Fizyka jądrowa to dział fizyki zajmujący się budową, właściwościami i zachowaniem jąder atomowych. Bada składniki jąder (protony i neutrony), siły działające między nimi, a także procesy, w których jądra ulegają przemianom.
Jądro atomowe składa się z nukleonów: protonów i neutronów. Liczba protonów w jądrze to liczba atomowa (Z). Określa ona, jaki to pierwiastek. Liczba neutronów w jądrze to liczba neutronowa (N). Suma liczby protonów i neutronów to liczba masowa (A), czyli A = Z + N. Na przykład, jądro węgla-12 (12C) ma 6 protonów i 6 neutronów.
Izotopy to atomy tego samego pierwiastka (czyli mające taką samą liczbę atomową Z), ale różniące się liczbą neutronów N. Na przykład, węgiel-12 (12C), węgiel-13 (13C) i węgiel-14 (14C) to izotopy węgla.
W jądrze działają bardzo silne siły jądrowe, które utrzymują protony i neutrony razem, pomimo odpychania elektrostatycznego między protonami. Te siły są krótkozasięgowe i działają głównie między sąsiednimi nukleonami.
Energia wiązania jądra to energia potrzebna do rozdzielenia jądra na oddzielne nukleony. Im większa energia wiązania, tym trwalsze jest jądro. Energia wiązania wynika z defektu masy – masa jądra jest mniejsza niż suma mas oddzielnych nukleonów. Różnica masy, pomnożona przez kwadrat prędkości światła (zgodnie ze wzorem E=mc2 Einsteina), odpowiada energii wiązania.
Rozpad promieniotwórczy to proces, w którym niestabilne jądra atomowe emitują cząstki (alfa, beta) lub promieniowanie gamma, aby stać się bardziej stabilne. Istnieją różne rodzaje rozpadu promieniotwórczego:
- Rozpad alfa (α): Jądro emituje cząstkę alfa (jądro helu, 4He). Liczba atomowa maleje o 2, a liczba masowa o 4.
- Rozpad beta minus (β-): Neutron w jądrze zamienia się w proton, emitując elektron (cząstkę beta minus) i antyneutrino. Liczba atomowa wzrasta o 1, a liczba masowa pozostaje bez zmian.
- Rozpad beta plus (β+): Proton w jądrze zamienia się w neutron, emitując pozyton (cząstkę beta plus) i neutrino. Liczba atomowa maleje o 1, a liczba masowa pozostaje bez zmian.
- Rozpad gamma (γ): Jądro w stanie wzbudzonym emituje foton gamma, aby przejść do stanu o niższej energii. Liczba atomowa i liczba masowa pozostają bez zmian.
Czas połowicznego rozpadu (T1/2) to czas, w którym połowa początkowej liczby jąder promieniotwórczych ulega rozpadowi. Jest to charakterystyczna wartość dla każdego izotopu promieniotwórczego.
Reakcje jądrowe to procesy, w których jądra atomowe oddziałują ze sobą lub z cząstkami elementarnymi. Przykładem jest rozszczepienie jądra atomowego, w którym ciężkie jądro rozpada się na dwa lżejsze jądra, uwalniając przy tym ogromne ilości energii. Jest to zasada działania reaktorów jądrowych.
Innym przykładem jest synteza jądrowa, w której lekkie jądra łączą się w jedno cięższe jądro, również uwalniając przy tym energię. Jest to proces zachodzący w gwiazdach.
Fizyka jądrowa ma szerokie zastosowania w medycynie (diagnostyka i terapia nowotworów), energetyce (energia jądrowa), archeologii (datowanie radiowęglowe) i wielu innych dziedzinach nauki i technologii.
