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.
Illustrasjon av fisjon av IgniX. CC BY SA 3.0
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.
Atomkjernens egenskaper er bestemt av vekselvirkninger mellom de partiklene som den er bygd opp av, protoner og nøytroner. Fellesbetegnelsen for disse partiklene er nukleoner.
Et atom karakteriseres ved det antall nøytroner og protoner det er sammensatt av. Atomer med et bestemt protontall Z, et bestemt nøytrontall N og dermed et bestemt nukleontall A=Z+N, kalles en nuklide.
Symbolet for en nuklide er \( {^{A}_{Z} X} \), der X er det kjemiske symbolet for vedkommende grunnstoff. For eksempel er \( {^{235}_{92} U} \) urannukliden med 235 nukleoner og 92 protoner. Den tomme plassen nederst til høyre er reservert for det tallet som angir hvor mange atomer det er i molekylet.
Siden A=Z+N utelates nøytrontallet N ofte i symbolet. Z er entydig bestemt når det kjemiske symbolet er kjent.
Eksempel: Karbonnukliden med 7 nøytroner og 6 protoner er tilstrekkelig karakterisert ved 13C, og den omtales som karbon-13-nukliden.
Illustrasjon av et atom bestående av elektroner samt atomkjerne. av Jacob Linder. CC BY SA 3.0
For å bryte en kjerne opp i enkelte nukleoner, må man tilføre den en energimengde EB, som kalles bindingsenergi. Atomkjernens masse, M, er litt mindre enn summen av massene til de nukleoner den er bygd opp av.
Masseforskjellen ΔM mellom summen av nukleonmassene og massen til atomkjernen kan beregnes via formelen ΔM = Z · mp + N · mn− M. Her er mp protonets og mn nøytronets masse, og ΔM kalles massedefekt eller massesvinn. I overensstemmelse med Einsteins ligning er EB = ΔM · c2, hvor c er lyshastigheten.
Som regel angir man ikke massen av en atomkjerne, men av det nøytrale atomet. Denne størrelsen kalles nuklidemassen. Elektronenes masse utgjør vanligvis bare 0,2–0,3 promille av nuklidemassen.
Nuklidemasser angis oftest i atommasseenheter. Denne enheten, som betegnes med u, er definert som 1/12 av massen til et atom av 12C-nukliden. Den er 1,66057 · 10−27 kg.
Angitt i enheter av u er nuklidemassen meget nær lik nukleontallet A, som derfor også kalles massetallet.
Kjernens størrelse angis ved en kjerneradius, som kan oppfattes som radius i en kule som nukleonene stort sett holder seg innenfor. Kjernens volum øker proporsjonalt med A.
Kjerneradien kan tilnærmet angis som r = r0 · A1/3, hvor r0 er mellom 1,2 og 1,4 fm (femtometer = 10−15 m). Den varierer noe fra nuklide til nuklide og avhenger av hvilke målemetoder man bruker for å bestemme den, og av hvordan den mer nøyaktig defineres.
Kjerneradien er mellom 1/10000 og 1/100000 av atomradien. Siden praktisk talt hele atomets masse er konsentrert i kjernen, blir tettheten meget stor, vel 1014 ganger vannets, eller over 100 000 tonn per mm3.
Hyperfinstruktur i atomspektra viser at det i noen atomer er en magnetisk vekselvirkning mellom kjerne og elektroner. Dette forklares ved å tillegge kjernen et magnetisk moment som enten oppstår ved at kjernen som helhet roterer eller ved at nukleonene har en ordnet bevegelse inne i kjernen. I begge tilfeller må man tillegge kjernen et spinn eller en egenrotasjon.
Illustrasjon av betastråler samt beta-henfall. av Jacob Linder. CC BY SA 3.0
Kjennskap til kjernens oppbygning får man ved å studere hvordan masse eller bindingsenergi, radius og spinn varierer med N og Z, ved å studere radioaktive prosesser (alfa-, beta- og gammastråling) og kjernereaksjoner.
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.
Symbolsk skrives dette a + A → B + b eller kortere A(a,b)B. Partikkel a og b kan være et nukleon, et deuteron, en alfapartikkel, en tyngre kjerne, et gammakvant eller et elektron. Kjernen B kan være forskjellig fra A, eller samme kjerne i en annen energitilstand.
Iblant kan det i en reaksjon sendes ut flere partikler, A(a,b1,b2)B. Reaksjonen beskrives ved et virkningstverrsnitt, som angir sannsynligheten for at reaksjonen skal finne sted.
Ved å studere forandringer i virkningstverrsnitt som funksjon av energien til den innkommende partikkel, ved å undersøke i hvilke retninger partiklene fortrinnsvis sendes ut, og ved å sammenligne forskjellige reaksjoner, kan man få opplysninger om strukturen til de kjernene som er med i reaksjonen.
Teoretisk forsøker man i kjernestrukturforskningen dels å beskrive kjernenes oppbygning ut fra det kjennskap man har til vekselvirkningen mellom nukleonene og de generelle symmetriprinsipper som gjelder innen fysikken, dels går man motsatt vei og prøver fra de opplysningene man har om strukturen, å slutte seg til grunnleggende prinsipper som man ennå ikke fullt ut kjenner.
Siden kjernene er for små til å bli iakttatt direkte, har man for en stor del benyttet seg av modeller eller bilder fra andre deler av fysikken for å få en brukbar beskrivelse. Av de modellene som har hatt størst betydning, er Niels Bohrs dråpemodell, som han blant annet brukte for å forklare fisjonsprosessen, og som senere er utviklet videre av hans sønn Aage Bohr og andre. I denne modellen tenker man seg at nukleonene beveger seg i kjernen omtrent på samme måte som molekylene i en væskedråpe, og man finner en rekke trekk ved kjernen som minner om kollektive egenskaper av molekylene i væskedråpen, for eksempel overflatespenning og overflatevibrasjoner. Modellen danner utgangspunkt for rotasjonsmodellen, der væskedråpen har prolat (sigarformet) eller oblat (diskosformet) overflate og kan rotere om en akse vinkelrett på symmetriaksen. I dag har forskerne klart å sette slike kjerner i voldsom rotasjon, slik at kjernen får et spinn på 60–70 ℏ. Den hurtige rotasjonen gjør at kjernen blir sterkt prolat ved de høyeste spinnene; dette kalles superdeformasjon.
En annen modell er skallmodellen, som er dannet etter eksempel fra atomfysikken, der elektronene beveger seg i skall omkring kjernen. Man forestiller seg at nukleonene på tilsvarende måte beveger seg i bestemte skall inne i kjernen. I atomfysikken forklarer man blant annet edelgassenes meget stabile egenskaper ved at elektronene der utgjør lukkede eller fylte skall. På samme måte kan man i kjernefysikken forklare de såkalte magiske tallene 2, 8, 20, 28, 50, 82 og 126. Kjerner med et slikt antall nøytroner eller protoner viser seg spesielt stabile og forekommer hyppigere enn andre kjerner, og man antar at dette skyldes at det tilsvarende nukleonskallet er fullt eller lukket. Disse modellene er etter hvert utviklet videre, og man har oppnådd å komme frem mot en enhetlig teori for kjernens struktur. Etter hvert som den teoretiske beskrivelsen blir bedre, øker behovet for nøyaktigere målinger slik at teorien kan etterprøves. En videre utvikling av den teoretiske behandlingen forutsetter derfor at også det eksperimentelle grunnlaget utvides.
Kunnskap om atomkjernenes oppbygging har bidratt vesentlig til forståelsen av hvorledes vårt univers er blitt til og har utviklet seg, og har bidratt til dypere forståelse av mange områder av fysikken. Selv om mange av kjernenes grunnleggende egenskaper etter hvert er blitt kjent, omfattes den videre utforskningen med betydelig interesse. Dette henger blant annet sammen med at kjernen som regel opptrer som et isolert system, hvor man kan ha full kontroll over de påvirkninger den utsettes for i et eksperiment. I de fleste andre fysiske systemer kan ukontrollerte påvirkninger fra omgivelsene ofte gjøre det vanskelig å tolke eksperimentene riktig. Ved å studere atomkjernen kan man få kjennskap til grunnleggende fysiske lover som det ellers er vanskelig å oppdage.
Utforskningen av atomkjernen har hatt stor praktisk betydning. Viktigst er uten tvil at den har gjort en ny energikilde av enorm størrelse tilgjengelig for menneskene. Dessuten har anvendelse av radioaktive stoffer hatt stor betydning innen medisin og teknikk, og for forskning innen mange områder.
Fermi National Accelerator Laboratory. av Fermilab, Reidar Hahn. Public domain
Kjernefysikk ble tidligere ansett som en del av atomfysikken, men betraktes i moderne forskning oftest som et separat område. 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.
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.
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, F. og I. 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. Den ble i 1942 flyttet til Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo og gav grunnlag 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.
Superledende magneter. av Patrick Dep. 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 (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 s. 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.
| År | Hendelse |
|---|---|
| 1896 | A. H. Becquerel oppdager radioaktivitet |
| 1898 | M. Curie isolerer radium |
| 1903 | E. Rutherford og F. Soddy viser at utsendelse av radioaktiv stråling leder til grunnstoffomdanning |
| 1911 | E. Rutherford forklarer spredningseksperiment utført av H. Geiger og E. Marsden ved å anta at atomet har en tung kjerne |
| 1913 | N. Bohr fremsetter en atomteori som bygger på hypotesen om atomkjernen |
| 1919 | E. Rutherford frembringer den første kunstige kjernereaksjon |
| 1928 | H. Geiger og W. Müller finner opp Geiger-Müller-telleren |
| 1930 | J. D. Cockcroft og E. T. S. Walton frembringer den første reaksjon med kunstig akselererte partikler |
| 1931 | R. J. Van de Graaff bygger sin første elektrostatiske generator |
| 1932 | E. O. Lawrence og M. S. Livingston får syklotronen til å fungere. J. Chadwick oppdager nøytronet |
| 1934 | F. og I. Joliot-Curie oppdager kunstig radioaktivitet |
| 1935 | H. Yukawa fremsetter en teori for kjernekrefter og postulerer eksistensen av mesoner |
| 1936 | H. A. Bethe fremsetter en teori for fusjon som energikilde i stjernene |
| 1937 | I. I. Rabi foretar nøyaktige målinger av kjernens magnetiske moment |
| 1939 | O. Hahn og F. Strassmann oppdager fisjon. N. Bohr og J. A. Wheeler forklarer fisjon ved hjelp av dråpemodell |
| 1942 | E. Fermi får den første kjernereaktor til å fungere |
| 1947 | C. F. Powell oppdager mesonet |
| 1949 | M. G. Mayer og J. H. D. Jensen fremsetter skallmodellteorien |
| 1953 | Aa. Bohr og B. R. Mottelson forklarer en rekke av kjernens egenskaper ved kollektivmodellen, en modifisert dråpemodell |
| 1958 | R. Mössbauer måler relative hastigheter med høy presisjon, målingene dannet grunnlag for mössbauerspektroskopien |
| 1959 | S. T. Beljaev anvender modell for superleding på atomkjernen |
| 1971 | A. Johnson og samarbeidspartnere finner rotasjonsbånd som krysser hverandre (backbending) i atomkjernen 160Dy |
| 1975 | A. Arima og F. Iachello innfører vekselvirkende bosonmodeller |
| 1986 | P. Twin og samarbeidspartnere oppdager rotasjonsbånd med spinn opptil I = 60 h i atomkjernen 152Dy. Dette er første bevis på atatomkjerner kan ha en langstrakt sigarformet overflate, såkalt superdeformasjon |
| 1996 | S. 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. |
Illustrasjon av produksjon av supertunge grunnstoffer. av U.S. Department of Energy. Public domain
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 er her 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.
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 Teknisk Museum. 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 i 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), Trento, Italia.
.jpg){kind=link}
Kommentarer
Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?
Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.
Du må være logget inn for å kommentere.