بحث عن الفيزياء النووية
يعد البحث في الفيزياء النووية من المساعي الهامة لأن دراسة نواة الذرة تمثل جوهر قدرتنا على فهم الكون، وتوفر إجابات وتوسيع معرفتنا بكل تفاصيله الصغيرة والدقيقة، فقد تعلمنا أن النواة تتكون بفعل تفاعلات بسيطة بين الجسيمات الذرية ، وأن هذه الجسيمات تشكل نظاما معقدا يجعلنا قادرين على فهم العالم المرئي والكون المحيط بنا، ولكن هناك الكثير لا يزال يحتاج لتعلمه عن هذه الجسيمات والقوى المؤثرة فيها، وعندما يعمل العلماء على دراسة نواة الذرة والقوى التي تسيطر عليها، يتم تطوير المعرفة والتقنيات والأدوات اللازمة للبحث، بهدف تطوير مجموعة متنوعة من التطبيقات العملية غير المتوقعة في كثير من الأحيان .
الفيزياء النووية
الفيزياء النووية هي فرع من فروع الفيزياء يدرس النوى الذرية ومكوناتها وتفاعلاتها، ويتم دراسة أشكال أخرى من المواد النووية، ولا ينبغي الخلط بين الفيزياء النووية والفيزياء الذرية التي تدرس الذرة بما في ذلك إلكتروناتها. وقد أدت الاكتشافات في الفيزياء النووية إلى تطبيقات في العديد من المجالات، بما في ذلك الطاقة النووية والأسلحة النووية والطب النووي والتصوير بالرنين المغناطيسي والنظائر الصناعية والزراعية وغرس الأيونات في هندسة المواد والتأريخ بالكربون المشع في الجيولوجيا وعلم الآثار. يتم دراسة هذه التطبيقات في مجال الهندسة النووية، وتطورت فيزياء الجسيمات من الفيزياء النووية وعادة ما يتم تدريس هذين المجالين في ارتباط وثيق، كما أن الفيزياء الفلكية النووية هي استخدام الفيزياء النووية لفهم الأساس الداخلي للنجوم وأصل العناصر الكيميائية .
تاريخ الفيزياء النووية
تاريخ الفيزياء النووية يبدأ كتخصص مميز عن الفيزياء الذرية عند اكتشاف النشاط الإشعاعي من قبل هنري بيكريل في عام 1896 أثناء فحص الفوسفور في أملاح اليورانيوم، واكتشف جيه طومسون الإلكترون بعد عام واحد، مما أشار إلى وجود بنية داخلية للذرة. في بداية القرن العشرين، كان النموذج المقبول للذرة هو نموذج بودنج البرقوق لج.ج. طومسون، حيث كانت الذرة عبارة عن كرة مشحونة إيجابيا تحتوي على إلكترونات سالبة ومشحونة داخلها. في السنوات التالية، تمت دراسة النشاط الإشعاعي بشكل واسع، بمشاركة ماري وبيير كوري وأرنست رذرفورد وزملائه. وفي نهاية القرن، اكتشف الفيزيائيون ثلاثة أنواع من الإشعاعات المنبعثة من الذرات، وأطلقوا عليها أسماء ألفا وبيتا وأشعة غاما. وتوصلت تجارب أوتو هان في عام 1911 وجيمس شادويك في عام 1914 إلى أن طيف الإشعاع البيتا كان مستمرا وليس منفصلا، مما يعني أن الإلكترونات تنفصل عن الذرة بمدى مستمر من الطاقة بدلا من كميات منفصلة كما لوحظ في الإشعاع الغاما والألفا. وكان هذا يشكل مشكلة في مجال الفيزياء النووية آنذاك، حيث يبدو أن الطاقة لم يتم الاحتفاظ بها في هذه الانحلالات .
تم منح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1903 مشتركة لبيكريل عن اكتشافه، ولماري وبيير كوري عن بحوثهما في النشاط الإشعاعي. حصل روثرفورد على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1908 عن “تحقيقاته في تفكك العناصر وكيمياء المواد المشعة”. في عام 1905، صاغ ألبرت أينشتاين فكرة تكافؤ الكتلة والطاقة، على الرغم من أن بحوث بيكريل وماري كوري في النشاط الإشعاعي سبقت ذلك. ويجب أن ينتظر تفسير مصدر طاقة النشاط الإشعاعي حتى يتم اكتشاف أن النواة نفسها تتألف من مكونات أصغر، أي النيوكليونات .
اكتشاف فريق رذرفورد للنواة
في عام 1906، نشر إرنست روثرفورد “تأخر جسيمات الألفا في المرور عبر المادة الراديوم”، وقام هانز غايغر بتوسيع هذا العمل في اتصال بالمجتمع الملكي من خلال تجاربه على مرور جسيمات الألفا عبر الهواء ورقائق الألومنيوم وورقة الذهب، وتم نشر المزيد من العمل في عام 1909 من قبل جيجر وإرنست مارسدن، وتم توسيع هذا العمل بشكل كبير في عام 1910 بواسطة جيجر، وفي عام 1911-1919، قدم روثرفورد شرحا للتجارب وعرض نظرية النواة الذرية الجديدة كما نفهمها الآن في أمام الجمعية الملكية .
الفيزياء النووية الحديثة
يمكن أن تحتوي النواة الثقيلة على عدة مئات من النوى، وبالتالي يمكن معاملتها بشكل كلاسيكي تقريبا بدلا من التعامل معها كنظام ميكانيكي كمومي. وفي نموذج إسقاط السائل، تمتلك النواة طاقة تحدث جزئيا بسبب التوتر السطحي وجزئيا بسبب التنافر الكهربائي بين البروتونات. ويمكن لنموذج إسقاط السائل أن يولد العديد من الخصائص النووية، بما في ذلك الاتجاه العام لطاقة الربط بالنسبة لعدد الكتلة، بالإضافة إلى ظاهرة الانشطار النووي. تم اقتراح نماذج أخرى للنواة، مثل نموذج البوزون المتفاعل، حيث تتفاعل أزواج من النيوترونات والبروتونات كالبوزونات، بشكل مماثل لأزواج كوبر من الإلكترونات. تحاول الطرق الأولية حل مشكلة النواة المتعددة الأجسام بالتفصيل، بدءا من النيوكليونات وتفاعلاتها .
الاضمحلال النووي
تحتوي العناصر الثمانون على نظير ثابت واحد على الأقل لا يلاحظ أبدا عندما يتحلل، أي ما مجموعه 254 نظيرا مستقرا، ومع ذلك فقد وصفت آلاف النظائر بأنها غير مستقرة، وتتحلل هذه “النظائر المشعة” عبر مقاييس زمنية تتراوح من كسور من ثانية إلى تريليونات من السنين، وتوضح طاقة الربط الخاصة بالنويدات كدالة للأرقام الذرية والنيترونية ما يعرف بوادي الاستقرار، وتقع النيوكليدات المستقرة على طول قاع وادي الطاقة هذا، في حين أن النيوكليدات غير المستقرة بشكل متزايد تكمن في جدران الوادي أي أنها تحتوي على طاقة ربط أضعف .