परमाणु भौतिकी

This article is about the study of atomic nuclei. For other uses, see परमाणु भौतिकी (disambiguation).

परमाणु भौतिकी भौतिक विज्ञान का एक हिस्सा है जिसमें परमाणु के विभिन्न रूपों के अध्ययन के अलावा परमाणु नाभिक और उनके घटकों की विस्तारपपूर्वक चर्चा की जाती हैI

परमाणु भौतिकी अणु भौतिकी से अलग है इन्हें आपस में मिश्रित करके असमंजस उत्पन्न नहीं करना चाहिए. अणु भौतिकी के अध्ययन में इलेक्ट्रानो से सम्बंधित विषय पर ध्यान केंद्रित किया जाता हैI

परमाणु भौतिकी में विभिन्न क्षेत्रों में नयी तरह की खोज की जा चुकी हैंI इसमें परमाणु ऊर्जा, परमाणु हथियार, परमाणु चिकित्सा और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग, औद्योगिक और कृषि समस्थानिक, सामग्री इंजीनियरिंग में आयन आरोपण और भूविज्ञान और पुरातत्व में रेडियोकार्बन डेटिंग शामिल हैं। इन सभी क्षेत्रों से सम्बंधित अनुप्रयोगों का अध्ययन परमाणु इंजीनियरिंग के क्षेत्र में किया जाता है।

कण भौतिकी भी परमाणु भौतिकी से विकसित या उतपन्न हुआ एक विशेष क्षेत्र हैI कण भौतिकी परमाणु खगोल भौतिकी के लिए परमाणु भौतिकी का अनुप्रयोग, ग्रहों और सितारों के आंतरिक गतिविधयों और रासायनिक तत्वों की उत्पत्ति को समझाने में महत्वपूर्ण है।

इतिहास

File:Paul Nadar - Henri Becquerel.jpg

हेनरी बेकरेल

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1920 के दशक के बाद से, क्लाउड चैंबर्स ने कण डिटेक्टरों की एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाई और अंततः पॉज़िट्रॉन, म्यूऑन और काओन की खोज का नेतृत्व किया।

परमाणु भौतिकी का इतिहास1896 में हेनरी बेकरेल द्वारा रेडियोधर्मिता की खोज के साथ शुरू होता हैI परमाणु की खोज यूरेनियम लवण में फॉस्फोरस की जांच करते समय हुई थीI रेडियोधर्मिता की खोज के एक साल बाद जे. जे. थॉमसन द्वारा जब इलेक्ट्रान की खोज की गयी उस दौरान ही परमाणु की आतंरिक संरचना का पता चला थाI 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में जे. जे.थॉमसन का प्लम पुडिंग मॉडल परमाणु मॉडल के रूप में स्वीकार किया गया था जिसमें अणु को एक चार्ज की गयी गेंद के अंतर्गत खोजा गया थाI जो नकारात्मक चार्ज छोटे छोटे इलेक्ट्रान के रूप में मौजूद थेI

इस खोज के कुछ समय के अंतराल मैरी क्यूरी, पियरे क्यूरी, अर्नेस्ट रदरफोर्ड और अन्य द्वारा रेडियोधर्मिता की बड़े पैमाने पर जांच की गईI शताब्दी के रूपांतरण तक भौतिकविदों ने परमाणु से निकलने वाले तीन प्रकार के विकिरण की भी खोज की थी जिसे उन्होंने अल्फा, बीटा और गामा विकिरण नाम दिया था। 1911 में ओटो हैन द्वारा और 1914 में जेम्स चाडविक द्वारा परमाणु प्रयोगों में पाया गया कि बीटा क्षय स्पेक्ट्रम अनिरंतर के बजाय निरंतर था। अर्थात कहने का अर्थ यह है कि इलेक्ट्रॉनों को परमाणु से ऊर्जा की एक निरंतर सीमा के साथ बाहर निकाल दिया गया थाI जबकि गामा और अल्फा जैसी नाभिकीय ऊर्जाओं में ऊर्जा की मात्रा असीमित पायी गयी थी। यह उस समय परमाणु भौतिकी के लिए एक समस्या थी क्योंकि ऐसा लगता था कि इन गिरावट में ऊर्जा का संरक्षण नहीं किया गया था। ऊर्जा का संरक्षण उस समय परमाणु भौतिकी विज्ञान के लिए एक मुख्य समस्या थी I

नाभिकीय ऊर्जा से सम्बंधित भौतिक विज्ञान की बात करें तो 1903 में मैरी और पियरे क्यूरी को रेडियोधर्मिता में उनके शोध के लिए संयुक्त रूप से नोबल पुरस्कार प्रदान किया गया था। रसायन विज्ञान में रदरफोर्ड को 1908 में तत्वों के विघटन और रेडियोधर्मी पदार्थों की जांच के लिए नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। नाभिकीय ऊर्जा के क्षेत्र में 1905 में अल्बर्ट आइंस्टीन ने द्रव्यमान -ऊर्जा तुल्यता की व्यापक योजना तैयार की थीI

रदरफोर्ड नाभिक को पता चलता है

अर्नेस्ट रदरफोर्ड ने रेडियम पदार्थ के प्रवाह में से α कण की गति को मंद होते देखा जिसे उन्होंने अपनी थ्योरी में बताया थाI हंस गीगर ने रॉयल सोसाइटी से वार्ता के दौरान इस काम के विस्तार की व्याख्या कीI रदरफोर्ड ने हवा, एल्यूमीनियम पन्नी और सोने की पत्ती के माध्यम से अल्फा कणों को पारित किया था। इस थ्योरी पर अधिक काम 1909 में गीगर और अर्नेस्ट मार्सडेन द्वारा प्रकाशित किया गया थाI और 1910 में गीगर द्वारा इस थ्योरी को बड़े स्तर पर काफी विस्तार के साथ प्रकशित किया गया था I 1911-1912 में रदरफोर्ड ने रॉयल सोसाइटी के समक्ष प्रयोगों को समझाने और परमाणु नाभिक के नए सिद्धांत को प्रस्तावित करने के लिए योजना बनाईI

रदरफोर्ड ने नाभिकीय थ्योरी पर 1909 में एक प्रमुख प्रयोग किया था जिसका उच्च स्तरीय विश्लेषण मैनचेस्टर विश्वविद्यालय में मई 1911 में किया थाI अर्नेस्ट रदरफोर्ड के सहायक प्रोफेसर जोहानिस हंस गीगर और मार्सडेन ने उनके तत्वाधान में अल्फा पार्टिकल पर प्रयोग किया थाIएक गीगर-मार्सडेन प्रयोग किया | रदरफोर्ड ने अपनी टीम को निर्देश दिया कि वह कुछ ऐसी चीज़ों की तलाश करे जिसके प्रयोग को देखकर लोग चकित हो जाएं . इसके अंतर्गत कुछ नाभिकीय कणों को बड़े कोणों के माध्यम से पूरी तरह से पीछे की ओर बिखेर दिया गया थाI उन्होंने इसकी तुलना टिश्यू पेपर पर बुलेट चलाने और उसे ऊपर की और उछालने के रूप में की थीI 1911 में परमाणु नाभिकीय विश्लेषण के रूप में रदरफोर्ड मॉडल का नेतृत्व किया गयाI नाभिकीय थ्योरी का उदाहरण देते हुए इसे प्रस्तुत किया गयाI इस मॉडल में (जो आधुनिक नहीं है) नाइट्रोजन -14 में 14 प्रोटॉन और 7 इलेक्ट्रॉनों (21 कुल कणों) के साथ एक नाभिक शामिल था और नाभिक 7 अधिक परिक्रमा इलेक्ट्रॉनों से घिरा हुआ था।

एडिंगटन और तारकीय परमाणु संलयन

1920 के आसपास, आर्थर एडिंगटन ने सितारों में परमाणु संलयन प्रक्रियाओं की खोज और तंत्र का अनुमान लगाया, अपने पेपर में सितारों के आंतरिक संविधान में। उस समय, तारकीय ऊर्जा का स्रोत एक पूर्ण रहस्य था;एडिंगटन ने सही ढंग से अनुमान लगाया कि स्रोत हीलियम में हाइड्रोजन का संलयन था, आइंस्टीन के समीकरण द्रव्यमान -ऊर्जा समतुल्यता के अनुसार भारी ऊर्जा को मुक्त कर रहा था। ई = एमसी² ।यह उस समय के बाद से एक विशेष रूप से उल्लेखनीय विकास था, फ्यूजन और थर्मोन्यूक्लियर एनर्जी, और यहां तक कि सितारे काफी हद तक हाइड्रोजन से बने होते हैं (मेटैलिटी देखें), अभी तक खोज नहीं की गई थी।

परमाणु स्पिन का अध्ययन

रदरफोर्ड मॉडल ने 1929 में कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में फ्रेंको रसेट्टी द्वारा परमाणु स्पिन के अध्ययन तक परमाणु स्पिन के अध्ययन तक काफी अच्छा काम किया ±+1⁄2।नाइट्रोजन -14 के रदरफोर्ड मॉडल में, कुल 21 परमाणु कणों में से 20 को एक-दूसरे के स्पिन को रद्द करने के लिए जोड़ा जाना चाहिए था, और अंतिम विषम कण को एक शुद्ध स्पिन के साथ नाभिक को छोड़ देना चाहिए था 1⁄2।हालांकि, रसेटी ने खोजा कि नाइट्रोजन -14 में 1 की स्पिन थी।

=== जेम्स चाडविक न्यूट्रॉन === को पता चलता है

Main article: Discovery of the neutron

1932 में चाडविक ने महसूस किया कि वाल्थर बोथे, हर्बर्ट बेकर, इरेन जोलियोट-क्यूरी द्वारा देखे गए विकिरण। इरने और फ्रैडिक जोलियट-क्यूरी वास्तव में प्रोटॉन के रूप में एक ही द्रव्यमान के एक तटस्थ कण के कारण थे, कि उन्होंने न्यूट्रॉन को बुलाया (इस तरह के कण की आवश्यकता के बारे में रदरफोर्ड से एक सुझाव के बाद)। उसी वर्ष दिमित्री इवानेंको ने सुझाव दिया कि नाभिक में कोई इलेक्ट्रॉन नहीं थे - केवल प्रोटॉन और न्यूट्रॉन - और यह कि न्यूट्रॉन स्पिन थे 1⁄2 कण, जो प्रोटॉन के कारण द्रव्यमान को नहीं समझाते थे।न्यूट्रॉन स्पिन ने तुरंत नाइट्रोजन -14 के स्पिन की समस्या को हल किया, क्योंकि इस मॉडल में एक अप्रकाशित प्रोटॉन और एक अप्रकाशित न्यूट्रॉन ने प्रत्येक का एक स्पिन का योगदान दिया 1⁄2 उसी दिशा में, 1 का अंतिम कुल स्पिन दे रहा है।

न्यूट्रॉन की खोज के साथ, वैज्ञानिक अंतिम रूप से गणना कर सकते हैं कि प्रत्येक नाभिक को बाध्यकारी ऊर्जा का क्या अंश था, जो कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के साथ परमाणु द्रव्यमान की तुलना करता है, जो इसकी रचना करता है।इस तरह से परमाणु द्रव्यमान के बीच अंतर की गणना की गई।जब परमाणु प्रतिक्रियाओं को मापा गया था, तो ये 1934 के रूप में 1% के भीतर द्रव्यमान और ऊर्जा के समतुल्यता की आइंस्टीन की गणना के साथ सहमत होने के लिए पाए गए।

बड़े वेक्टर बोसोन फील्ड के प्रोका के समीकरण

अलेक्जेंड्रू प्रोका बड़े पैमाने पर वेक्टर बोसोन फील्ड समीकरणों और परमाणु बलों के मेसोनिक क्षेत्र के एक सिद्धांत को विकसित करने और रिपोर्ट करने वाला पहला था।प्रोका के समीकरणों को वोल्फगैंग पाउली के लिए जाना जाता था जिन्होंने अपने नोबेल पते में समीकरणों का उल्लेख किया था, और उन्हें युकावा, वेन्टज़ेल, तकाता, साकाटा, केमेर, हेटलर, और फ्रॉहलिच के लिए भी जाना जाता था, जिन्होंने परमाणु भौतिकी में परमाणु नाभिक के एक सिद्धांत को विकसित करने के लिए प्रोका के समीकरणों की सामग्री की सराहना की।

=== युकावा के मिसोनपो एस त्सुटसेट डी IEN 1935 HIKI YUKAWA मजबूत बल के पहले महत्वपूर्ण सिद्धांत को यह बताने के लिए प्रस्तावित किया कि नाभिक कैसे एक साथ रहता है। युकावा इंटरैक्शन में एक आभासी कण, जिसे बाद में एक मेसन कहा जाता है, ने प्रोटॉन और न्यूट्रॉन सहित सभी नाभिकों के बीच एक बल की मध्यस्थता की। इस बल ने बताया कि क्यों नाभिक प्रोटॉन प्रतिकर्षण के प्रभाव में विघटित नहीं हुआ, और इसने यह भी स्पष्टीकरण दिया कि क्यों आकर्षक मजबूत बल में प्रोटॉन के बीच विद्युत चुम्बकीय प्रतिकर्षण की तुलना में अधिक सीमित सीमा थी। बाद में, पीआई मेसन की खोज ने इसे युकावा के कण के गुणों को दिखाया।

युकावा के कागजात के साथ, परमाणु का आधुनिक मॉडल पूरा हो गया था। परमाणु के केंद्र में न्यूट्रॉन और प्रोटॉन की एक तंग गेंद होती है, जो मजबूत परमाणु बल द्वारा एक साथ आयोजित की जाती है, जब तक कि यह बहुत बड़ा न हो। अस्थिर नाभिक अल्फा क्षय से गुजर सकता है, जिसमें वे एक ऊर्जावान हीलियम नाभिक, या बीटा क्षय का उत्सर्जन करते हैं, जिसमें वे एक इलेक्ट्रॉन (या पॉज़िट्रॉन) को बाहर निकालते हैं। इनमें से एक के बाद परिणामी नाभिक को एक उत्साहित अवस्था में छोड़ दिया जा सकता है, और इस मामले में यह उच्च-ऊर्जा फोटॉन (गामा क्षय) का उत्सर्जन करके अपने जमीनी स्थिति में फैलता है।

मजबूत और कमजोर परमाणु बलों का अध्ययन (1934 में फर्मी की बातचीत के माध्यम से एनरिको फर्मी द्वारा समझाया गया) ने भौतिकविदों को नाभिक और इलेक्ट्रॉनों को कभी भी उच्च ऊर्जा पर टकराने के लिए प्रेरित किया। यह शोध कण भौतिकी का विज्ञान बन गया, जिसका मुकुट गहना कण भौतिकी का मानक मॉडल है, जो मजबूत, कमजोर और विद्युत चुम्बकीय बलों का वर्णन करता है।

आधुनिक परमाणु भौतिकी

Main articles: Liquid-drop model, Nuclear shell model, and Nuclear structure

एक भारी नाभिक में सैकड़ों नाभिक हो सकते हैं।इसका मतलब यह है कि कुछ सन्निकटन के साथ इसे क्वांटम-मैकेनिकल के बजाय एक शास्त्रीय प्रणाली के रूप में माना जा सकता है।परिणामस्वरूप तरल-ड्रॉप मॉडल में, नाभिक में एक ऊर्जा होती है जो आंशिक रूप से सतह के तनाव से और आंशिक रूप से प्रोटॉन के विद्युत प्रतिकर्षण से उत्पन्न होती है।तरल-ड्रॉप मॉडल नाभिक की कई विशेषताओं को पुन: पेश करने में सक्षम है, जिसमें द्रव्यमान संख्या के संबंध में बाध्यकारी ऊर्जा की सामान्य प्रवृत्ति, साथ ही साथ परमाणु विखंडन की घटना भी शामिल है।

इस शास्त्रीय चित्र पर सुपरइम्पोज़्ड, हालांकि, क्वांटम-मैकेनिकल इफेक्ट्स हैं, जिन्हें परमाणु शेल मॉडल का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है, जो मारिया गोएपर्ट मेयर द्वारा बड़े हिस्से में विकसित किया गया है और जे। हंस डी। जेन्सेन। न्यूट्रॉन और प्रोटॉन के कुछ जादू की संख्या के साथ नाभिक विशेष रूप से स्थिर होते हैं, क्योंकि उनके गोले भरे जाते हैं।

नाभिक के लिए अन्य अधिक जटिल मॉडल भी प्रस्तावित किए गए हैं, जैसे कि इंटरएक्टिंग बोसोन मॉडल, जिसमें न्यूट्रॉन और प्रोटॉन के जोड़े बोसोन के रूप में बातचीत करते हैं।

Ab initio विधियाँ न्यूक्लियंस और उनके इंटरैक्शन से शुरू होने वाली जमीन से कई-शरीर की समस्या को हल करने की कोशिश करती हैं। परमाणु भौतिकी में वर्तमान शोध में से अधिकांश उच्च स्पिन और उत्तेजना ऊर्जा जैसी चरम परिस्थितियों में नाभिक के अध्ययन से संबंधित हैं।नाभिक में चरम आकृतियाँ भी हो सकती हैं (रग्बी गेंदों या यहां तक कि नाशपाती के समान) या चरम न्यूट्रॉन-टू-प्रोटॉन अनुपात।प्रयोगकर्ता कृत्रिम रूप से प्रेरित संलयन या न्यूक्लियर ट्रांसफर प्रतिक्रियाओं का उपयोग करके इस तरह के नाभिक बना सकते हैं, एक त्वरक से आयन बीम को नियोजित करते हैं।बहुत अधिक ऊर्जा वाले बीम के साथ बीम का उपयोग बहुत अधिक तापमान पर नाभिक बनाने के लिए किया जा सकता है, और ऐसे संकेत हैं कि इन प्रयोगों ने सामान्य परमाणु मामले से एक नए राज्य, क्वार्क -ग्लून प्लाज्मा के लिए एक चरण संक्रमण का उत्पादन किया है, जिसमें एक के साथ क्वार्क मिंगलएक और, ट्रिपल में अलग होने के बजाय वे न्यूट्रॉन और प्रोटॉन में हैं।

परमाणु क्षय

Main articles: Radioactivity and Valley of stability

अस्सी तत्वों में कम से कम एक स्थिर आइसोटोप होता है जो कभी भी क्षय के लिए नहीं देखा जाता है, कुल लगभग 252 स्थिर न्यूक्लाइड्स की राशि।हालांकि, हजारों आइसोटोप को अस्थिर के रूप में चित्रित किया गया है।ये रेडियोसोटोप्स समय के साथ एक दूसरे के अंशों से लेकर खरबों तक के अंशों के साथ क्षय हो जाते हैं।परमाणु और न्यूट्रॉन संख्याओं के एक समारोह के रूप में एक चार्ट पर प्लॉट किया गया, न्यूक्लाइड्स की बाध्यकारी ऊर्जा बनती है जिसे स्थिरता की घाटी के रूप में जाना जाता है।स्थिर न्यूक्लाइड्स इस ऊर्जा घाटी के नीचे स्थित हैं, जबकि तेजी से अस्थिर न्यूक्लाइड घाटी की दीवारों पर झूठ बोलते हैं, अर्थात, कमजोर बाध्यकारी ऊर्जा है।

सबसे स्थिर नाभिक न्यूट्रॉन और प्रोटॉन की संरचना के कुछ श्रेणियों या संतुलन के भीतर गिरता है: बहुत कम या बहुत अधिक न्यूट्रॉन (प्रोटॉन की संख्या के संबंध में) इसे क्षय करने का कारण होगा।उदाहरण के लिए, बीटा क्षय में, एक नाइट्रोजन -16 परमाणु (7 प्रोटॉन, 9 न्यूट्रॉन) एक ऑक्सीजन -16 परमाणु (8 प्रोटॉन, 8 न्यूट्रॉन) में परिवर्तित हो जाता है बनाया जा रहा है के कुछ सेकंड के भीतर। इस क्षय में नाइट्रोजन नाभिक में एक न्यूट्रॉन को एक प्रोटॉन, एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो में कमजोर बातचीत द्वारा परिवर्तित किया जाता है। तत्व को एक अन्य तत्व में प्रसारित किया जाता है, जिसमें एक अलग संख्या में प्रोटॉन होते हैं।

अल्फा क्षय में, जो आम तौर पर सबसे भारी नाभिक में होता है, रेडियोधर्मी तत्व एक हीलियम नाभिक (2 प्रोटॉन और 2 न्यूट्रॉन) को उत्सर्जित करके, एक और तत्व, प्लस हीलियम -4 देता है। कई मामलों में यह प्रक्रिया इस तरह के कई चरणों के माध्यम से जारी रहती है, जिसमें अन्य प्रकार के क्षय (आमतौर पर बीटा क्षय) शामिल हैं जब तक कि एक स्थिर तत्व नहीं बनता है।

गामा क्षय में, एक नाभिक एक उत्साहित राज्य से एक कम ऊर्जा राज्य में एक गामा किरण का उत्सर्जन करके घटता है। तत्व को प्रक्रिया में किसी अन्य तत्व में नहीं बदला जाता है (कोई परमाणु प्रसारण शामिल नहीं है)।

अन्य और अधिक विदेशी क्षय संभव है (पहला मुख्य लेख देखें)। उदाहरण के लिए, आंतरिक रूपांतरण क्षय में, एक उत्साहित नाभिक से ऊर्जा परमाणु से आंतरिक कक्षीय इलेक्ट्रॉनों में से एक को बाहर निकाल सकती है, एक प्रक्रिया में जो उच्च गति इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन करती है, लेकिन बीटा क्षय नहीं है और (बीटा क्षय के विपरीत) एक तत्व को प्रसारित नहीं करता है दूसरे करने के लिए।

परमाणु संलयन

परमाणु संलयन में, दो कम-द्रव्यमान नाभिक एक दूसरे के साथ बहुत निकट संपर्क में आ जाते हैं ताकि मजबूत बल उन्हें फ्यूज कर दे। उन्हें फ्यूज करने के लिए नाभिक के बीच विद्युत प्रतिकर्षण को दूर करने के लिए मजबूत या परमाणु बलों के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है; इसलिए परमाणु संलयन केवल बहुत अधिक तापमान या उच्च दबावों पर हो सकता है। जब नाभिक फ्यूज होता है, तो बहुत बड़ी मात्रा में ऊर्जा जारी की जाती है और संयुक्त नाभिक कम ऊर्जा स्तर मानता है। निकेल -62 तक द्रव्यमान संख्या के साथ प्रति नाभिक की बाध्यकारी