Fysikvetenskap

Kärnfysik

Denna fysikgren behandlar strukturen för atomkärnan och strålningen från instabila kärnor. Cirka 10 000 gånger mindre än atomen, de beståndsdelar i kärnan, protoner och neutroner, lockar varandra så starkt av kärnkrafterna att kärnkraften är ungefär 1 000 000 gånger större än typiska atomenergier. Kvantteori behövs för att förstå kärnkraftsstrukturen.

Liksom upphetsade atomer kan instabila radioaktiva kärnor (antingen naturligt förekommande eller artificiellt producerade) avge elektromagnetisk strålning. De energiska kärnfotonerna kallas gammastrålar. Radioaktiva kärnor avger också andra partiklar: negativa och positiva elektroner (betastrålar), åtföljda av neutrino och heliumkärnor (alfastrålar).

Ett huvudsakligt forskningsverktyg för kärnfysik involverar användning av partiklar (t.ex. protoner eller elektroner) riktade som projektiler mot kärnkraftsmål. Återkylning av partiklar och eventuella resulterande kärnfragment upptäcks, och deras riktningar och energier analyseras för att avslöja detaljer om kärnkraftsstrukturen och för att lära sig mer om den starka kraften. En mycket svagare kärnkraft, den så kallade svaga växelverkan, ansvarar för utsläpp av betastrålar. Kärnkollisionsexperiment använder strålar av partiklar med högre energi, inklusive de av instabila partiklar som kallas mesoner producerade av primära kärnkollisioner i acceleratorer som kallas mesonfabriker. Utbyte av mesoner mellan protoner och neutroner är direkt ansvarigt för den starka kraften. (För mekanismen bakom mesoner, se nedan Grundläggande krafter och fält.)

När det gäller radioaktivitet och i kollisioner som leder till kärnkraftsbrytning förändras det kemiska identiteten på kärnkraftsmålet närhelst det förändras kärnkraftsladdningen. Vid klyvnings- och fusionskärnreaktioner, i vilka instabila kärnor är uppdelade i mindre kärnor eller sammanslagna i större, överstiger energiffrisättningen långt det som för någon kemisk reaktion.