kjernefysikk

Kjernefysikk, den del av fysikken som behandler atomkjernenes struktur samt reaksjoner med atomkjerner. Kjernefysikk har ført til viktige anvendelser i form av energikilder samt nyvinninger innen medisin og teknikk ved bruk av radioaktive stoffer.

Kjernens egenskaper er bestemt av vekselvirkninger mellom de partiklene som den er bygd opp av, protoner og nøytroner, som med en fellesbetegnelse kalles 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 hvor X er det kjemiske symbolet for vedkommende grunnstoff. Den tomme plassen nederst til høyre er reservert for det tall 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. Eksempelvis kan karbonnukliden med 7 nøytroner og 6 protoner bli tilstrekkelig karakterisert ved ¹³C, og omtales som karbon-13-nukliden.

Nuklider av samme grunnstoff, altså med samme Z, men forskjellig N, kalles isotoper av vedkommende grunnstoff. Nuklider med samme N, men forskjellig Z, kalles isotoner, og nuklider med samme A, men forskjellig Z og N kalles isobarer.

For å bryte en kjerne opp i enkelte nukleoner, må man tilføre den en energimengde B, som kalles bindingsenergi. Atomkjernens masse, M, er litt mindre enn summen av massene til de nukleoner den er bygd opp av.

Masseforskjellen ΔM = Z · m_p + N · m_n− M. Her er m_p protonets og m_n nøytronets masse, og ΔM kalles massedefekt eller massesvinn. I overensstemmelse med Einsteins ligning er B = 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 ‰ av nuklidemassen.

Nuklidemasser angis oftest i atomære masseenheter. Denne enheten, som betegnes med u, er definert som ¹/₁₂ av massen til et atom av ¹²C-nukliden og er 1,66057 · 10⁻²⁷ kg.

Angitt i enheter av u er nuklidemassen meget nær lik nukleontallet A, som derfor også kalles massetallet.

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 bl.a. brukte for å forklare fisjonsprosessen, og som senere er utviklet videre av hans sønn Aage Bohr o.a. 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, f.eks. 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, såkalt superdeformasjon.

En annen modell er skallmodellen, som er dannet etter forbilde 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 bl.a. 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.

Kjernefysikk var 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 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 E. 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 (Van de Graaff-akselerator, syklotron).

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, E. Fermis i Roma,  E. O. Lawrences i Berkeley og O. 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 J. Holtsmark og R. Tangen 1935. Den var på den tid Nord-Europas største. Den ble 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. Se fisjon, fusjon, kjerneenergi, kjernevåpen, reaktor.

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.

Det pågår stor eksperimentell aktivitet for å produsere såkalte supertunge kjerner. I de siste oppdagelsene er det 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 etter som kjernene ikke gir alfahenfall til tidligere kjente kjerner.

Undersøkelser av høyspinntilstander (dvs. tilstander som oppnås når to tunge kjerner støter sammen og settes i sterk rotasjon), og av reaksjoner som opptrer når tunge kjerner kolliderer, gir nye viktige opplysninger om kjernemateriens og kjernekreftenes natur og 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 vil bli tilgjengelige på LHC-akseleratoren på CERN, som ventes å gjøre sine første tungione-målinger høsten 2010.

Den kjernefysiske forskning 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 Bohrs Institut 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 Bohrs Institut. Det er også et nært samarbeid med European Center for Theoretical Studies in Nuclear Physics and Related Areas (ECT), Trento, Italia.