Jadrová fyzika

Jadrová fyzika alebo nukleárna fyzika (z lat. nucleus = jadro) je časť fyziky zaoberajúca sa javmi v jadre atómu.

Jadrová fyzika pozostáva z teoretickej a experimentálnej časti. Predmetom skúmania jadrovej fyziky je jadro atómu, jeho štruktúra ako aj reakcie medzi jadrami.

Popis jadrových reakcií sa robí prostredníctvom účinného prierezu. Účinný prierez predstavuje pravdepodobnosť reakcie častice s určitou energiou a jadra.

Stavebné prvky jadra

Jadro atómu pozostáva z nukleónov. Medzi nukleóny patrí protón a neutrón. Počet protónov v jadre vyjadruje protónove číslo Z. Počet všetkých nukleónov v jadre predstavuje nukleónové číslo A. Rozdiel nukleónového čísla A a protónového čísla Z, predstavuje počet neutrónov N v jadre. A=Z+N. Zvyčajne prevyšuje počet neutrónov ako počet protónov v jadre. Zvlášť viditeľný je tento rozdiel pri jadrách vyšších Z.

Atómová hmotnosť

Atómová hmotnosť je určená počtom nukleónov.

Izotopy

Izotopy sú atómy rovnakého protónového čísla ale rôznej atómovej hmotnosti.

Experimenty

Experimenty v jadrovej fyzike alebo fyzike elementárnych častíc až na malé množstvo výnimiek využívajú urýchľovače častíc. Vývoj a konštrukcia urýchľovačov s čoraz väčšou energiou a intenzitou urýchľovaného zväzku častíc umožňuje objavenie nových elementárnych častíc. Experimenty v jadrovej fyzike možno rozdeliť na rozptylové a spektroskopické.

Rozptylové experimenty

V rozptylových experimentoch je urýchlený zväzok častíc so známou energiou a hybnosťou nasmerovaný k objektu, ktorý chceme študovať (terčík). Častice zväzku pri zrážke interagujú s časticami terčíka. Z kvantitatívnych kinematických rozdielov spôsobených procesom môžeme spoznať vlastnosti terčíka aj interakcií ktoré prebehli.

Uvážme príklad elastického elektrónového rozptylu, ktorý sa osvedčil ako spoľahlivá metóda pre meranie polomerov v jadrovej fyzike. Štruktúra terčíka sa stáva viditeľnou vďaka difrakcii len za predpokladu, že de Broglieho vlnová dĺžka λ = h/p elektrónu je porovnateľná s veľkosťou terčíka. Výsledný difrakčný obrazec rozptýlených častíc nám hovorí o veľkosti jadra.

Pre určenie veľkosti atómu nám postačuje Röntgenové žiarenie s energiou ~ 10⁴ eV. Polomery jadier sú merané elektrónovými zväzkami energie ~ 10⁸ eV, pre polomery protónov energie ~ 10⁸ až 10⁹ eV. Napriek dnešnej dosahovanej energii elektrónových zväzkov až ~ 5.10¹⁰ eV a protónom s energiami ~ 10¹² eV, nie je možné sledovať subštruktúru kvarkov alebo leptónov.

Spektroskopia

Pojem spektroskopia sa používa pre popis experimentov, ktoré skúmajú rozpadové produkty excitovaných stavov. Týmto spôsobom je možné študovať vlastnosti excitovaných stavov a taktiež aj interkacie medzi komponentmi. Excitačné energie systému narastajú s jeho klesajúcim rozmerom. Pre produkciu týchto excitovaných stavov sú potrebné častice vysokých energií. Rozptylové experimenty pre určenie veľkosti systému a produkcia excitovaných stavov vyžadujú podobne veľké energie zväzkov.