "stadige" neutronvangsproses (die sogenaamde "s"-proses) óf deur ’n vinnige, of "r"-proses. Die "s"-proses vind plaas in termiese pulssterre (die sterre van die sogenaamde asimptotiese reusetak) en verg honderde tot duisende jare om die swaarste elemente, lood en bismut, te skep. Die "r"-proses vind vermoedelik in supernovas plaas omdat dit die nodige toestande daarstel van hoë temperature, hoë neutronvloei en uitgewerpte materie.

  1. European Science Foundation (2010). (Report). p. 6. Archived from on 17 Augustus 2018. . Besoek op 4 Oktober 2017.
  2. B. R. Martin (2006). Nuclear and Particle Physics. John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 0-470-01999-9.
  3. Henri Becquerel (1896). . Comptes Rendus. 122: 420–421.
  4. Thomson, Joseph John (1897). . Proceedings of the Royal Institution of Great Britain. Royal Society. XV: 419–432.
  5. Rutherford, Ernest (1906). . Philosophical Magazine. Taylor & Francis. 12 (68): 134–146. doi:.
  6. Geiger, Hans (1908). . Proceedings of the Royal Society A. Royal Society. 81 (546): 174–177. Bibcode:. doi:.
  7. Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1909). . Proceedings of the Royal Society A. Royal Society. 82 (557). Bibcode:. doi:.
  8. Geiger, Hans (1910). . Proceedings of the Royal Society A. Royal Society. 83 (565): 492–504. Bibcode:. doi:.
  9. The Internal Constitution of the Stars, A.S. Eddington. The Scientific Monthly Vol. 11, No. 4 (Oktober 1920), pp. 297-303
  10. Eddington, A. S. (1916). "On the radiative equilibrium of the stars". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 77: 16–35. Bibcode:. doi:.
  11. Chadwick, James (1932). . Proceedings of the Royal Society A. Royal Society. 136 (830): 692–708. Bibcode:. doi:.
  12. On the Interaction of Elementary Particles I. Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan. 3rd Series Vol. 17 (1935) p. 48-57
  13. (en)Bureau International des Poids et Mesures (Internasionale Buro vir Mate en Gewigte) (2019), (9de ed.), p. 145, ISBN 978-92-822-2272-0,
  14. (en). 2 Oktober 2015. Besoek op29 Oktober 2017.
  • Nuclear Physics, deur Irving Kaplan. 2de uitg., 1962 Addison-Wesley
  • General Chemistry, deur Linus Pauling. 1970, Dover Pub.ISBN 0-486-65622-5
  • Introductory Nuclear Physics, deur Kenneth S. Krane. Wiley
  • N.D. Cook (2010). (2de uitg.). Springer. pp. xvi, 324. ISBN 978-3-642-14736-4. Geargiveer vanaf op 22 April 2012. Besoek op5 Oktober 2017.
  • Ahmad, D.Sc., Ishfaq; American Institute of Physics (1996). Physics of particles and nuclei. 1–3. 27 (3de uitg.). Universiteit van Kalifornië: American Institute of Physics Press.

Publikasie datum: September 26, 2021

kernfisika, deel, fisika, waarin, atoomkerne, asook, samestellende, dele, wisselwerkings, bestudeer, word, ander, vorme, kernmaterie, word, bestudeer, daarteenoor, gaan, atoomfisika, bestudering, hele, atoom, insluitende, elektrone, kernreaksie, ontdekkings, k. Kernfisika is die deel van fisika waarin atoomkerne asook hul samestellende dele en wisselwerkings bestudeer word Ander vorme van kernmaterie word ook bestudeer 1 Daarteenoor gaan atoomfisika oor die bestudering van die hele atoom insluitende die elektrone n Kernreaksie Ontdekkings in kernfisika het gelei tot baie toepassings in die veld soos kernkrag kernwapens kernmedisyne magnetieseresonansiebeelding radiokoolstofdatering ensovoorts Deeltjiefisika het uit kernfisika ontstaan en die twee velde hou nou verband met mekaar Kernastrofisika die toepassing van kernfisika op die gebied van astrofisika is belangrik om die binnewerking van sterre en die oorsprong van elemente te verduidelik Inhoud 1 Geskiedenis 1 1 Rutherford se span ontdek die kern 1 2 James Chadwick ontdek die neutron 1 3 Yukawa se teorie oor kernbindingskrag 2 Maateenhede 3 Moderne kernfisika 3 1 Kernverval 3 1 1 Negative betaverval 3 1 2 Alfaverval 3 1 3 Vervalkettings 3 1 4 Gammaverval 3 1 5 Ander vervalle 3 2 Kernfusie 3 3 Kernsplyting 3 4 Vervaardiging van swaar elemente atoomgetal hoer as vyf 4 Verwysings 5 Bibliografie 6 Eksterne skakelsGeskiedenis Wysig Henri Becquerel Die geskiedenis van kernfisika as n ander dissipline as atoomfisika het begin met die ontdekking in 1896 deur Henri Becquerel van radioaktiwiteit 2 terwyl hy fosforessensie in uraansoute ondersoek het 3 Die ontdekking van die elektron die volgende jaar deur J J Thomson 4 was n aanduiding dat die atoom n interne struktuur het In die daaropvolgende jare is radioaktiwiteit deeglik bestudeer deur onder andere Marie en Pierre Curie sowel as deur Ernest Rutherford en sy samewerkers Aan die begin van die 20ste eeu het fisici ook drie soorte bestraling ontdek wat uit atome vloei hulle het dit alfa beta en gammastrale genoem In eksperimente in 1911 deur Otto Hahn en in 1914 deur James Chadwick is ontdek dat die betavervalspektrum aaneenlopend in plaas van diskreet is Dit beteken elektrone word uit die atoom gewerp met n aaneenlopende reeks energiee eerder as met die diskrete hoeveelhede energie wat in gamma en alfaverval waargeneem is In die tyd was dit n probleem vir kernfisika omdat dit gelyk het asof dit n aanduiding is dat energie nie in die vervalle bewaar word nie Die Nobelprys vir fisika is in 1903 gesamentlik toegeken aan Becquerel vir sy ontdekking van radioaktiwiteit en aan Marie en Pierre Curie vir hul daaropvolgende navorsing daaroor Rutherford het in 1908 die Nobelprys vir chemie gekry vir sy ondersoeke na die disintegrasie van die elemente en die chemie van radioaktiewe stowwe In 1905 het Albert Einstein die massa energieverband geformuleer Terwyl Becquerel en Marie Curie se werk oor radioaktiwiteit dit voorafgegaan het is n verduideliking van die energiebron van radioaktiwiteit eers gekry met die ontdekking dat die kern self uit kleiner dele die nukleone bestaan Rutherford se span ontdek die kern Wysig Bo Verwagte resultate van Thomson se Plum Pudding hipotese Onder Werklike resultate wat gelei het tot die hipotese van n atoom met n klein kern In 1906 is Ernest Rutherford se Retardation of the a Particle from Radium in passing through matter gepubliseer 5 Hans Geiger het op die werk uitgebrei in n dokument gerig aan die Royal Society 6 met eksperimente wat hy en Rutherford gedoen het deur alfadeeltjies deur lug aliminiumfoelie en bladgoud te stuur Nog werke is in 1909 gepubliseer deur Geiger en Ernest Marsden 7 asook n grootliks uitgebreide werk in 1910 deur Geiger 8 In 1911 tot 1912 het Rutherford aan die Royal Society die eksperimente verduidelik en die nuwe teorie oor die atoomkern soos ons dit nou verstaan voorgestel Die sleuteleksperiment agter hierdie aankondiging is in 1910 by die Universiteit van Manchester uitgevoer Ernest Rutherford se span het n merkwaardige eksperiment uitgevoer waarin Geiger en Marsden onder Rutherford se toesig aflfadeeltjies heliumkerne deur n dun laag bladgoud gestuur het Die atoommodel van Thomson het voorspel die alfadeeltjies se baan sou hoogstens net effens gebuig wees Rutherford het sy span egter opdrag gegee om uit te kyk vir iets wat hy geskok was om te sien n Paar deeltjies is teen groot hoeke verstrooi soms selfs heeltemal agteruit Hy het dit vergelyk met n koeel wat deur n sneesdoekie gevuur word en dan heeltemal daarvan terugbons Die ontdekking tesame met Rutherford se ontleding van die data in 1911 het gelei tot die Rutherford model van die atoom waarvolgens die atoom n baie klein baie digte kern het wat die grootste deel van sy massa bevat en uit hoogs positief gelaaide deeltjies bestaan met omringende elektrone wat die lading uitbalanseer aangesien die neutron nog nie ontdek was nie Volgens hierdie model wat nie die moderne een is nie bestaan stikstof 14 byvoorbeeld uit n kern met 14 protone en 7 elektrone altesaam 21 deeltjies en word die kern omring deur nog 7 elektrone Omstreeks 1920 het Arthur Eddington die ontdekking en meganisme van kernfusieprosesse in sterre voorspel in sy dokument The Internal Constitution of the Stars 9 10 In die tyd was die bron van sterenergie n algehele raaisel Eddington het reg voorspel dat die bron die fusie van waterstof na helium is wat enorme hoeveelhede energie vrystel volgens Einstein se vergelyking E m c 2 displaystyle E mc 2 Dit was n uitsonderlike ontwikkeling want in die tyd was fusie en termonukleere energie en selfs dat sterre grootliks uit waterstof bestaan nog nie ontdek nie Die Rutherford model het heel goed gewerk totdat studies oor kernspin in 1929 deur Franco Rasetti by die Kaliforniese Instituut van Tegnologie gedoen is Teen 1925 was dit bekend dat protone en elektrone elk n spin van 1 2 het In die Rutherford model van stikstof 14 sou 20 van die altesaam 21 kerndeeltjies afgepaar het om mekaar se spin te kanselleer en die laaste deeltjie sou die kern n netto spin van 1 2 gegee het Rasetti het egter ontdek stikstof 14 het n spin van 1 James Chadwick ontdek die neutron Wysig In 1932 het Chadwick besef bestraling wat deur verskeie wetenskaplikes waargeneem is is eintlik vanwee n neutrale deeltjie wat min of meer dieselfde massa as die proton het Hy het dit die neutron genoem na n voorstel deur Rutherford oor die behoefte aan so n deeltjie 11 In dieselfde jaar het Dmitri Ivanenko voorgestel daar is nie elektrone in die kern nie net protone en neutrone en dat neutrone n spin van 1 2 het dit het die massa verduidelik wat nie aan protone toegeskryf kan word nie Die spin van die neutron het dadelik die probleem opgelos van die spin van stikstof 14 omdat die een ongepaarde proton en een ongepaarde neutron in hierdie model elk n spin van 1 2 in dieselfde rigting bydra en dit gee n totale spin van 1 Met die ontdekking van die neutron kon wetenskaplikes ten minste bereken watter fraksie bindingsenergie elke kern het deur die kernmassa te vergelyk met die van die protone en neutrone waaruit dit bestaan Die verskille tussen kernmassas is so bereken Wanneer kernreaksies gemeet is het dit tot binne 1 ooreengestem met Einstein se berekening van die massa energieverband Yukawa se teorie oor kernbindingskrag Wysig In 1935 het Hideki Yukawa 12 die eerste betekenisvolle teorie oor die sterk kernkrag voorgestel om te verduidelik hoe kerne bymekaarbly Volgens hom het n deeltjie wat later n meson genoem is n krag uitgeoefen op alle nukleone insluitende protone en neutrone Die krag het verduidelik waarom kerne nie onder die invloed van protonafstoting disintegreer nie en ook die manier verduidelik waarop die aantrekkende sterk krag n meer beperkte omvang het as die elektromagnetiese afstoting tussen protone Later is met die ontdekking van die p meson bewys dit het die eienskappe van Yukawa se deeltjie Met Yukawa se werk is die moderne model van die atoom voltooi Die atoomkern bestaan uit n digte bol neutrone en protone wat deur die sterk kernkrag bymekaargehou word tensy dit te groot is Onstabiele kerne kan alfaverval ondergaan in welke geval hulle n energieke heliumkern uitwerp of betaverval in welke geval hulle n elektron of positron uitwerp Na een van hierdie vervalle kan die kern in n opgewekte toestand wees en dan verval dit tot sy basistoestand deur hoe energiefotone uit te werp gammaverval Die studie van die sterk en die swak kernkrag waarvan laasgenoemde in 1934 deur Enrico Fermi verduidelik is het daartoe gelei dat wetenskaplikes kerne en elektrone teen al hoe hoer energiee laat bots het Hierdie navorsing het die grondslag gevorm van deeltjiefisika waarvan die kersie op die koek die standaardmodel van deeltjiefisika is Dit beskryf die sterk en swak kernkrag en elektromegnetiese krag Maateenhede WysigDie maateenhede van die SI stelsel is nie geskik vir die klein mate wat in kernfisika betref is Ander mate is oor die jare ontwikkel wn woed dikwels gebruik Hierdie mate verskyn in n tabel in die SI Brochure met die titel Non SI units accepted for use with the SI Units 13 Die eenhede sluit in Energie Die SI eenheid vir energie is die joule J In kernfisika is energie dikwels in elektronvoltes eV aangehaal Die elektron volt is die energie van n elektron wat deur n spanning van een volt versnel is Dit is gelyk aan 1 602 176 634 x 10 19 J Nota 1 Massa Die SI eenheid vir massa is die kilogram kg In kernfisika is massa dikwels in atomiese massaeenhede amu ame of u of daltons Da aangehaal Nota 2 In vroeer jare was daar verskillende definisies vir die ame maar deesdae is die dalton gedefinieer as een twaalfde van die massa van een atoom koolstof 12 Sy waarde is 1 660 539 066 60 50 x 10 27 kg Nota 3 en is ongeveer die massa van n vry proton of neutron In sekere gevalle word massa in MeV in plaas van daltons aangedui Sy waarde is deur Einstein se vergelyking E m c 2 displaystyle E mc 2 bereken Nota 4 Elektriese lading Die SI eenheid vir elektriese lading is die coulomb In kermfisika is elektriese lading dikwels in eenvoudige ladings elementary charges aangehaal Die eenvoudige lading is die lading van een proton of die negatiewe waarde van die lading van een elektron In die kernfisikaletterkunde is die lading gewoonlik sonder eenhede aangedui byvoorbeeld lading 1 Die waarde van een eenvoudige lading eenheid is 1 602 176 634 x 10 19 C Nota 5 Hoekmomentum Die SI eenheid vir hoekmomentum of spin is joules sekonde J s In kernfisika is die hoekmomentum dikwels in atoomiese eenhede van hoekmomentum aangedui Die waarde van een sulke eenheid wat bekend is as die verminderde konstante van Planck simbool ħ is deur die vergelyking h 2pħ 6 626 070 15 10 34 J s gegee Nota 6 Volgens die kwantumteorie is die spin van n deeltjie veelvoudige van die helfde van verminderde plankkonstant Dit word gewoonlik sonder eenhede aangedui byvoorbeeld spin 1 2 Notas Sedert die hersiening van SI op 19 Mei 2019 kry die konstante van Planck n konstante waarde waaruit volg dat die elektron volt presies afgelei kan word Die afkorting amu kom van Atomic mass units en die afkorting ame kom van Atomiese massaeenheid af Volgens die 8ste uitgawe van die SI Brochure 2006 is die simbool u is die verkose wereldwye simbool vir hierdie hoeveelheid maar volgens die 9de uitgawe 2019 is die dalton die verkose naam en Da die verkose simbool vir die atomiese massaeenhede Die uitdrukking 1 234 567 89 beteken 1 234 567 0 000 089 Voordat hierdie vergelyking gebruik is moet alle hoeveelhede omgeskep word in samehangende eenhede byvoorbeeld SI Sedert die hersiening van SI op 19 Mei 2019 kry die lading van n elektroon n konstante waarde en die ampere is in terme van hierdie waarde gedefinieer Sedert die hersiening van SI op 19 Mei 2019 kry die konstante van Planck n konstante waarde en is die kilogram in terme van hierdie konstante gedefinieer Moderne kernfisika WysigDie kern van n atoom bevat n aantal barione altyd minstens een proton en gewoonlik n aantal neutrone Al sou twee protone mekaar gewoonlik afstoot hou die neutrone en die swak wisselwerking al die deeltjies in plek Die chemiese eienskappe van die atoom is alleenlik afhanklik van die aantal protone protongetal Die protongetal gee die atoom ook sy atoomgetal maar die stabilitiet van die atoom is afhanklik van beide die protongetal en neutrongetal Die atoom se massagetal A is die som van sy proton en neutrongetal Bindingsenergie per nukleon vir verskeie atoomgetalle Dit kan op n wiskundige manier geskryf word A N Z displaystyle A N Z waar A displaystyle A massagetal N displaystyle N neutrongetal Z displaystyle Z protongetal Die protongetal is uniek vir elke chemiese element maar verskillende atome van n spesifieke element kan verskillende getalle neutrone en dus verskillende atoommassas he Atome van n element wat verskillende neutrongetalle het word isotope genoem Die simbool vir die element X met n massagetal A en n protongetal Z word as Z A X displaystyle Z A X geskryf Wanneer die verskeie nukleone deur die swak wisselwerking met mekaar verbind is word heelwat energie vrygestel Hiedie energie is bekend as the bindingsenergie Die hoeveelheid energie kan bereken word deur die massa van die kerm te meet en ook die totale massa van die verskeie nukleone in hul vrye toestand te meet en bereken Die verskil tussen hierdie twee waardes is die massaverskil Die bindingsenergie is bereken deur Einstein se vergelyking E m c 2 displaystyle E mc 2 waar E displaystyle E Bindingsenergie m displaystyle m Massaverskil c displaystyle c Ligsnelheid Die grafiek aan die regterkant toon dat die bindingsenergie die hoogste is vir elemente wat naby yster in die periodieke tabel is Kernverval Wysig Die hoofartikel vir hierdie afdeling is Radio aktiewe verval Stabiliteit van verskillende atome as n funksie van die aantal protone Z en aantal neutrone N Verval ketting van 235Ur na 207Pb Van al die elemente het 80 minstens een stabiele isotoop wat nooit in waarnemings verval nie of so stadig verval dat die tempo onwaarneembaar in eksperimente is altesaam sowat 254 isotope is stabiel Daar is egter duisende onstabiele isotope Hierdie radio isotope verval oor tydperke wat wissel van n breukdeel van n sekonde tot biljoene jare Die kernverval vergelyking is N t N 0 e l t displaystyle N t N 0 e lambda t waar N displaystyle N is die getal atome in die steekproef na n tyd t displaystyle t N 0 displaystyle N 0 is die oorspronklike aantal atome in die steekproef l displaystyle lambda is die vervalkonstant van die isotoop Na n tydperk gelyk aan die halfleeftyd van die isotoop verval die helfte van die atome in die isotoop monster Die vervalkonstant en die halfleeftyd t 1 2 displaystyle t 1 2 is verwant deur t 1 2 ln 2 l displaystyle t 1 2 frac ln 2 lambda Die stabielste kerne val binne sekere samestellingsreikwydtes van neutrone en protone Te min of te veel neutrone in verhouding met die getal protone sal veroorsaak dat dit verval Daar is drie soorte verval alfaverval waar n alfadeeltjie of heliumkern vrygestel is betaverval waar n betadeeltjie of elektron vrygestel is en gammaverval waar n gammadeeltjie of foton vrygetel is In alle gevalle is die verbindingsenergie verhoog en die surplus energie word ontbind as kinetiese energie Negative betaverval Wysig In negative betaverval b verval word n neutron in die moederkern deur die swak wisselwerking in n proton elektron negative betadeeltjie en antineutrino verander Die antineutrino word amper dadelik deur n vrye neutrino vernietig om n gammafoton te vorm n Element met n protonaantal Z displaystyle Z verander na n element met n protonaantal Z 1 displaystyle Z 1 maar die massaantal bly dieselfde n Voorbeeld van betaverval wat in radiokoolstofdatering begruik is is die verandering van n koolstof 14 atoom 6 protone 8 neutrone met n halfleeftyd van 5730 jaar in n stikstof 14 atoom 7 protone 7 neutrone Die verhouding van hierdie verval is 6 14 C 5730 y 7 14 N 1 0 e n e displaystyle mathrm 14 6 C overset 5730y longrightarrow 7 14 N 1 0 e bar nu e Alfaverval Wysig In alfaverval verval die radioaktiewe element deur n alfadeeltjie heliumkern van 2 protone en 2 neutrone vry te stel Die meeste van die energie wat terselfdetyd vrygestel is word kinetiese energie van die alfadeeltjie n Element met n protonaantal Z displaystyle Z n neutronaantal N displaystyle N en n massa aantal A displaystyle A verander na n element met n protonaantal Z 2 displaystyle Z 2 n neutronaantal N 2 displaystyle N 2 en n massa aantal A 4 displaystyle A 4 n Voorbeeld van alfaverval is die gebruik van alfadeeltjies vanuit die kunsmatige element Amerikium 241 95 protone 146 neutrone deur rookmelders Die verhouding van hierdie verval is 95 241 A m 432 2 y 93 237 N p 2 4 a 2 displaystyle mathrm 241 95 Am overset 432 2y longrightarrow 93 237 Np 2 4 alpha 2 Vervalkettings Wysig In baie gevalle veral met die swaarder elemente verval een radioaktieve ekement na n ander radioaktieve element Hierdie tweede element verval na n derde element en so voorts totdat n stabiele element gevorm word Elke stap kan of n alfaverval of n betaverval wees Aangesien dat die massaaantal met elke stap met of 4 of zero verminder is vind ons vier hoof kettings in die natuur Die moederelement in die verskeie kettings is 90 232 A m displaystyle 90 232 Am 92 235 U r displaystyle 92 235 Ur 93 237 U r displaystyle 93 237 Ur en 92 238 U r displaystyle 92 238 Ur Die vervalketting van 92 235 U r displaystyle 92 235 Ur wat na elf stappe aan die stabiele atoom 22 207 U r displaystyle 22 207 Ur verval is aan die regterkant getoon Gammaverval Wysig In gammaverval verval n kern van n opgewekte toestand na n toestand met n laer energie deur n gammastraal of hoogenergiefoton vry te stel Die element verander in die proses nie in n ander element nie geen kernverandering is betrokke nie maar verloor n bietjie energie wat beskryf is deur die verhouding E h f displaystyle E hf waar E displaystyle E is die energie wat deur die atoom verloor is h displaystyle h is die konstante van Planck f displaystyle f is die frekwensie van die gammafoton Ander vervalle Wysig Die positive betaverval b verval waar n neutron tot n proton positron anti elektron of positive betadeeltjie en n neutrino verval is bekend met die ligte radio isotope Ander meer eksotiese soorte verval is ook moontlik So kan die energie van n opgewekte kern een van die binneste elektrone uit die atoom werp in n proses wat hoespoed elektrone teweegbring maar nie betaverval is nie en anders as betaverval nie een element in n ander verander nie Kernfusie Wysig Die hoofartikel vir hierdie afdeling is Kernfusie Fusie van deuterium met tritium om helium 4 te vorm In kernfusie kom twee kerne met n lae massa in noue kontak met mekaar en die sterk kernkrag laat hulle saamsmelt Dit verg n groot hoeveelheid energie vir die sterk krag om die elektriese afstoting tussen die kerne te oorkom om hulle te laat saamsmelt Daarom kan kernfusie net by n baie hoe temperatuur of druk plaasvind Wanneer kerne saamsmelt word n groot hoeveelheid energie vrygestel en die gekombineerde kern het dan n laer energievlak Die energie wat vrygetel is is hoer as die energie nodig om die sterk elektriese afstoring oor te komm Die bindingsenergie per nukleon neem met die massagetal toe tot by nikkel 62 Sterre soos die Son word aangedryf deur die fusie van vier protone in n heliumkern twee positrone en twee neutrino s Die onbeheerde fusie van waterstof in helium is bekend as n termonukleere wegholeffek Een van die mees voorkomende voorbeelde van fusie is die vorming van helium uit deuterium n isotoop van waterstof met een neutron en tritium n isotope van waterstof met twee neutrone Die vergelyking vir hierdie reaksie is 1 2 H 1 3 H 2 4 H e 0 1 n displaystyle mathrm 2 1 H 1 3 H longrightarrow 2 4 He 0 1 n Kernfusie is die oorsprong van die energie wat in die kerne van baie sterre insluitende ons Son vervaardig word Al het heelwat navorsing van kernfusie plaasgevind is dit nog nie ekonomies of krag vanuit kernfusie te genereer nie maar dit is verwag dat in die toekoms dit moontlik sal wees 14 Kernsplyting Wysig Die hoofartikel vir hierdie afdeling is Kernsplyting Kernsplyting van uraan Kernsplyting is die teenoorgestelde proses as kernfusie Vir kerne swaarder as nikkel 62 neem die bindingsenergie per nukleon af met die massagetal Dit is daarom moontlik dat energie vrygestel word as n swaar kern in twee ligter kerns opbreek Die proses van alfaverval is in wese n spesiale soort spontane kernsplyting Dit is n hoogs asimmetriese splyting want die vier deeltjies wat die alfadeeltjie uitmaak is besonder dig aan mekaar verbind en dit maak die vervaardiging van hierdie kern in splyting besonder waarskynlik Van sekere van die swaarste kerne waarvan die splyting vrye neutrone vervaardig en wat ook maklik neutrone absorbeer om splyting te begin kan n selfontstekende soort neutrongeinisieerde splyting verkry word in n kettingreaksie Kettingreaksies was in chemie bekend voor fisika en eintlik is baie bekende prosesse soos vure en chemiese ontploffings chemiese kettingreaksies Die splyting of kern kettingreaksie wat splytingvervaardigde neutrone gebruik is die energiebron vir kernkragsentrales en splytingsoorte kernbomme soos die wat aan die einde van die Tweede Wereldoorlog op Hirosjima en Nagasaki in Japan gegooi is Swaar kerne soos die van uraan en torium kan ook spontane splyting ondergaan maar hulle sal meer waarskynlik verval ondergaan deur alfaverval n Tipiese kettingreacsie is die van Uraan 235 Waneer n atoom uraan 235 n neutron absorbeer is die atoom gesplits is drie neutrone vervaardig en 200 MeV energie gegenereer Indien daar genoeg uraam 235 atome in die omgewing is die kritiese massa is gemiddeld meer as een van hierdie neutrone gebruik om nog splitsings te veroorsaak In hierdie onstandinghede verhoog die tempo waarteen atome verdeel word eksponensieel As dit nie beheer is nie is daar n atomiese ontploffing maar as dit beheer is kan die energie deur n kragstasie versamel word Die vergelyking van hierdie reaksie is 235 U 1 n 92 K r 141 B a 3 1 n displaystyle mathrm 235 U 1 n longrightarrow 92 Kr 141 Ba 3 1 n Vervaardiging van swaar elemente atoomgetal hoer as vyf Wysig Die hoofartikel vir hierdie afdeling is Nukleosintese Volgens die teorie het dit eindelik toe die heelal afkoel na die Groot Knal moontlik geword dat algemene subatomiese deeltjies soos ons hulle ken neutrone protone en elektrone kon ontstaan Die mees algemene deeltjies wat met die Groot Knal ontstaan het wat vandag nog waarneembaar is is ewe veel protone en elektrone Die protone sou eindelik waterstofatome vorm Feitlik al die neutrone wat met die Groot Knal ontstaan het is binne die eerste drie minute opgeneem in helium 4 en hierdie helium verklaar die meeste helium wat vandag in die heelal bestaan n Relatief klein getal elemente swaarder as helium litium berillium en dalk n bietjie boor is met die Groot Knal geskep toe die protone en neutrone teen mekaar bots maar al die swaarder elemente wat ons vandag ken swaarder as koolstof is in sterre gevorm tydens n reeks fusiestadiums Al hoe swaarder elemente word geskep tydens die evolusie van sterre Aangesien die bindingsenergie per nukleon die grootste is in yster 56 nukleone word energie net vrygestel tydens fusieprosesse in kleiner atome as dit Omdat die skepping van swaarder kerne deur fusie energie verg verlaat die natuur hom op die proses van neutronvangs Neutrone vanwee hul gebrek aan lading word maklik deur n kern geabsorbeer Die swaar elemente word geskep of deur n stadige neutronvangsproses die sogenaamde s proses of deur n vinnige of r proses Die s proses vind plaas in termiese pulssterre die sterre van die sogenaamde asimptotiese reusetak en verg honderde tot duisende jare om die swaarste elemente lood en bismut te skep Die r proses vind vermoedelik in supernovas plaas omdat dit die nodige toestande daarstel van hoe temperature hoe neutronvloei en uitgewerpte materie Verwysings Wysig European Science Foundation 2010 NuPECC Long Range Plan 2010 Perspectives of Nuclear Physics in Europe Report p 6 Archived from the original on 17 Augustus 2018 https web archive org web 20180817185846 http www nupecc org lrp2010 Documents lrp2010 final hires pdf Besoek op 4 Oktober 2017 B R Martin 2006 Nuclear and Particle Physics John Wiley amp Sons Ltd ISBN 0 470 01999 9 Henri Becquerel 1896 Sur les radiations emises par phosphorescence Comptes Rendus 122 420 421 Thomson Joseph John 1897 Cathode Rays Proceedings of the Royal Institution of Great Britain Royal Society XV 419 432 Rutherford Ernest 1906 On the retardation of the a particle from radium in passing through matter Philosophical Magazine Taylor amp Francis 12 68 134 146 doi 10 1080 14786440609463525 Geiger Hans 1908 On the scattering of a particles by matter Proceedings of the Royal Society A Royal Society 81 546 174 177 Bibcode 1908RSPSA 81 174G doi 10 1098 rspa 1908 0067 Geiger Hans Marsden Ernest 1909 On the diffuse reflection of the a particles Proceedings of the Royal Society A Royal Society 82 557 Bibcode 1909RSPSA 82 495G doi 10 1098 rspa 1909 0054 Geiger Hans 1910 The scattering of the a particles by matter Proceedings of the Royal Society A Royal Society 83 565 492 504 Bibcode 1910RSPSA 83 492G doi 10 1098 rspa 1910 0038 The Internal Constitution of the Stars A S Eddington The Scientific Monthly Vol 11 No 4 Oktober 1920 pp 297 303 Eddington A S 1916 On the radiative equilibrium of the stars Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 77 16 35 Bibcode 1916MNRAS 77 16E doi 10 1093 mnras 77 1 16 Chadwick James 1932 The existence of a neutron Proceedings of the Royal Society A Royal Society 136 830 692 708 Bibcode 1932RSPSA 136 692C doi 10 1098 rspa 1932 0112 On the Interaction of Elementary Particles I Proceedings of the Physico Mathematical Society of Japan 3rd Series Vol 17 1935 p 48 57 en Bureau International des Poids et Mesures Internasionale Buro vir Mate en Gewigte 2019 The International System of Units SI 9de ed p 145 ISBN 978 92 822 2272 0 https www bipm org utils common pdf si brochure SI Brochure 9 pdf en Fusion reactors economically viable say experts 2 Oktober 2015 Besoek op 29 Oktober 2017 Bibliografie WysigNuclear Physics deur Irving Kaplan 2de uitg 1962 Addison Wesley General Chemistry deur Linus Pauling 1970 Dover Pub ISBN 0 486 65622 5 Introductory Nuclear Physics deur Kenneth S Krane Wiley N D Cook 2010 Models of the Atomic Nucleus 2de uitg Springer pp xvi 324 ISBN 978 3 642 14736 4 Geargiveer vanaf die oorspronklike op 22 April 2012 Besoek op 5 Oktober 2017 Ahmad D Sc Ishfaq American Institute of Physics 1996 Physics of particles and nuclei 1 3 27 3de uitg Universiteit van Kalifornie American Institute of Physics Press Eksterne skakels WysigAmerican Physical Society Division of Nuclear Physics American Nuclear Society Nuclear Data Services IAEA Wikimedia Commons het meer media in die kategorie Kernfisika Hierdie artikel is vertaal uit die Engelse WikipediaOntsluit van https af wikipedia org w index php title Kernfisika amp ol,