Fizik Nuklear

Fizik nuklear ialah cabang fizik yang berkaitan dengan nukleus atom. Cabang ini terdiri daripada tiga aspek yang utama:

• mengkaji zarah-zarah asas (proton dan neutron) dan saling-saling tindaknya;
• mengelaskan dan menafsirkan sifat-sifat nukleus; dan
• membekalkan kemajuan-kemajuan teknologi.

Teori nukleus tidak dapat difahami dengan tepat disebabkan nukleus terdiri daripada banyak zarah (meson, serta proton dan neutron) yang tidak cukup besar untuk diperihalkan secara berkala, sebagaimana dengan kristal. Oleh itu, "model-model nuklear", baik secara berasingan mahupun secara bergabung, yang dapat menghuraikan kebanyakan tindakan nuklear telah digunakan. Tiga daripada empat jenis daya asas memainkan peranan yang penting dalam nukleus, iaitu daya nuklear kuat, keelektromagnetan, dan pada skala masa yang lebih panjang,daya nuklear lemah.

Nukleus disatukan oleh tindakan-tindakan bersaling kuat (kebanyakannya melalui pertukaran pion), tetapi penolakan elektromagnet bagi proton bercas positif cenderung memecahkannya, menurut hukum Coulomb. Semua nukleus yang stabil mempunyai berat atom yang sama dengan nisbah tenaga antara proton dan neutron yang hampir terendah. Nukleus-nukleus yang mempunyai berat atom yang cukup dekat dengan nisbah terendah ini supaya dapat diikat tetapi tidak cukup dekat untuk menjadi stabil, akan membebaskan elektron atau positron (reputan beta) ataupun menyerap elektron (dan membebaskan neutrino) supaya dapat menjadi lebih dekat dengan nisbah itu. Dalam keadaan inilah bahawa tindakan-tindakan bersaling lemah memainkan peranannya. Nukleus-nukleus yang terlalu besar untuk menjadi stabil akan dipecahkan oleh penolakan coulomb terhadap proton-protonnya melalui pembelahan ataupun melalui pembebasan zarah-zarah alfa.

Walaupun bilangan aras tenaga adalah terhingga, sebagaimana dengan fungsi-fungsi gelombang elektron bagi atom, kebanyakan nukleus yang stabil atau hampir stabil mempunyai banyak aras terikat. Ini biasa akan mereput ke arah keadaan asas melalui pemancaran foton-foton sinaran gamma.

Proton dan neutron adalah fermion, dengan nilai nombor kuantum isospin yang berbeza supaya dua biji proton dan dua biji neutron dapat berkongsi fungsi gelombang ruang yang sama. Untuk kes jarang mengenai hipernukleus, barion ketiga yang digelarkan hiperon dan yang mempunyai nilai nombor kuantum keanehan boleh juga berkongsi fungsi gelombang.

Tenaga-tenaga terikat untuk proton dan neutron adalah pada peringkat 1% daripada jisim rehat kerelatifannya. Oleh itu, mekanik kuantum bukan kerelatifan boleh digunakan dengan ralat yang biasanya adalah lebih kecil berbanding dengan penghampiran-penghampiran yang lain.

Sering kalinya, ahli-ahli fizik nuklear akan menggunakan unit nuklear, dengan ħ, c, dan jisim proton, m_p, diberikan nilai satu.

SEJARAH

Setelah ahli-ahli kimia telah menerangkan:

• unsur-unsur kimia;
• peraturan-peraturan yang menguasai penggabungan unsur-unsur kimia;
• pengelasan unsur-unsur kimia yang teratur (jadual berkala Mendeleev);

pada abad ke-18, dan John Dalton telah mempergunakan idea atom Democritus untuk unsur-unsur kimia itu pada tahun 1803, langkah kemudian adalah untuk mengkaji sifat-sifat asas atom bagi unsur-unsur kimia itu. Aktiviti ini kini digolongkan dalam fizik atom.

Disebabkan oleh kajian-kajian tersebut, Becquerel telah menemui keradioaktifan untuk beberapa spesies atom pada tahun 1896, dan pasangan Curie telah mengenal pasti lagi beberapa bahan radioaktif pada tahun 1898. Ernest Rutherford kemudian mengkaji sinaran dan sifat-sifatnya. Ketika Rutherford mencapai pemahaman terhadap sifat keradioaktifan, beliau mempergunakan zarah-zarah tersinar untuk mengkaji atom-atom pada dirinya. Semasa itu, Rutherford mencadangkan kewujudan nukleus atom pada tahun tahun 1911. Pengenalpastian cadangan Rutherford melalui uji-uji kaji Geiger dan Marsden telah membentuk fizik nuklear, satu cabang sains yang baru.

Penyelidikan sifat-sifat nukleus telah diteruskan sejak masa Rutherford sehingga kini. Pada dekad 1940-an dan 1950-an, lagi satu peringkat struktur yang lebih asas daripada nukleus telah ditemui. Peringkat ini terdiri daripada proton-proton dan neutron-neutron. Oleh itu, fizik nuklear boleh dianggap sebagai keturunan kimia dan fizik atom, serta leluhur fizik zarah.

Uji-uji kaji nukleus terus menyumbang kepada pemahaman saling-saling tindak yang asas. Penyelidikan sifat-sifat nuklear dan hukum-hukum yang menguasai struktur nukleus adalah satu bidang penyelidikan yang aktif dan berhasil, dengan kegunaan praktik, seperti kuasa nuklear, pengesan asap, perentak kardium, dan peranti-peranti pengimejan perubatan, menjadi amat biasa.