kjernefysikk

Et atom består av elektroner i tillatte energitilstander (elektronskall) samt atomkjernen. Kjernen består i sin tur av protoner og nøytroner.
Illustrasjon av et atom bestående av elektroner samt atomkjerne.
Lisens: CC BY SA 3.0
Et eksempel på en kjernereaksjon er når en atomkjerne sender ut betastråling (elektroner) via beta-henfall. Sistnevnte kan oppstå ved at et nøytron henfaller til et proton, et elektron samt et nøytrino (strengt tatt et anti-nøytrino).
Illustrasjon av betastråler samt beta-henfall.
Lisens: CC BY SA 3.0

Kunstnerisk illustrasjon av kjernefisjon: i denne prosessen spaltes en atomkjerne til to mindre kjerner og frigjør samtidig store mengder energi. Per 2018 tilfører kjernefysisk energi omtrent 10 prosent av verdens elektrisitetsforbruk.

Artikkelstart

Kjernefysikk er den delen av fysikken som tar for seg atomkjernenes struktur og reaksjoner med atomkjerner. Kjernefysikk har ført til viktige anvendelser i form av energikilder, og dessuten til nyvinninger innen medisin og teknikk ved bruk av radioaktive stoffer.

Historikk

Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Illinois, USA var den kraftigste partikkelakseleratoren i verden frem til 2008. Anlegget er fremdeles aktivt per 2018.

Kjernefysikk ble tidligere ansett som en del av atomfysikken, men betraktes i moderne forskning oftest som et separat område hvor man konsentrerer seg om atomkjernen, og ikke elektronene i atomet. Atomfysikk og kjernefysikk er likevel sterkt knyttet til hverandre, siden en atomkjerne vekselvirker med elektronene i et atom.

Undersøkelser av vekselvirkninger mellom nukleonene ved så høy energi at de ikke lenger holdes sammen i kjerner, har ført til oppdagelse av en rekke nye partikler, som mesoner og hyperoner. Også studiet av disse fenomenene ble opprinnelig regnet som en del av kjernefysikken, høyenergi-kjernefysikk, men det regnes nå som et eget fagområde innen fysikken, elementærpartikkelfysikk.

Sentrale begivenheter

I tabellen er det gitt en oversikt over viktige oppdagelser innen kjernefysikken. Som regel regner man at kjernefysikken begynte med Ernest Rutherfords hypotese om atomkjernen fra 1911, og Rutherford betegnes ofte som kjernefysikkens far. Hans laboratorium i Manchester og senere (fra 1919) i Cambridge var til hans død 1937 et hovedsenter for kjernefysisk forskning.

År Hendelse
1896 Antoine Henri Becquerel oppdager radioaktivitet.
1898 Marie Curie isolerer radium.
1903 Ernest Rutherford og Frederick Soddy viser at utsendelse av radioaktiv stråling leder til grunnstoffomdanning.
1911 Ernest Rutherford forklarer spredningseksperiment utført av Hans Geiger og Ernest Marsden ved å anta at atomet har en tung kjerne.
1913 Niels Bohr fremsetter en atomteori som bygger på hypotesen om atomkjernen.
1919 Ernest Rutherford frembringer den første kunstige kjernereaksjonen.
1928 Hans Geiger og Walther Müller finner opp Geiger-Müller-telleren.
1930 John Douglas Cockcroft og Ernest Thomas Sinton Walton frembringer den første reaksjonen med kunstig akselererte partikler.
1931 Robert Jemison Van de Graaff bygger sin første elektrostatiske generator.
1932 Ernest Lawrence og Milton Stanley Livingston får syklotronen til å fungere. James Chadwick oppdager nøytronet.
1934 Jean Frédéric og Irène Joliot-Curie oppdager kunstig radioaktivitet.
1935 Hideki Yukawa fremsetter en teori for kjernekrefter og postulerer eksistensen av mesoner.
1936 Hans Bethe fremsetter en teori for fusjon som energikilde i stjernene.
1937 Isidor Isaac Rabi foretar nøyaktige målinger av atomkjernens magnetiske moment.
1939 Otto Hahn og Fritz Strassmann oppdager fisjon. Niels Bohr og John Archibald Wheeler forklarer fisjon ved hjelp av dråpemodell.
1942 Enrico Fermi får den første kjernereaktoren til å fungere.
1947 Cecil Frank Powell oppdager mesonet.
1949 Maria Goeppert Mayer og Johannes Hans Daniel Jensen fremsetter skallmodellteorien.
1953 Aage Bohr og Ben Mottelson forklarer en rekke av kjernens egenskaper ved kollektivmodellen, en modifisert dråpemodell.
1958 Rudolf Mössbauer måler relative hastigheter med høy presisjon, målingene dannet grunnlag for mössbauerspektroskopien.
1959 Spartak T. Beljaev bruker en modell for superledning på atomkjernen.
1971 Arne Johnson og samarbeidspartnere finner rotasjonsbånd som krysser hverandre (backbending) i atomkjernen 160Dy.
1975 Akito Arima og Francesco Iachello innfører vekselvirkende bosonmodeller.
1986 Peter John Twin og samarbeidspartnere oppdager rotasjonsbånd med spinn opptil I=60 h i atomkjernen 152Dy. Dette er første bevis på at atomkjerner kan ha en langstrakt sigarformet overflate, såkalt superdeformasjon.
1996 Sigurd Hofmann og samarbeidspartnere produserer nukliden med atomnummer Z=112 og masse A=277 ved GSI, Darmstadt.
2004 Nye grunnstoffer med atomnummer Z=113 og Z=115 er rapportert produsert ved kjernefysikklaboratoriet JINR i Dubna, Russland.

For å foreta eksperimentelle undersøkelser av kjernereaksjoner benyttes akseleratorer for forskjellige partikkeltyper. Med akseleratorer skal man kunne kontrollere og variere energien av den innkommende partikkel innenfor det energiområde man måtte ønske. Utviklingen begynte omkring 1930 med oppfinnelsen av akseleratorer for protoner og lette ioner til en energi av størrelsen 1 MeV (megaelektronvolt).

Parallelt med utviklingen av akseleratorer fant også de største oppdagelsene innen kjernefysikk sted i 1930-årene. De viktigste sentrene var foruten Rutherfords laboratorium, Niels Bohrs Institut i København, Frédéric og Irène Joliot-Curies laboratorium i Paris, Enrico Fermis i Roma, Ernest O. Lawrences i Berkeley og Otto Hahns i Berlin, men ved de fleste universiteter ble det i denne tiden etablert grupper for kjernefysisk forskning. Norges første akselerator, en 0,5 MeV Van de Graaff-generator, ble bygd ved NTH av Johan Holtsmark og Roald Tangen i 1935. Den var på den tid Nord-Europas største. Generatoren ble i 1942 flyttet til Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo og la grunnlaget for utviklingen av kjernefysikken der.

Praktisk betydning fikk kjernefysikk først ved oppdagelsen av kunstig radioaktivitet i 1934. Bruken av radioaktive nuklider har fått betydning som sporstoffer, «tracere», i teknikk, biologisk og medisinsk forskning, ved diagnostikk og som egnede strålekilder for terapi, spesielt ved behandling av kreftsykdommer. Ved oppdagelsen av fisjon ble en ny energikilde stilt til menneskenes disposisjon, og for å anvende denne er det utviklet en kjernefysisk teknologi, spesielt konsentrert om bygging av reaktorer og konstruksjon av kjernevåpen. Også i tilknytning til fusjonsprosessen er det en intens teknologisk forskning.

I 1930-årene ble de grunnleggende eksperimentene for forståelse av atomkjernenes struktur utført. I årene etter 1945 har man innen den eksperimentelle kjernefysikk dels søkt å gjennomføre detaljstudier av de enkelte nuklider, dels har man ved systematiske undersøkelser forsøkt å se hvordan bestemte egenskaper forandrer seg fra nuklide til nuklide. Kjernefysiske laboratorier med stadig større og mer velegnede akseleratorer er blitt bygd. Som viktige ledd i den tekniske utviklingen kan nevnes konstruksjon av en tandem Van de Graaff-generator og en sektorfokuserende syklotron, som begge ble utviklet omkring 1960.

I 1970-årene fikk man syklotroner med superledende magneter. De gir sterkere magnetfelt i akseleratoren og dermed mulighet for å oppnå høyere partikkelenergi. Et annet ledd i utviklingen var kombinasjon av flere akseleratorer; tandem Van de Graaff-akseleratorer og sektorfokuserende syklotroner, hvor tunge atomer i en lav ionisasjonstilstand akselereres til en moderat energi i den første akseleratoren. Så fjernes storparten av elektronene, og de sterkt ioniserte atomene akselereres til høy energi i den andre akseleratoren.

Målet for denne utviklingen, som i 1980-årene ble nådd i en del store laboratorier, var å gi selv de tyngste atomkjernene nok bevegelsesenergi til å overvinne den elektrostatiske frastøtningen slik at de kan komme så nær andre tunge kjerner at kjernekreftene trer i virksomhet mellom dem, og de eventuelt smelter sammen i en meget kort tid.

Instrumenter

Konstruksjon av superledende magneter ved J-PARC i Japan. Disse magnetene benyttes til å bøye av protonstråler.
Av .
Lisens: CC BY SA 2.0

Ved siden av utviklingen av akseleratorer har utviklingen av tellere hatt en avgjørende betydning for den eksperimentelle kjernefysikken. Oppfinnelsen av Geiger–Müller-telleren i 1929 kom omtrent samtidig med de første akseleratorene. Det var et enkelt og billig måleinstrument, som fremdeles blir benyttet mye. Utviklingen av energifølsomme tellere og strålingsspektrometre begynte med oppdagelsen av scintillasjonstelleren omkring 1950. Siden har det funnet sted en utvikling både av denne og av halvledertellere med henblikk på større følsomhet, bedre energioppløsning og større hurtighet. Utviklingen av tellere har vært betinget av en tilsvarende utvikling innen elektronikk. Spesielt har hurtig koinsidensteknikk gjort det mulig å foreta samtidighetsmålinger eller måle tidsforskjeller på under 10–9 sekund. Derved kan man bestemme korte levetider og bestemme tidsrekkefølgen av kjerneprosesser.

Med moderne måleinstrumenter er det blitt lett å skaffe seg store mengder måleresultater i løpet av kort tid. For å samle opp, ta vare på og analysere dataene er det en betingelse å ha store datamaskiner lett tilgjengelig. Helt fra de første elektroniske datamaskinene kom i bruk, har det vært en nær sammenkobling mellom utviklingen av datamaskiner og utviklingen av kjernefysisk måleapparatur. Nye instrumenter og nye kjernefysiske problemer har skapt behov for nyutvikling innen datateknikk, og omvendt har nye typer datamaskiner gitt kjernefysikerne muligheter for å gi seg i kast med nye problemer.

Også for teoretisk kjernefysikk har utviklingen av datamaskinene vært av stor betydning. Ved hjelp av matematiske modeller etterprøves konsekvensen av små effekter, og resultatene sammenlignes med eksperimenter. Mens beregninger av systemer hvor flere enn to partikler inngår, tidligere var så tidkrevende at man ble nødt til å gjøre bruk av grove tilnærmelser, kan man nå med store datamaskiner gjennomføre nesten eksakte beregninger av systemer hvor et stort antall partikler er involvert. Slike beregninger viser innenfor hvilke områder og med hvilken tilnærmelse tidligere modellbetraktninger er gyldige.

Moderne forskningsområder

Ved å skape en kollisjon mellom to atomkjerner er det under bestemte omstendigheter mulig å skape en fusjon av kjernene til en supertung atomkjerne. Bildet viser en simulering av en kalsiumkjerne og en americiumkjerne like før de kolliderer.

Det pågår stor eksperimentell aktivitet for å produsere såkalte supertunge kjerner. Det er blitt påvist kjerner med protontall Z opptil 115 og nukleontall A opptil 288. Eksperimentene ble utført i 2004 ved Joint Institute of Nuclear Research (JINR) i Dubna, Russland, der forskerne bombarderte 243-americium-(243Am-)atomer med en stråle av 48-kalsium-(48Ca-)ioner. Man har også klart å fremstille kjerner med Z lik 114, 116 og 118 og med A henholdsvis lik 285, 289, 293, men bevisene her er ikke så klare, ettersom kjernene ikke gir alfahenfall til tidligere kjente kjerner.

Undersøkelser av høyspinntilstander (tilstander som oppnås når to tunge kjerner støter sammen og settes i sterk rotasjon), og av reaksjoner som opptrer når tunge kjerner kolliderer, gir viktige opplysninger om kjernemateriens og kjernekreftenes natur. Det gir samtidig grunnlag for forståelse av beslektede, komplekse fenomener innen andre områder av fysikken.

Når kjernen eksiteres til høy indre energi, vil skalleffekter viskes bort og systemet blir mer av statistisk eller kaotisk natur. Her brukes modeller hentet fra faststoff-fysikken og kaosteorien. Selv høyt over grunntilstanden (10–20 MeV) er det funnet kollektive bevegelsesformer. Spesielt fremtrer såkalte kjemperesonanser som er en følge av kompresjoner eller oscillasjoner av kjernematerien. For eksempel kan man finne protoner og nøytroner som oscillerer i fase (isoskalar) eller i motfase (isovektor). Slike studier gir informasjon om kjernens form og kompressibiliteten av kjernematerien.

Det vil i fremtiden være tilgjengelig radioaktive partikkelstråler fra flere akseleratorer rundt om i verden. Dette vil åpne mulighetene for å studere ukjente kjerner langt fra stabilitetslinjen. Man ønsker her å studere gyldigheten av skallmodellen. Videre er det aktuelt å studere halo-kjerner, som har nøytroner i svakt bundne baner langt fra kjerneoverflaten, og kollektive resonanser.

I mellomenergi-kjernefysikk bringes noen hundre MeV eksitasjonsenergi inn i kjernen, slik at man kan studere dannelse og absorpsjon av elementærpartikler som pioner og kaoner. Man ser også på såkalt multifragmentering, der tunge kjerner sprenges i stykker slik at det dannes et helt spektrum av fragmenter fra kjernen. I høyenergi-kjernefysikk arbeides det med energier i området flere GeV. Ved de aller høyeste energiene vil det store trykket og temperaturen bevirke at nukleonene overlapper hverandre. Dette leder til et plasma som består av kvarker og gluoner, som er nukleonenes byggesteiner. Kvark–gluon-plasma har blitt observert på RHIC-akseleratoren i Brookhaven. Energier i TeV-området er tilgjengelige på LHC-akseleratoren i CERN som per 2018 er verdens største partikkelakselerator.

Kjernefysisk forskning i Norge

Den kjernefysiske forskningen i Norge var fra først av konsentrert omkring Van de Graaff-akseleratorene ved universitetene i Oslo og Bergen. Den 0,5 MeV-akseleratoren som i 1942 ble flyttet fra Trondheim til Oslo, ble i 1953 erstattet med en 3 MeV-akselerator og er nå på Norsk Teknisk Museum i Oslo. Men også 3 MeV-akseleratoren har etter hvert mistet sin betydning som kjernefysisk instrument. Den brukes nå for eksperimenter innen fysikalsk elektronikk.

Fra 1979 har Universitetet i Oslo en 35 MeV-syklotron for akselerasjon av protoner og alfapartikler. Ved Universitetet i Bergen var en 1,5 MeV-Van de Graaff-akselerator i bruk i 1940- og 1950-årene. Begge steder har forskningen innen kjernefysikk i de senere år foregått i samarbeid med utenlandske laboratorier. Spesielt har det vært et nært samarbeid med Niels Bohr Institutet i København, hvor norske fysikere lenge har deltatt i eksperimenter ved en 9 MeV-Van de Graaff-tandem-akselerator. Det er dessuten etablert et nært samarbeid med tungione-laboratorier i Darmstadt og Brookhaven, og med kjernefysikere og kjernekjemikere ved CERN.

Innen teoretisk kjernefysikk er et nordisk samarbeid organisert som et eget institutt, NORDITA, med sete i København og nær knyttet til Niels Bohr Institutet. Det er også et nært samarbeid med European Center for Theoretical Studies in Nuclear Physics and Related Areas (ECT) i Trento, Italia.

Anvendelser

Kjernefysikk har ført til viktige anvendelser innenfor flere områder. Innen arkeologi og geologi benyttes henfallet av atomkjerner i radiometrisk datering til å bestemme alderen til objekter og materialer. Ulike stoffer har en bestemt halveringstid, hvilket sier noe om hvor lang tid det tar før stoffet spaltes til et nytt stoff. Ved å måle andelen av opprinnelig stoff og spaltet stoff i et gitt objekt eller materiale, er det mulig å gi et godt estimat på hvor gammelt det er.

Innenfor medisin benyttes kjernefysikk til MR-undersøkelser, ved at atomkjernene i biologisk vev kan avgi et magnetisk signal som brukes til å visualisere den indre delen av kroppen. I motsetning til røntgen- og CT-undersøkelser, involverer MR-undersøkelser ikke ioniserende stråling, og betraktes derfor som en ikke-invaderende medisinsk prosedyre.

Kjernefysikk har også ført til utviklingen av kjernekraft og kjernefysiske våpen. Per 2022 eksisterer det over 400 kjernekraftverk i verden. Prinsippet bak et slikt kraftverk er at kjernefysiske reaksjoner skaper varme, som driver en generator og dermed produserer elektrisitet. Kjernekraftverk har svært lavt utslipp av CO 2 sammenliknet med bruk av fossilt brensel som energikilde.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer (2)

skrev Marte Holten Jørgensen

"En kjernereaksjon oppstår når man bombarderer en kjerne A med en partikkel a og denne enten overfører en del av sin energi til kjernen eller absorberes av kjernen, som derpå sender ut en ny partikkel, b, og derved går over til en ny slags kjerne, B."

Betyr dette at et henfall av et radioaktivt stoff ikke regnes som en kjernereaksjon? Blir ikke det litt snevert?

svarte Jacob Linder

Hei Marte,

godt poeng - jeg har nå skrevet om teksten for å presisere at kjernereaksjoner både kan være spontane (slik som radioaktivitet) eller induserte (som eksemplet gitt i teksten).

mvh

Jacob

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg