פיזיקה גרעינית

פיזיקה גרעינית היא ענף בפיזיקה המודרנית העוסק בחקר גרעין האטום ותהליכי הגומלין המתרחשים בו.

היסטוריה

העובדה כי לאטומים יש מבנה פנימי התגלתה בשלהי המאה ה-19, עד אז התייחסו לאטומים כאל חלקיקים נקודתיים ללא מבנה פנימי ושאינם ניתנים לחלוקה. קיום מבנה פנימי באטומים אושש ניסיונית רק בתחילת המאה ה־20. גרעין האטום התגלה על ידי ארנסט רתרפורד בשנת 1911 באמצעות ניסוי מפורסם בו רתרפורד מדד את הפיזור של חלקיקי אלפא (שהם גרעיני הליום מיוננים) וגילה שהחלקיקים מפוזרים רק מאזור קטן של האטום. מכך הסיק רתפורד שהמטען החיובי של האטום מרוכז בגרעין קטן באמצעו ואילו המטען השלילי סובב סביבו. עד לפיתוח מודל האטום של בוהר סברו הפיזיקאים שהאטום הוא מעין "מערכת שמש" קטנה של אלקטרונים הסובבים סביב גרעין.

התקדמות גדולה בחקר האטום התרחשה בעקבות פיתוח תורת היחסות הפרטית ( והנוסחה המפורסמת E=mc²) ומכניקת הקוונטים. במסגרת מכניקת הקוונטים, נוסחו כללי אכלוס של האלקטרונים סביב האטום רק במספר בדיד של מסלולים מותרים סביב האטום ברמות אנרגיה שונות (שמספרן הוא בן מנייה).

עד היום, על אף מאמצים גדולים שהושקעו והתקדמות רבה שהושגה בהבנת גרעין האטום, אין בידנו הבנה מלאה של הגרעין. הסיבה לכך היא שמלבד הגרעינים הקלים ביותר הגרעין הוא מערכת רב גופית ולכן איננו ניתן לפתרון אנליטי. יתרה מכך, מדובר במערכת רב גופית קוונטית ועל כן לא ניתן לפתור את הבעיה הרב גופית עבור גרעינים כבדים יותר מגרעין ההליום באופן נומרי בעזרת כח החישוב הקיים היום. (זאת בניגוד למצב בקוסמולוגיה, למשל, שם פותרים את הבעיה הרב גופית הקלאסית בעזרת סימולצית מחשב). כמו כן, אין עדיין תיאור שלם של הכוחות הפועלים בתוך הגרעין, אם כי ישנה התקדמות רבה בנושא זה.

מושגי יסוד

גרעין האטום

ערך מורחב – גרעין האטום

כל גרעין אטום מכיל שני סוגים של חלקיקים:

1. פרוטון: חלקיק בגרעין הטעון ביחידת מטען אלקטרון חיובית אחת (שוות ערך ל - -19^10*1.602 קולון). הפרוטון משתייך למשפחת הבאריונים. מסתו היא: 1.00728 ימ"א והיא גדולה בערך פי 1836 ממסת האלקטרון. המספר האטומי של יסוד מציין את מספר הפרוטונים בגרעין והוא מהווה הבדל בין היסודות. המדענים מעריכים כי משך חייו של הפרוטון הוא אינסופי אולם נושא זה עודנו שנוי במחלוקת.
2. נייטרון: חלקיק בגרעין שאינו נושא מטען. הנייטרון כבד במקצת מהפרוטון (1.00867 ימ"א). הנייטרון יציב כל עוד הוא נמצא בתוך גרעין האטום. ברגע שהנייטרון נמצא מחוץ לגרעין האטום הוא עובר תהליך של התפרקות בהשפעתו של הכוח הגרעיני החלש. תוצרי הפירוק הללו הם פרוטון, אלקטרון וחלקיק כמעט חסר מסה ומטען בשם אנטי-נייטרינו. לנייטרון יש זמן מחצית חיים של 889 שניות.

לכל הנאמר עד כה יש יוצא מן הכלל אחד: גרעין המימן, שהינו היסוד מספר 1 בטבלה המחזורית, מכיל אך ורק פרוטון אחד ואין בו נייטרונים. ברם, למימן ישנם שני איזוטופים (אטומים הזהים לו במספר האטומי אך שונים במספר המסה): דאוטריום שגרעינו מכיל פרוטון אחד ונייטרון אחד, וטריטיום שגרעינו מכיל פרוטון אחד ושני נייטרונים.

כוחות הפועלים בגרעין האטום

בפיזיקה הגרעינית מתארים את כל הכוחות כתוצאה של ארבעה כוחות יסודיים:

1. הכוח הגרעיני החזק: כוח זה פועל על חלקיקים בשם האדרונים. עוצמתו גדולה פי 100 מזו של הכוח האלקטרומגנטי. טווח הפעולה של הכוח הגרעיני החזק (הקרוי בקיצור הכוח החזק) הוא בסדר הגודל של ‎10^-15‎ מטר. בפיזיקה הגרעינית נהוג לכנות מרחק זה בשם פרמי (fermi) על שם הפיזיקאי אנריקו פרמי. כוח זה הוא הכוח שמחבר ביחד את הפרוטונים והנייטרונים בגרעין האטום. קיימת תאוריה הטוענת כי הכוח החזק נובע מחילופים של חלקיקים תת-אטומיים, בשם גלואונים, בין קווארקים.
2. הכוח האלקטרומגנטי: הכוח השני בעוצמתו מבין ארבעת כוחות היסוד. הוא פועל בין כל שני חלקיקים נושאי מטען חשמלי. תורת האלקטרודינמיקה הקוונטית טוענת כי כוח זה נובע כתוצאה מחילופי פוטונים וירטואליים בין החלקיקים.
3. הכוח הגרעיני החלש: הכוח השלישי בעוצמתו מבין ארבעת כוחות היסוד. כוח זה אחראי לסוג של רדיואקטיביות, הקרוי קרינת בטא.
4. כוח הכבידה: הכוח החלש ביותר מבין ארבעת כוחות היסוד. הוא פועל בין כל החלקיקים בעלי המסה, אך זניח לחלוטין בגרעין האטום.

אינטראקציות גרעיניות

• רדיואקטיביות
• ביקוע גרעיני
• היתוך גרעיני

יישומים

• נשק גרעיני
  • פצצת אטום
  • פצצת מימן
• כור אטומי
• הסברת מנגנון הפקת האנרגיה של השמש וכוכבים אחרים.

ראו גם

• אטום
• מכניקת הקוונטים
• חלקיק אלמנטרי
• המודל הסטנדרטי

לקריאה נוספת

• דניאל אשרי, ‏פיסיקה גרעינית, סדרת אוניברסיטה משודרת, בהוצאת משרד הביטחון - ההוצאה לאור, 1989