Bu fizik dalı, atom çekirdeğinin yapısı ve kararsız çekirdeklerden gelen radyasyonla nükleer fizik ilgilenir. Atomdan yaklaşık 10.000 kat daha küçük , çekirdeği oluşturan parçacıklar, protonlar ve nötronlar, nükleer kuvvetler tarafından birbirlerini o kadar güçlü bir şekilde çekerler ki, nükleer enerjiler tipik atomik enerjilerden yaklaşık 1.000.000 kat daha büyüktür. Nükleer yapıyı anlamak için kuantum teorisi gereklidir.
Uyarılmış atomlar gibi, kararsız radyoaktif çekirdekler (doğal olarak oluşan veya yapay olarak üretilmiş) elektromanyetik radyasyon yayabilir . Enerjik nükleer fotonlara gama ışınları denir. Radyoaktif çekirdekler ayrıca diğerparçacıklar : nötrinoların eşlik ettiği negatif ve pozitif elektronlar (beta ışınları) ve helyum çekirdekleri (alfa ışınları).
Nükleer fiziğin başlıca araştırma aracı, nükleer hedeflere karşı mermiler olarak yönlendirilen parçacık demetlerinin (örneğin, protonlar veya elektronlar) kullanımını içerir. Geri tepen parçacıklar ve ortaya çıkan nükleer parçalar tespit edilir ve nükleer yapının ayrıntılarını ortaya çıkarmak ve güçlü kuvvet hakkında daha fazla bilgi edinmek için yönleri ve enerjileri analiz edilir . Zayıf etkileşim denilen çok daha zayıf bir nükleer kuvvet , beta ışınlarının yayılmasından sorumludur. Nükleer çarpışma deneyleri, mezon adı verilen kararsız parçacıklarınkiler de dahil olmak üzere daha yüksek enerjili parçacıkların kirişlerini kullanır.mezon fabrikaları olarak adlandırılan hızlandırıcılardaki birincil nükleer çarpışmalar tarafından üretilir. Protonlar ve nötronlar arasındaki mezon değişimi, güçlü kuvvetten doğrudan sorumludur. (Mezonların altında yatan mekanizma için, aşağıdaki Temel kuvvetler ve alanlar bölümüne bakınız .)
Radyoaktivitede ve nükleer parçalanmaya yol açan çarpışmalarda, nükleer yükte bir değişiklik olduğunda nükleer hedefin kimyasal kimliği değişir . Kararsız çekirdeklerin sırasıyla daha küçük çekirdeklere ayrıldığı veya daha büyük çekirdekler halinde birleştirildiği fisyon ve füzyon nükleer reaksiyonlarında , enerji salınımı herhangi bir kimyasal reaksiyonunkinden çok daha fazladır .
Parçacık fiziği
Çağdaş fiziğin en önemli dallarından biri, maddenin temel atom altı bileşenlerinin , temel parçacıkların incelenmesidir. Yüksek enerji fiziği olarak da adlandırılan bu alan, 1930’larda nükleer ve kozmik ışın fiziğinin gelişen deneysel alanlarından ortaya çıktı. Başlangıçta araştırmacılar , Dünya’ya düşen ve atmosferde etkileşime giren çok yüksek enerjili dünya dışı radyasyonlar olan kozmik ışınları incelediler ( aşağıya bakınız Fizik metodolojisi ). Ancak, II. Dünya Savaşı’ndan sonra bilim adamları , çalışma için atom altı parçacıkları sağlamak için yavaş yavaş yüksek enerjili parçacık hızlandırıcıları kullanmaya başladılar. kuantum alan teorisi QED’nin diğer kuvvet alanları türlerine genelleştirilmesi, yüksek enerji fiziğinin analizi için esastır. Atom altı parçacıklar , klasik bakış açısından çelişkili görünen özelliklere sahip olduklarından, bilardo topları gibi sıradan maddi nesnelerin küçük analogları olarak görselleştirilemezler . Başka bir deyişle, yük, dönüş, kütle, manyetizma ve diğer karmaşık özelliklere sahip olmalarına rağmen, yine de noktasal olarak kabul edilirler.
20. yüzyılın ikinci yarısında, iki tür atom altı parçacık içeren maddenin altta yatan katmanlarına ilişkin tutarlı bir tablo gelişti:fermiyonlar ( baryonlar veleptonlar ) tek yarı tam açısal momentuma ( spin 1 / 2 , 3 / 2 ) sahip olan ve sıradan maddeyi oluşturan; veintegral dönüşleri olan ve fiziğin temel kuvvetlerine aracılık eden bozonlar ( gluonlar , mezonlar ve fotonlar ) . Leptonlar (örneğin elektronlar , müonlar , taus ), gluonlar ve fotonların gerçekten temel parçacıklar olduğuna inanılmaktadır.Toplu olarak hadronlar olarak bilinen baryonlar (örneğin nötronlar , protonlar ) ve mezonlar (örneğin pionlar , kaonlar) olarak bilinen bölünmez elementlerden oluştuklarına inanılmaktadır.hiç izole edilmemiş kuarklar .
Kuarklar altı türde veya “tatlarda” bulunur ve karşıt- karşıt parçacıklar olarak bilinen, karşıt parçacıklara sahiptir. Kuarklar, elektron yükünün pozitif üçte ikisi veya negatif üçte biri olan yüklere sahipken, antikuarklar zıt yüklere sahiptir. Kuarklar gibi, her lepton , eşininkileri yansıtan özelliklere sahip bir karşıparçacığa sahiptir (negatif yüklü elektronun antiparçacığı , pozitif elektron veya pozitrondur ; nötrinonunki , antinötrinodur). Kuarklar, elektrik ve manyetik özelliklerine ek olarak, hem güçlü kuvvete (onları birbirine bağlayan) hem de zayıf kuvvet (belirli radyoaktivite biçimlerinin temelini oluşturur ), leptonlar ise yalnızca zayıf kuvvette yer alır.
Nötronlar ve protonlar gibi baryonlar, üç kuarkın bir araya gelmesiyle oluşur – bu nedenle baryonların yükü -1, 0 veya 1’dir.Atom çekirdeğinin içindeki güçlü kuvvete aracılık eden parçacıklar olan mezonlar , bir kuark ve bir antikuarktan oluşur; Bilinen tüm mezonların yükü -2, -1, 0, 1 veya 2’dir. Olası kuark kombinasyonlarının veya hadronların çoğu çok kısa ömürlüdür ve ekleri gözlemlenmiş olsa da birçoğu hiç görülmemiştir. her yeni nesil daha güçlü parçacık hızlandırıcılarla.