Vật Lý Lượng Tử & Hạt Nhân | Tri thức nhân loại

Cơ học lượng tử Ánh sáng là gì? Đây là câu hỏi đã làm phiền các nhà vật lý trong nhiều thế kỷ. Khi chúng ta nói về điều này trong các tập trước, chúng tôi kết luận rằng ánh sáng là một sóng. Hoặc ít nhất, ánh sáng hoạt động như một sóng khi bạn sử dụng nó trong một số thí nghiệm. Vì vậy, trong thế kỷ 19, Có vẻ như câu hỏi đã được trả lời. Các nhà vật lý học đồng ý rằng ánh sáng là một sóng. Sau đó, những khám phá mới khiến họ đặt câu hỏi về nó. Họ bắt đầu nhận ra rằng ngày càng có nhiều manh mối cho thấy ánh sáng cũng có thể hoạt động như sóng. Điều này dẫn đến một khái niệm kỳ lạ rằng ánh sáng là cả một sóng và một sóng. Điều này bắt đầu sự phát triển của một cái gì đó mà bạn có thể đã nghe nói. Nó được gọi là cơ học lượng tử. Một trong những manh mối quan trọng nhất cho thấy ánh sáng không chỉ là một sóng là cái gọi là sự bất đồng âm dương. Và cái tên đó không phải là một sự phóng đại. Sự bất đồng dương-lực là một bi kịch đối với tư duy bình thường về vật lý ánh sáng. Chúng tôi đã nói về cách các vật thể thể hiện nhiệt. Cụ thể, nhiệt của chúng được thể hiện trong thời gian. Tỷ lệ nhiệt của chúng được tăng lên bậc 4. Nhưng có nhiều thứ đang xảy ra ở đó ngoài nhiệt độ. Các vật thể phát ra năng lượng thực sự bao gồm toàn bộ thang số trên quang phổ điện từ. Tất cả các loại ánh sáng đều khác nhau. Bây giờ, có một thứ gọi là một vật thể đen. Về cơ bản, nó là một phiên bản lý tưởng của một vật thể phát xạ. Không có vật đen thực sự. Nhưng về mặt lý thuyết, chúng hấp thụ tất cả ánh sáng tiếp theo mà không có phản xạ. và lượng khí thải tương ứng. Không phải tất cả năng lượng từ vật thể đen đều có cùng cường độ. Bạn có thể dự đoán cường độ năng lượng từ vật thể đen hoặc phát xạ của vật thể đen dựa trên nhiệt độ của nó. Nhưng khi các nhà vật lý đưa ra một quy trình cho cường độ này, sử dụng ý tưởng rằng ánh sáng là một sóng, Họ gặp phải một vấn đề lớn. Quá trình mà họ đưa ra được gọi là định lý Rayleigh-Jeans. Nó dự đoán rằng tần số phát xạ càng cao, sóng càng ngắn, và càng cao cường độ. Điều này rất phù hợp với kết quả thí nghiệm, nhưng chỉ đến một mức độ nhất định. Khi tần số ánh sáng ở trong phạm vi âm hoặc cao hơn, định lý Rayleigh-Jeans không phù hợp với kết quả thí nghiệm. Thay vào đó, các thí nghiệm đã chỉ ra rằng các vật thể đen có cường độ cực đoan dựa trên nhiệt độ của chúng. Ở một tần số nhất định, ánh sáng sẽ có cường độ cao nhất, và sau đó cường độ sẽ thực sự giảm khi tần số tăng. Đối tượng càng ấm, tần số cường độ càng cao. Nhưng luôn luôn có một đỉnh cao. Không phải như thế. Tệ hơn nữa, nếu bạn tổng hợp các đóng góp của tần số cao hơn và cao hơn để tính tổng công suất phát ra bởi một vật thể đen, định lý Rayleigh-Jeans dự đoán rằng bạn sẽ tìm thấy sức mạnh vô hạn. Điều này trái với nguyên tắc bảo tồn năng lượng. Đây là một thảm họa cực đoan. Rõ ràng là có gì đó sai trong cách các nhà vật lý nghĩ về ánh sáng. Theo những gì họ biết, cường độ chỉ được giả định sẽ tiếp tục mạnh hơn khi tần số cao hơn. Vậy là họ bỏ qua một cái gì đó. Thảm họa đã được giải quyết bằng một chương trình của nhà vật lý học người Đức Max Planck. Một chương trình cơ bản dẫn đến toàn bộ lĩnh vực cơ học lượng tử. Chương trình này được gọi là định lý Planck. Thật đơn giản. Nhưng ý tưởng của nó rất mới. Lý thuyết của Planck nói rằng năng lượng điện từ bao gồm các hạt nhỏ, được gọi là quark. Nói cách khác, ở một thời điểm nhất định, bạn không thể chia năng lượng thành những hạt nhỏ hơn những hạt này. Và năng lượng trong mỗi hạt bằng với cường độ của ánh sáng. Nhưng với một số lượng rất nhỏ, gọi là số Planck, được đánh dấu bằng chữ H. Nếu bạn nghĩ về định lý Planck, bạn cố gắng dự đoán cường độ của một vật thể đen. Bạn sẽ có một chương trình dự đoán kết quả xét nghiệm hoàn hảo, bao gồm cả những đỉnh độ mạnh kỳ lạ. Vậy là thảm họa cực đoan đã được giải quyết. Nhưng giờ đây có một ý tưởng hoàn toàn mới khiến các nhà vật lý phải suy nghĩ lại mọi thứ. Năng lượng chỉ có thể tồn tại trong các hạt. Trước đây, các nhà vật lý học tin rằng năng lượng là một dòng chảy liên tục. Nhưng hóa ra ở một thời điểm nào đó, Bạn không thể chia năng lượng thành những thứ nhỏ hơn. Bạn cũ của chúng ta Einstein đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra vật lý bằng cách sử dụng thông tin mới này. Và ông đã giành được giải Nobel năm 1921. Einstein lập luận rằng năng lượng ánh sáng trong những cái gọi là photon về cơ bản sẽ làm cho ánh sáng hoạt động như một đường thẳng. Thật là lạ. Bởi vì, nhớ lại, đã có nhiều thí nghiệm cho thấy ánh sáng hoạt động như một đường thẳng. Nhưng Einstein đề xuất một cách để chứng minh liệu ánh sáng có đi qua các hạt này hay không. Một thí nghiệm liên quan đến hiệu ứng photon. Hiệu ứng photon mô tả hiện tượng khi bạn chiếu một chùm ánh sáng vào một tấm kim loại. Các electron rời khỏi tấm và va chạm với một vật thể gần đó để tạo ra dòng điện. Einstein nhận ra rằng bằng cách nghiên cứu cách các electron rời khỏi tấm kim loại, Các nhà vật lý học có thể học được rất nhiều về tính chất của ánh sáng. Bởi vì cả lý thuyết ánh sáng và lý thuyết tia sáng đều giả định rằng ánh sáng đâm ra các electron ra khỏi tấm kim loại. Nhưng mỗi giả thuyết đều có một lời giải thích khác nhau về việc tại sao điều này xảy ra. Và những giả định khác nhau khi nói đến chi tiết của thí nghiệm. Lý thuyết ánh sáng nói rằng khi một chùm ánh sáng chạm vào một electron, Nó sẽ áp dụng lực lên electron và đẩy nó ra khỏi tấm kim loại. Theo lý thuyết này, nếu bạn tăng cường cường độ ánh sáng, bạn tăng cường độ của electron đâm vào electron. Vì vậy, bạn đẩy ra nhiều electron hơn, và những electron này có tốc độ cao hơn và đạt được một trường từ cao hơn. Đó là từ trường của các electron di chuyển nhanh nhất ra khỏi tấm. Một điều quan trọng cần lưu ý ở đây là theo lý thuyết ánh sáng, tần số ánh sáng không khác nhau. Chỉ có cường độ là vấn đề. Mặt khác, Lý thuyết ánh sáng nói rằng các electron được đẩy ra khỏi tấm kim loại khi chúng bị ảnh hưởng bởi các photon của chính chúng. Photon truyền năng lượng của chúng đến các electron. Các electron đẩy ra khỏi tấm kim loại và các photon bị phá hủy trong quá trình này. Nhưng có một năng lượng tối thiểu mà photon cần truyền để làm cho electron vượt quá sức hấp dẫn của chúng vào tấm kim loại và đẩy ra ngoài. Năng lượng tối thiểu đó được gọi là W0. Nếu photon có năng lượng ít hơn W0, electron sẽ không đi đâu cả. Nhưng nếu photon có năng lượng nhiều hơn W0, một phần năng lượng của photon sẽ được sử dụng để đẩy electron ra khỏi tấm kim loại, và phần kia sẽ cung cấp năng lượng cho electron. Một số electron sẽ bị đẩy mạnh hơn các electron khác, nhưng các electron với sức mạnh cực kỳ sẽ có năng lượng tối thiểu để đẩy các electron ra khỏi tấm kim loại. Do đó, theo cơ học lượng tử, chúng ta có thể nói rằng năng lượng của photon bằng với W0 cộng với sức mạnh cực đoan của nó. Và năng lượng của photon cũng bằng với số số Planck nhưng với một số lẻ. Phương trình này cho bạn biết rằng nếu bạn tăng số lượng ánh sáng, sức mạnh cực của electron sẽ tăng theo đó. Và nếu bạn dưới một số nhất định, F0, nơi số số Planck nhân F0 bằng W0, thì bạn sẽ không đẩy bất kỳ electron nào ra ngoài. Điều này có nghĩa là tăng số lượng ánh sáng sẽ làm tăng số lượng electron đẩy ra ngoài, nhưng nó không ảnh hưởng đến sức mạnh cực đoan của họ. Vì vậy, nếu bạn muốn biết liệu cơ học lượng tử có đúng không, Tất cả những gì bạn phải làm là thử một vài xét nghiệm đơn giản. Có một số lượng nhất định mà dưới đó các electron không bị đẩy ra khỏi tấm kim loại? Dù anh chờ bao lâu, Điều gì xảy ra khi bạn tăng số lượng ánh sáng? Và khi bạn tăng số lượng ánh sáng, nó có ảnh hưởng đến sức mạnh cực của các electron không? Hóa ra có một số lượng nhất định và số trên thang càng cao, càng cao sức mạnh cực của các electron. Và tất nhiên, Tăng số lượng ánh sáng chỉ ảnh hưởng đến số lượng electron bị đẩy ra ngoài. Nó không thay đổi sức mạnh cực đoan của họ. Kết quả của tất cả những thử nghiệm này với cơ học lượng tử phù hợp với giả thuyết của cơ học lượng tử. Do đó, photon thực sự tồn tại. Ánh sáng đi qua các hạt và hoạt động như một đường thẳng. Nhưng những thí nghiệm khác cho thấy ánh sáng hoạt động như một đường thẳng thì sao? Vấn đề là ánh sáng có thể hoạt động như cả hai. Trong một số trường hợp nhất định, Nó có thể hoạt động như một đường. Trong các trường hợp khác, Đây được gọi là mô hình trực tuyến. Khi nói đến vật lý của những thứ rất nhỏ, sự hiểu biết trực giác của bạn về thế giới sẽ không áp dụng. Bạn không thể mô tả những thứ như ánh sáng với những khái niệm mà bạn quen thuộc, những thứ hoạt động trên quy mô lớn hơn. Khi anh cố giải thích một cái gì đó, không có cách nào bạn có thể trực tiếp trải nghiệm thế giới. Anh sẽ phải đối mặt với một số vật lý bị tẩy não. Và sự khám phá ra định luật Planck cùng với ý tưởng rằng năng lượng ánh sáng đi qua các hạt đã trở thành cơ sở cho các khái niệm và phương pháp chúng ta sử dụng để phân tích các hành động của các vật thể rất nhỏ. Và trong lĩnh vực vật lý đó, nghiên cứu về cơ học lượng tử là cái mà chúng ta gọi là cơ học lượng tử. Một trong những ý tưởng kỳ lạ nhất từng được đề xuất trong vật lý là ánh sáng có thể là cả một đường thẳng và một đường thẳng. Và vào năm 1923, Một nhà vật lý người Pháp tên là Louis de Broglie đề xuất một phiên bản rộng hơn và thậm chí toàn diện hơn của ý tưởng đó. Điều gì sẽ xảy ra nếu một vật sống không chỉ là một nguồn ánh sáng? Điều gì sẽ xảy ra nếu nó là một đối tượng cơ bản? Điều gì sẽ xảy ra nếu tất cả vật chất được kết nối với nó? Và ông ấy nói đúng. Việc áp dụng một vật thể sống vào vật chất đã dẫn đến sự phát triển của phương pháp phân tích các hành động của các hạt nhỏ chính xác hơn bao giờ hết. Và nó cũng giúp chúng tôi hiểu rằng có một số thứ rất nhỏ trong vật lý mà chúng tôi không bao giờ có thể mô tả chính xác. Tôi đang nói về sự không chắc chắn. Tôi đang nói về việc một thứ có thể ở nhiều nơi cùng một lúc. De Broglie là một người tin vào ý tưởng rằng có sự tương phản tự nhiên. Lý thuyết của ông là nếu ánh sáng có thể hoạt động như cả một đường thẳng và một đường thẳng, thì vật chất cũng phải hành động như vậy. Hơn nữa, năng lượng của ánh sáng được chia cho bước sóng của ánh sáng. Do đó, Lý thuyết của De Broglie cũng áp dụng cho vật chất. Đó là, bạn có thể tìm ra bước sóng của bất kỳ hạt vật chất nào miễn là bạn biết năng lượng của nó. Cách dễ nhất để kiểm tra điều này là sử dụng electron. Anh có nhớ thí nghiệm liên kết kép không? Đó là một trong những cách quan trọng nhất mà các nhà vật lý đã chứng minh rằng ánh sáng có thể hoạt động như một sóng. Khi bạn bắn một chùm ánh sáng qua hai chùm, chúng tương tác với nhau như một sóng để tạo ra một hình dạng nhất định có thể dự đoán được. Nó được gọi là mẫu phân tán trên một màn hình đặt phía sau chùm tia để xem liệu vật chất có thể hoạt động như sóng hay không. Các nhà vật lý học đã thử một thí nghiệm tương tự nhưng với một chùm tia điện tử thay vì một chùm tia sáng. Họ bắn chùm tia điện tử vào một màn hình với hai chùm tia với màn hình phía sau. Màn hình sẽ sáng lên bất cứ nơi nào bị electron đâm. Và họ phát hiện ra rằng các electron tạo ra một mẫu phân tán giống như chùm ánh sáng đã làm. Điều đó có nghĩa là các electron hoạt động như một sóng và tương tác với nhau. Khám phá này thực sự là một bước đột phá lớn. Nó cho thấy De Broglie đã đúng. Các electron hoạt động như sóng và tương tác với nhau. Và tất cả các vật chất khác, nguyên tử, hạt, và mọi thứ khác. Ví dụ, một quả bóng trong không khí cũng hoạt động như một làn sóng. Khi bạn lái xe trên đường cao tốc, Nó hoạt động như một làn sóng. Ngay cả cơ thể cũng có thể hoạt động như sóng. Điều này hoàn toàn khác với kinh nghiệm của con người về vũ trụ. Nhưng với anh thì đó là một cơ chế lượng tử. Bây giờ bạn có thể tự hỏi mình liệu tất cả các vật thể có thể hoạt động như một sóng, Sao chúng ta không gặp họ? Hãy nhớ rằng một con sóng được chia cho số lượng ván. Nhưng số lượng ván là rất ít. Và càng lớn động lực, sóng càng nhỏ. Đối với bất cứ thứ gì đủ lớn để nhìn thấy bằng mắt thường, Sóng này rất nhỏ nên không có cách nào chúng ta có thể tìm thấy nó. lấy một quả bóng 0,2 kg bay trong không khí với tốc độ 40,2 m/giây. Sóng của bóng bay được chia cho số lượng ván và động lượng của nó bằng khối lượng của nó nhân với tốc độ của nó. để tìm ra sóng của quả bóng, bạn chia số lượng ván bằng khối lượng của quả bóng nhân tốc độ của nó. Tính toán sóng 8,24 nhân 10,35 mét. Nói cách khác, để viết phần nhỏ của đồng hồ mà sóng bằng, Bạn phải viết dấu phẩy sau đó 34 số không sau đó 824 số. So sánh với bán kính bán kính của nguyên tử anh hùng là khoảng 2,5 nhân 10 trừ 11 mét. sóng của quả bóng nhỏ là không thể tưởng tượng được. Chúng ta không có cách nào để đo được những sóng nhỏ đó. bạn không thể thấy rằng bong bóng thuần chay của bạn cũng là một làn sóng, nhưng nó là một làn sóng. Có rất nhiều cơ học lượng tử Hãy xem lại thí nghiệm với electron. Nếu bạn chỉ để cho các electron đi qua các tấm gỗ từ từ, Có vẻ như chúng đang bước lên màn hình ở những điểm ngẫu nhiên. Chỉ sau một thời gian, bạn bắt đầu thấy một hình ảnh mờ bởi vì nhiều electron rơi vào các điểm tương ứng với tia sáng trong mô hình. Đó là bởi vì cho electron và vật chất nói chung, sản xuất là một yếu tố rất quan trọng trong cách chúng hoạt động ở cấp độ lượng tử. Khi cơ học lượng tử nghiên cứu bản chất của vật chất, chủ yếu liên quan đến việc sản xuất các nguyên tử, như electron, hoặc thậm chí tất cả các nguyên tử hoặc phân tử sẽ ở vị trí nhất định vào những thời điểm nhất định. Sự sản xuất đó được dự đoán bởi một làn sóng, một quá trình liên quan đến một số đặc điểm của cơ học lượng tử, như electron hay nguyên tử. Quá trình này được phát triển bởi nhà vật lý người Ý Erwin Schrödinger vào những năm 1920. Có rất nhiều phương pháp hiệu suất cao thực sự sử dụng quy trình Schrödinger, nhưng một trong những lý do chính mà quá trình này hữu ích là bạn có thể sử dụng nó để dự đoán sự sản xuất của một nguyên tử ở bất kỳ điểm nào trong không gian, gọi là hộp mật độ sản xuất. Bạn có biết những đám mây electron mà đôi khi bạn thấy trong các mô hình nguyên tử? Chúng cho thấy electron được tìm thấy trong không gian xung quanh hạt nhân. Chúng là một biểu diễn trực quan của hộp mật độ sản xuất, có nghĩa là hình dạng của đám mây được tính bằng cách sử dụng quy trình Schrödinger. Một trong những cuộc tranh luận gây tranh cãi nhất trong cơ học lượng tử là về ý nghĩa thực sự của một hộp với một hộp mật độ sản xuất. Giả sử bạn có một electron trong một hộp. Hộp mật độ sản xuất cho bạn biết rằng tại một thời điểm nhất định, có một mật độ sản xuất nhất định mà electron sẽ ở các vị trí khác nhau trong hộp. Nhưng nếu bạn mở hộp để kiểm tra vị trí của electron, bạn sẽ thấy rằng nó chỉ ở một vị trí cụ thể. Vậy điều đó có nghĩa là gì khi có một hộp mật độ sản xuất ở một loạt các vị trí khác nhau? Đây là nơi mà cơ học lượng tử trở nên kỳ lạ và mâu thuẫn. Nhiều nhà vật lý nghĩ rằng electron không bao giờ ở một vị trí cụ thể. Ít nhất là cho đến khi anh nhìn nó. Thay vào đó, bằng cách nào đó, nó hiện diện ở tất cả những nơi khác nhau cùng một lúc. Nhưng nó vẫn chỉ là một electron. Sau đó, một khi bạn quan sát hoặc đo điện tử theo một cách nào đó, Nó chỉ ở một nơi. Bằng cách nào đó, ý tưởng rằng một hạt nhân có thể ở trong nhiều trạng thái cùng một lúc là một ví dụ về sự vướng mắc lượng tử. Và đó là ý tưởng Schrödinger đang cố gắng khám phá trong thí nghiệm nổi tiếng của mình với mèo. Thí nghiệm sẽ như thế này. Bạn có một con mèo trong một hộp với một thiết bị chỉ phát ra điện tích khi một neutron bị phá vỡ. Sự vướng mắc lượng tử nói rằng cho đến khi bạn không biết trạng thái của electron, và do đó không biết liệu cáo buộc đã được phát hành hay không, con mèo vừa sống vừa chết cùng một lúc. Schrödinger đã thử nghiệm ý tưởng này như một cách để chứng minh rằng ý tưởng này là vô lý và nó thực sự vô lý, nhưng nó cũng có thể chính xác. Đó chỉ là một trong những điều hoàn toàn trái ngược với cách chúng ta trải nghiệm thế giới. Bây giờ, giả sử bạn đo điện tử. Sẽ vẫn còn một số sự không chắc chắn. trong phép đo đó vì một cái gì đó được gọi là Nguyên lý không chắc chắn của Heisenberg. Nguyên tắc này nói rằng bất kể thiết bị đo của bạn tốt như thế nào, bạn chỉ có thể biết vị trí và động lực của một đường thẳng. Ví dụ, electron trong hộp ở một mức độ chính xác nhất định. Sau đó bạn có thể đo tốt hơn vị trí của electron, nhưng bạn sẽ có một phép đo ít chính xác hơn của động lực của nó. Tương tự, bạn có thể đo được động lượng của electron tốt hơn, nhưng sau đó bạn phải hy sinh sự chính xác của vị trí của nó. Sao lại thế? Nó liên quan nhiều hơn đến toàn bộ sóng hơn là đến đường. Như chúng ta đã nói trước đây, Động lực của sóng chỉ là số máy tính chia cho bước sóng. Vì vậy, nếu bạn sử dụng một đường để mô tả electron của bạn dưới bước sóng, bạn có thể biết được động lực chính xác của nó. Vấn đề là sóng đó không ở đúng vị trí. Vì vậy, bằng cách mô tả electron theo cách cho phép bạn đo động lượng của nó, bạn sẽ mất khả năng đo vị trí của nó. Bây giờ, bạn có thể thử mô tả electron như là một hạt nhân và xác định vị trí của nó theo cách đó, nhưng sau đó bạn sẽ có một vấn đề tương tự. Các phương trình liên quan sẽ không cho phép bạn đo đạc động lượng của electron. Vì vậy, các nhà vật lý lượng tử cố gắng tối đa hóa cả hai thế giới bằng cách mô tả những thứ như electron bằng cách sử dụng cái gọi là gói sóng. Về cơ bản, một sự kết hợp của các sóng được cộng lại với nhau. Họ sử dụng phương trình Schrödinger để tính toán các sóng khác nhau để mô tả một cơ chế lượng tử như electron mà bạn đang cố gắng đo. Khi tất cả những sóng khác nhau được cộng lại với nhau, bạn có thể có một số ý tưởng về vị trí của electron, nhưng bạn cũng sẽ gặp phải một số sự không chắc chắn khi nói đến động lực của electron. Do đó, có một giới hạn về mức độ chính xác mà bạn có thể đo vị trí và động lượng kết hợp. Hóa ra sẽ luôn có sự không chắc chắn ít nhất là số sóng chia cho 4π. Trong thế giới cổ điển, sự không chắc chắn này không phải là một vấn đề lớn. nếu bạn đang đo lường quy mô công việc của mình, sự không chắc chắn rất nhỏ, Vì vậy nó sẽ không phải là một vấn đề. Tuy nhiên, khi bạn cố gắng đo những thứ nhỏ như nguyên tử hoặc electron, có thể là một vấn đề thực sự. Không phải lúc nào bạn cũng có thể biết chính xác vị trí của một electron như bạn muốn, bởi vì bạn sẽ có một phép đo ít chính xác hơn của động lực của nó. Do đó, cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng có một số lượng hạn chế những điều chúng ta có thể học về các nguyên tử. Khi người ta nói rằng cơ học lượng tử là kỳ lạ, Họ không đùa đâu. Bạn càng học về nguyên tử, những điều kỳ lạ hơn bạn thấy. Nhưng nó vẫn là cách tốt nhất để mô tả hành vi của những thứ rất nhỏ. Vật lý hạt nhân E bằng mc2. Anh nghe nó suốt. nhưng nó có nghĩa là gì? Trong nghiên cứu lý thuyết tương đối hẹp, Albert Einstein phát hiện ra rằng khối lượng và năng lượng là bằng nhau. Chúng có thể được chuyển đổi. Ông đã mô tả mối quan hệ đó bằng toán học. Ông nói rằng năng lượng của một nguyên tử là khối lượng của nó chia cho tốc độ ánh sáng bình thường. Quá trình này rất quan trọng đối với vật lý hạt nhân, nghiên cứu hạt nhân nguyên tử. Đây là một nhóm vật lý giới thiệu cho bạn 2 trong 4 lực cơ bản. Một trong số đó, một nguyên tử có thể biến thành một nguyên tử hoàn toàn khác nhau chỉ trong một phần giây. Và một thứ cho phép chúng ta giải phóng năng lượng bên trong mỗi nguyên tử. Trước khi chúng ta có thể đi vào những điều kỳ diệu của vật lý hạt nhân, Chúng ta cần nhớ một chút về những gì làm cho nó nổi bật. Đó là hạt nhân. Hạt nhân của bất kỳ nguyên tử nào bao gồm proton và neutron. Proton mang theo từ trường, trong khi neutron vô hiệu hóa trường điện. Và cả hai hạt nhân đều có khối lượng gần như như nhau. Ngoại trừ Hydra, chỉ có một proton trong hạt nhân của nó. Tất cả các nguyên tử đều có proton và neutron. chúng ta thường gọi chúng là 2 nucleon. Chúng ta có thể mô tả số lượng proton và neutron trong hạt nhân của một nguyên tử bằng cách sử dụng số lượng nguyên tử và khối lượng của chúng. Số lượng nguyên tử là số lượng proton trong hạt nhân. Con số này cũng xác định số lượng nguyên tử trong một nguyên tử. Trong khi đó, số nhân là số proton và neutron kết hợp để tạo thành một hạt nhân. Do đó, nếu có 6 proton và 6 neutron trong một hạt nhân, số lượng nguyên tử sẽ là 6, biến nó thành một hạt nhân carbon. Và số lượng hạt nhân sẽ là 6 cộng 6 là 12. Và nếu có 6 proton và 8 neutron, Nó vẫn là một hạt nhân carbon nhưng với số 14. Hãy đặt các hạt nhân carbon này vào hạt nhân để cho thấy sự khác biệt giữa chúng. Đầu tiên, chúng ta bắt đầu với ký hiệu hóa học cho hạt nhân, được xác định bởi số lượng nguyên tử. Sau đó, ở phía bên trái của dấu hiệu hóa học, chúng ta viết số lượng nguyên tử. Số lượng nguyên tử này sẽ giống nhau cho cả hai hạt nhân cacbon 6. Cuối cùng, chúng ta viết số hạt nhân ở phía trên bên trái để cho thấy số lượng proton và neutron trong hạt nhân. Do đó, cho hạt nhân carbon của chúng ta với 6 neutron, chúng ta sẽ lấy ký hiệu hóa học cho carbon, đó là C, và viết số nguyên tử 6 ở dưới bên trái và số nguyên tử 12 ở trên bên trái. Đối với hạt nhân với 2 neutron, số lượng nguyên tử ở bên trái trên sẽ là 14. Đối với bất kỳ hạt nhân hai hạt nhân với cùng một số lượng nguyên tử, nhưng số lượng proton khác nhau, Nó được gọi là một đơn vị. Đối với hầu hết các yếu tố, một đơn vị phổ biến hơn các đơn vị khác. 99% carbon trên Trái đất là carbon-12. Carbon với số proton là 12. Chỉ một phần nhỏ của toàn bộ carbon trên Trái đất là carbon-14, bởi vì carbon là yếu nhất khi số proton bằng số neutron. Điều quan trọng là phải biết số lượng các nguyên tử khác nhau, bởi vì tất cả các phản ứng hạt nhân đều liên quan đến sự thay đổi số lượng nguyên tử. Để đo số lượng nguyên tử, chúng ta sử dụng đơn vị của nguyên tử đơn vị được gọi là U. một nguyên tử carbon trung tính đơn lẻ là chính xác 12 đơn vị của cùng một nguyên tử đơn vị. Điều này có nghĩa là một đơn vị của nguyên tử đơn vị bằng 1.665 x 1027 kg. Được rồi. Bây giờ chúng ta có một dấu để mô tả các yếu tố và đơn vị của chúng. Chúng ta có thể nói về năng lượng kết nối với hạt nhân và các kết nối của nó. Điều đầu tiên bạn nên biết là tổng khối lượng của hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các proton và neutron kết hợp với nhau. khối lượng của một nguyên tử heli trung tính là 4.00603 đơn vị của cùng một nguyên tử đơn vị. Nhưng 2 neutron và 2 proton, Các thành phần của nguyên tử heli được kết hợp với nhau với khối lượng 4,032980 đơn vị của cùng một nguyên tử đơn vị. Điều này có nghĩa là hạt nhân của nguyên tử heli có 0,03037 đơn vị của cùng một nguyên tử đơn vị. Điều này có nghĩa là hạt nhân có khối lượng ít hơn các thành phần của nó. Làm sao có thể được? À, sự khác biệt về khối lượng là tổng năng lượng của hạt nhân. Tổng năng lượng của hạt nhân là lượng năng lượng bạn phải thêm vào nguyên tử heli để phá vỡ hạt nhân của nó. Lượng năng lượng cần thiết để phá vỡ một hạt nhân thành các thành phần của nó tăng. Trong trường hợp này, Sắt có một trong những năng lượng cao nhất của hạt nhân. Nhưng trong khi tổng năng lượng của hạt nhân vẫn cao hơn sắt, năng lượng thực tế của hạt nhân giảm. Điều này có nghĩa là các hạt nhân rất lớn không kết nối chặt chẽ như các hạt nhân nhỏ. Bởi vì năng lượng của hạt nhân chiếm một lượng nhỏ, bạn có thể tính bằng cách sử dụng E bằng mc bình phương. Bây giờ bạn có thể tự hỏi bản thân mình hạt nhân được tổ chức như thế nào ngay từ đầu. Nếu bạn có neutron trung tính, Không có vấn đề gì khi họ ở gần nhau. Nhưng tất cả proton thì sao? Không phải lực điện đã tách chúng ra sao? Vâng, một trong bốn lực cơ bản của vật lý là lực hạt nhân mạnh. Lực mạnh là lực giữa proton và neutron trong hạt nhân. Lực này đủ để đánh bại lực giữa các proton. Nhưng nó chỉ áp dụng ở những khoảng cách rất nhỏ, trong khi lực điện áp dụng ở những khoảng cách xa hơn. Bởi vì lực mạnh chỉ hoạt động ở những khoảng cách nhỏ như vậy, Các nguyên tử lớn hơn với các nguyên tử cao hơn thực sự cần nhiều neutron hơn để đánh bại lực điện và duy trì sự ổn định bên trong hạt nhân. Những neutron bổ sung này cần các nguyên tử có nguyên tử cao hơn 30 hoặc nhiều hơn. Như bạn có thể thấy trong bảng này, mối quan hệ giữa số neutron và số proton trong một nguyên tử ổn định. Khi một hạt nhân không ổn định, nó có thể bị phá vỡ thành một trạng thái ổn định hơn. Sự tách biệt của các nucleon không ổn định này, cùng với việc phát ra các nguyên tử năng lượng, được gọi là khí thải tự nhiên. Sự phát xạ tự nhiên đầu tiên được phát hiện bởi Henry Buchanan, người đã quan sát thấy một khối uranium ảnh hưởng đến một bức tranh được bao phủ bằng giấy như thế nào. Mặc dù giấy đã che chắn ánh sáng, Sự phát thải uranium vẫn đi qua giấy và để lại dấu ấn trên bức tranh. Sau đó, các nhà khoa học nghiên cứu những sự tách biệt như vậy và chia các electron thành ba nhóm khác nhau dựa trên chuỗi của chúng. Đầu tiên, có sự tách biệt alpha, được giải phóng khi một hạt nhân không ổn định mất hai proton và hai neutron, trở thành một yếu tố khác trong quá trình này. Trong phân tách alpha, có một hạt nhân mẹ, là một hạt nhân không ổn định, và nó được tách thành một hạt nhân con và một hạt nhân alpha, mà thực sự chỉ là một hạt nhân helium. Sự tách biệt này xảy ra bởi vì hạt nhân mẹ quá lớn và không có đủ năng lượng để giữ tất cả các hạt nhân lại với nhau. nếu hạt nhân mẹ là radium, Nó sẽ tách thành radon và tạo ra một hạt nhân alpha duy nhất. Quá trình thay đổi hạt nhân từ một nguyên tố sang một nguyên tố khác được gọi là thay đổi. Chúng ta biết rằng số lượng nguyên tử radon chỉ lớn hơn số lượng các đơn vị radium-2 và số lượng các đơn vị radium-4. tổng số nguyên tử và tổng số hạt nhân luôn giống nhau ở cả hai bên của phương trình. Nhưng mặc dù tổng số nguyên tử là như nhau, Hãy nhớ rằng khối lượng và năng lượng là như nhau. Các sản phẩm của phản ứng này luôn có tổng khối lượng được đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử, nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân mẹ. Phần còn lại của khối lượng trở thành năng lượng động, và năng lượng động được giải phóng trong phản ứng hạt nhân là những gì được sử dụng để tạo ra năng lượng hạt nhân. Hạt nhân alpha là yếu nhất trong ba nhóm. Chúng hầu như không thể đọc được một tờ giấy. Loại tách thứ hai có thể xảy ra là tách beta. Khi một hạt nhân không ổn định tạo ra một hạt nhân beta, Nó chỉ là một electron. Bạn sẽ thấy rằng bất cứ khi nào một electron được tạo ra, một hạt nhân neutrino cũng như vậy. Một hạt nhân neutrino là một hạt nhân có khối lượng trung tính năng lượng rất nhỏ. Sự tồn tại của nó bắt nguồn từ sự bảo tồn năng lượng. Ví dụ, khi một hạt nhân ở trạng thái tĩnh phân thành hai phần, nó phải cung cấp cho mỗi mảnh cùng một lượng năng lượng. Nếu một hạt nhân chia thành một hạt nhân và một electron, electron luôn có cùng năng lượng Nhưng các electron từ sự tách rời beta đã được phát hiện có rất nhiều thay đổi năng lượng. Điều này cho thấy rằng một hạt nhân thứ ba phải mang lại năng lượng còn lại. Và các thí nghiệm đã xác nhận rằng những hạt nhân neutrino nhỏ này là nguyên nhân gây ra sự thiếu năng lượng đó. Bây giờ, phần duy nhất của sự tách biệt beta là không có nucleon được tạo ra trong quá trình tách biệt. Thay vào đó, một trong những neutron biến thành proton. Và để bù đắp cho sự thay đổi năng lượng, neutron tạo ra một electron. Và mặc dù các electron này đến từ sự tách hạt nhân, chúng là cùng một electron quay quanh một hạt nhân tiêu chuẩn. Một khi một neutron biến thành proton, hạt nhân sẽ thay đổi từ một nguyên tố sang một nguyên tố khác. Một lần nữa, đây là một trường hợp thay đổi. Và sự tách biệt beta là do lực cơ bản thứ tư, lực yếu. Trong khi lực mạnh ảnh hưởng đến hạt nhân, lực yếu thay đổi các electron, Đó là những electron cơ bản tạo nên cả proton và neutron. Bằng cách thay đổi electron này thành electron khác, lực yếu biến neutron thành proton. Vì khả năng thấm của chúng, các electron beta thường bị chặn bởi một vài milimet heli. Loại tách thứ ba là tách gamma. Đây là kết quả của một neutron tạo ra các proton năng lượng cao trong những gì được gọi là tia gamma. Loại tách này thường xảy ra khi neutron ở trạng thái kích thích. Nó có thể xảy ra vì neutron tách ra khỏi một nguyên tử lớn hơn hoặc vì nó tiếp xúc với một nguyên tử năng lượng cao vì những lý do khác. Nhưng vấn đề là khi một neutron được kết nối, nó muốn chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn, mà nó có thể làm bằng cách giải phóng một proton. Không giống như phân tách alpha và beta, Không có thay đổi trong phân tách gamma. khi một neutron được kết nối, Nó chỉ tách thành một neutron ở trạng thái cơ bản và một tia gamma. Tia gamma có độ thấm cao nhất và đòi hỏi một lượng lớn bê tông để ngăn chặn sự lan rộng của chúng. Và có nhiều thứ chúng ta có thể nói về nếu có thời gian.