duimnael|260px|’n Kernreaksie.
Kernfisika is dié deel van fisika waarin atoomkerne asook hul samestellende dele en hul wisselwerkings bestudeer word. Ander vorms van kernmaterie word ook bestudeer. Daarteenoor gaan atoomfisika oor die bestudering van die hele atoom, insluitende die elektrone.
Ontdekkings in kernfisika het gelei tot baie toepassings in dié veld, soos kernkrag, kernwapens, kernmedisyne, magnetieseresonansiebeelding, radiokoolstofdatering, ensovoorts.
Deeltjiefisika het uit kernfisika ontstaan en die twee velde hou nou verband met mekaar. Kernastrofisika, die toepassing van kernfisika op die gebied van astrofisika, is belangrik om die prosesse wat is sterre plaasvind en die oorsprong van dieelemente te verduidelik.
Geskiedenis duimnael|180px|links|Henri Becquerel.
Die geskiedenis van kernfisika as ’n ander dissipline as atoomfisika het begin met die ontdekking in 1896 deur Henri Becquerel van die radioaktiwiteit terwyl hy fosforessensie in uraansoute ondersoek het. Die ontdekking van die elektron die volgende jaar deur J.J. Thomson was ’n aanduiding dat die atoom ’n interne struktuur het.
In die daaropvolgende jare is radioaktiwiteit deeglik bestudeer, deur onder andere Marie en Pierre Curie sowel as deur Ernest Rutherford en sy samewerkers. Aan die begin van die 20ste eeu het fisici ook drie soorte straling ontdek wat uit atome vloei; hulle het dit alfa-, beta- en gammastrale genoem. In eksperimente in 1911 deur Otto Hahn en in 1914 deur James Chadwick is ontdek dat die betavervalspektrum aaneenlopend in plaas van diskreet is. Dit beteken elektrone word uit die atoom gewerp met ’n aaneenlopende reeks energieë, eerder as met die diskrete hoeveelhede energie wat in gamma- en alfaverval waargeneem is. In dié tyd was dit ’n probleem vir kernfisika, omdat dit gelyk het asof dit ’n aanduiding is dat energie nie in dié vervalprosesse bewaar bly nie.
Die Nobelprys vir fisika is in 1903 gesamentlik toegeken aan Becquerel vir sy ontdekking van radioaktiwiteit en aan Marie en Pierre Curie vir hul daaropvolgende navorsing daaroor. Rutherford het in 1908 die Nobelprys vir chemie gekry vir sy "ondersoeke na die disintegrasie van die elemente en die chemie van radioaktiewe stowwe".
In 1905 het Albert Einstein die massa-energieverband geformuleer. Terwyl Becquerel en Marie Curie se werk oor radioaktiwiteit dit voorafgegaan het, is ’n verduideliking van die energiebron van radioaktiwiteit eers gekry met die ontdekking dat die kern self uit kleiner dele, die nukleone, bestaan.
Rutherford se span ontdek die kern duimnael|180px|Bo: Verwagte resultate van Thomson se "Plum-Pudding" hipotese Onder: Werklike resultate wat gelei het tot die hipotese van 'n atoom met 'n klein kern. In 1906 is Ernest Rutherford se Retardation of the α Particle from Radium in passing through matter gepubliseer. Hans Geiger het op dié werk uitgebrei in ’n dokument gerig aan die Royal Society met eksperimente wat hy en Rutherford gedoen het deur alfadeeltjies deur lug, aliminiumfoelie en bladgoud te stuur. Nog werke is in 1909 gepubliseer deur Geiger en Ernest Marsden, asook ’n grootliks uitgebreide werk in 1910 deur Geiger. In 1911 tot 1912 het Rutherford aan die Royal Society die eksperimente verduidelik en die nuwe teorie oor die atoomkern soos ons dit nou verstaan, voorgestel.
Die sleuteleksperiment agter hierdie aankondiging is in 1910 by die Universiteit van Manchester uitgevoer: Ernest Rutherford se span het ’n merkwaardige eksperiment uitgevoer waarin Geiger en Marsden, onder Rutherford se toesig, aflfadeeltjies (heliumkerne) deur ’n dun laag bladgoud gestuur het. Die atoommodel van Thomson het voorspel die alfadeeltjies se baan sou hoogstens net effens gebuig wees. Rutherford het sy span egter opdrag gegee om uit te kyk vir iets wat hy geskok was om te sien: ’n Paar deeltjies is teen groot hoeke verstrooi, soms selfs heeltemal agteruit. Hy het dit vergelyk met ’n koeël wat deur ’n sneesdoekie gevuur word en dan heeltemal daarvan terugbons. Dié ontdekking, tesame met Rutherford se ontleding van die data in 1911, het gelei tot die Rutherford-model van die atoom waarvolgens die atoom ’n baie klein, baie digte kern het wat die grootste deel van sy massa bevat, en uit hoogs positief gelaaide deeltjies bestaan met omringende elektrone wat die lading uitbalanseer (aangesien die neutron nog nie ontdek was nie). Volgens hierdie model (wat nie die moderne een is nie) bestaan stikstof-14 byvoorbeeld uit ’n kern met 14 protone en 7 elektrone (altesaam 21 deeltjies) en word die kern omring deur nog 7 elektrone.
Omstreeks 1920 het Arthur Eddington die ontdekking en meganisme van kernfusieprosesse in sterre voorspel in sy dokument The Internal Constitution of the Stars.The Internal Constitution of the Stars, A.S. Eddington. The Scientific Monthly Vol. 11, No. 4 (Oktober 1920), pp. 297-303 In dié tyd was die bron van sterenergie ’n algehele raaisel; Eddington het reg voorspel dat die bron die fusie van waterstof na helium is wat enorme hoeveelhede energie vrystel volgens Einstein se vergelyking . Dit was ’n uitsonderlike ontwikkeling, want in dié tyd was fusie en termonukleêre energie, en selfs dat sterre grootliks uit waterstof bestaan, nog nie ontdek nie.
Die Rutherford-model het heel goed gewerk totdat studies oor kernspin in 1929 deur Franco Rasetti by die Kaliforniese Instituut van Tegnologie gedoen is. Teen 1925 was dit bekend dat protone en elektrone elk ’n spin van het. In die Rutherford-model van stikstof-14 sou 20 van die altesaam 21 kerndeeltjies afgepaar het om mekaar se spin te kanselleer, en die laaste deeltjie sou die kern ’n netto spin van gegee het. Rasetti het egter ontdek stikstof-14 het ’n spin van 1.
James Chadwick ontdek die neutron In 1932 het Chadwick besef bestraling, wat deur verskeie wetenskaplikes waargeneem is, is eintlik vanweë ’n neutrale deeltjie wat min of meer dieselfde massa as die proton het. Hy het dit die neutron genoem (ná ’n voorstel deur Rutherford oor die behoefte aan so ’n deeltjie). In dieselfde jaar het Dmitri Ivanenko voorgestel daar is nie elektrone in die kern nie, net protone en neutrone, en dat neutrone ’n spin van het; dit het die massa verduidelik wat nie aan protone toegeskryf kan word nie. Die spin van die neutron het dadelik die probleem opgelos van die spin van stikstof-14, omdat die een ongepaarde proton en een ongepaarde neutron in hierdie model elk ’n spin van in dieselfde rigting bydra, en dit gee ’n totale spin van 1.
Met die ontdekking van die neutron kon wetenskaplikes ten minste bereken watter fraksie bindingsenergie elke kern het deur die kernmassa te vergelyk met dié van die protone en neutrone waaruit dit bestaan. Die verskille tussen kernmassas is so bereken. Wanneer kernreaksies gemeet is, het dit tot binne 1% ooreengestem met Einstein se berekening van die massa-energieverband.
Yukawa se teorie oor kernbindingskrag In 1935 het Hideki YukawaOn the Interaction of Elementary Particles I. Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan. 3rd Series Vol. 17 (1935) p. 48-57 die eerste betekenisvolle teorie oor die sterk kernkrag voorgestel om te verduidelik hoe kerne bymekaarbly. Volgens hom het ’n deeltjie, wat later ’n meson genoem is, ’n krag uitgeoefen op alle nukleone, insluitende protone en neutrone. Dié krag het verduidelik waarom kerne nie onder die invloed van protonafstoting disintegreer nie, en ook die manier verduidelik waarop die aantrekkende sterk krag ’n meer beperkte omvang het as die elektromagnetiese afstoting tussen protone. Later is met die ontdekking van die π-meson bewys dit het die eienskappe van Yukawa se deeltjie.
Met Yukawa se werk is die moderne model van die atoom voltooi. Die atoomkern bestaan uit ’n digte bol neutrone en protone, wat deur die sterk kernkrag bymekaargehou word, tensy dit te groot is. Onstabiele kerne kan alfaverval ondergaan, in welke geval hulle ’n energieke heliumkern uitwerp, of betaverval, in welke geval hulle ’n elektron (of positron) uitwerp. Ná een van hierdie vervalle kan die kern in ’n opgewekte toestand wees, en dan verval dit tot sy basistoestand deur hoë-energiefotone uit te werp (gammaverval).
Die studie van die sterk en die swak kernkrag (waarvan laasgenoemde in 1934 deur Enrico Fermi verduidelik is) het daartoe gelei dat wetenskaplikes kerne en elektrone teen al hoe hoër energieë laat bots het. Hierdie navorsing het die grondslag gevorm van deeltjiefisika, waarvan die kersie op die koek die standaardmodel van deeltjiefisika is. Dit beskryf die sterk en swak kernkrag en elektromegnetiese krag.
Maateenhede Die maateenhede van die SI-stelsel is nie geskik vir die klein mate wat in kernfisika betref is. Ander mate is oor die jare ontwikkel wn woed dikwels gebruik. Hierdie mate verskyn in 'n tabel in die SI Brochure met die titel "Non-SI units accepted for use with the SI Units". Die eenhede sluit in:
Energie - Die SI eenheid vir energie is die joule (J). In kernfisika is energie dikwels in elektronvoltes (eV) aangehaal. Die elektron-volt is die energie van 'n elektron wat deur 'n spanning van een volt versnel is. Dit is gelyk aan .Sedert die hersiening van SI op 19 Mei 2019 kry die konstante van Planck 'n konstante waarde waaruit volg dat die elektron-volt presies afgelei kan word.
Massa - Die SI eenheid vir massa is die kilogram (kg). In kernfisika is massa dikwels in daltons (Da) aangehaal.Die afkorting "amu" kom van "Atomic mass units" en die afkorting '"ame" kom van "Atomiese massaeenheid"' af. Volgens die 8ste uitgawe van die SI Brochure (2006) is die simbool "u" die verkose wêreldwye simbool vir hierdie hoeveelheid, maar volgens die 9de uitgawe (2019) is die dalton die verkose naam en "Da" die verkose simbool vir die "atomiese massaeenheid". Sy waarde is Die uitdrukking "1,234 567(89)" beteken . en is ongeveer die massa van 'n vrye proton of neutron. Vroeër is die dalton as een twaalfde van die massa van een atoom koolstof-12 gedefinieer. Ook was hierdie massa in atomiese massaeenhede ("amu" (Engels), "ame" (Afrikaans) of "u" (internationaal)) aangedui, maar die atomiese massaeenheid sal blykbaar in die volgende paar jaar veroudered word. Daar was verskillende definisies vir die ame. In sekere gevalle word massa in MeV in plaas van daltons aangedui. Sy waarde is deur Einstein se vergelyking bereken.Voordat hierdie vergelyking gebruik is, moet alle hoeveelhede omgeskep word in samehangende eenhede (byvoorbeeld SI).
Elektriese lading - Die SI eenheid vir elektriese lading is die coulomb. In kermfisika is elektriese lading dikwels in eenvoudige ladings (elementary charges) aangehaal. Die eenvoudige lading is die lading van een proton of die negatiewe waarde van die lading van een elektron. In die kernfisikaletterkunde is die lading gewoonlik sonder eenhede aangedui, byvoorbeeld "lading = +1". Die waarde van een eenvoudige ladingeenheid is .Sedert die hersiening van SI op 19 Mei 2019 kry die lading van 'n elektroon 'n konstante waarde en die ampère is in terme van hierdie waarde gedefinieër.
Hoekmomentum - Die SI-eenheid vir hoekmomentum of spin is joules-sekonde (J·s). In kernfisika is die hoekmomentum dikwels in "atoomiese eenhede van hoekmomentum" aangedui. Die waarde van een so 'n eenheid (wat bekend is as die "verminderde konstante van Planck" - simbool ħ) is deur die vergelyking gegee.Sedert die hersiening van SI op 19 Mei 2019 kry die konstante van Planck 'n konstante waarde en is die kilogram in terme van hierdie konstante gedefinieer. Volgens die kwantumteorie is die spin van 'n deeltjie veelvoude van die helfde van die verminderde plankkonstant. Dit word gewoonlik sonder eenhede aangedui, byvoorbeeld "spin = ".
Moderne kernfisika