פיזיקה גרעינית

פיזיקה גרעינית היא ענף בפיזיקה המודרנית העוסק בחקר גרעין האטום ותהליכי הגומלין המתרחשים בו. העובדה כי לאטומים יש מבנה פנימי התגלתה בשלהי המאה ה-19, עד אז התייחסו לאטומים כאל חלקיקים נקודתיים ללא מבנה פנימי ושאינם ניתנים לחלוקה. קיום מבנה פנימי באטומים אושש ניסיונית רק בתחילת המאה ה־20. גרעין האטום התגלה על ידי ארנסט רתרפורד בשנת 1911, באמצעות ניסוי מפורסם בו רתרפורד מדד את הפיזור של חלקיקי אלפא (שהם גרעיני הליום) וגילה שהחלקיקים מפוזרים רק מאזור קטן של האטום. מכך הסיק רתרפורד שהמטען החיובי של האטום מרוכז בגרעין קטן באמצעו ואילו המטען השלילי סובב סביבו. עד לפיתוח מודל האטום של בוהר סברו הפיזיקאים שהאטום הוא מעין "מערכת שמש" קטנה של אלקטרונים הסובבים סביב גרעין. התקדמות גדולה בחקר האטום התאפשרה בעקבות פיתוח תורת היחסות הפרטית (והנוסחה המפורסמת E=mc2) ומכניקת הקוונטים. במסגרת מכניקת הקוונטים, נוסחו כללי אכלוס של האלקטרונים סביב האטום רק במספר בדיד של מסלולים מותרים סביב האטום ברמות אנרגיה שונות (שמספרן הוא בן מנייה). עד היום, על אף מאמצים גדולים שהושקעו והתקדמות רבה שהושגה בהבנת גרעין האטום, אין בידנו הבנה מלאה של הגרעין. הסיבות לכך נעוצות במבנה המורכב של הכוח הגרעיני, שהוא כוח שיורי שאיננו מתואר על ידי המודל הסטנדרטי, ובכך שמלבד הגרעינים הקלים ביותר הגרעין הוא מערכת רב גופית ולכן איננו ניתן לפתרון אנליטי. יתרה מכך, מדובר במערכת רב גופית קוונטית ועל כן לא ניתן לפתור את הבעיה הרב גופית עבור גרעינים כבדים יותר מגרעין ההליום באופן נומרי בעזרת כח החישוב הקיים היום. (זאת בניגוד למצב בקוסמולוגיה, למשל, שם פותרים את הבעיה הרב גופית הקלאסית בעזרת סימולצית מחשב). ערך מורחב – גרעין האטום גרעין אטום עשוי להכיל שני סוגים של חלקיקים: פרוטון: חלקיק בגרעין הטעון ביחידת מטען יסודי חיובית אחת (שוות ערך ל 1.6 × 10 − 19 {\displaystyle 1.6\times 10^{-19}} קולון). הפרוטון משתייך למשפחת הבאריונים. מסתו היא ~ 1.00728 יחידות מסה אטומית מאוחדת והיא גדולה בערך פי 1836 ממסת האלקטרון. המספר האטומי של יסוד מציין את מספר הפרוטונים בגרעין והוא הגורם להבדל בין היסודות השונים. מדענים מעריכים כי משך חייו של הפרוטון הוא אינסופי, אולם נושא זה עודנו שנוי במחלוקת. כל גרעין אטום, ללא יוצא מן הכלל, מכיל לפחות פרוטון אחד. נייטרון: חלקיק בגרעין שאינו נושא מטען. הנייטרון כבד במקצת מהפרוטון (1.00867 ימ"א). הנייטרון יציב כל עוד הוא נמצא בתוך גרעין האטום. ברגע שהנייטרון נמצא מחוץ לגרעין האטום הוא עובר תהליך של התפרקות בהשפעתו של הכוח הגרעיני החלש. תוצרי הפירוק הללו הם פרוטון, אלקטרון וחלקיק כמעט חסר מסה ומטען בשם אנטי-נייטרינו. לנייטרון יש זמן מחצית חיים של כ 880 שניות. גרעין המימן-1 הוא יוצא דופן לעומת כל הגרעינים האחרים, שכן הוא חסר נייטרונים ומכיל אך ורק פרוטון אחד. דבר זה אינו מתקיים באיזוטופים אחרים של מימן, כגון דאוטריום. בפיזיקה הגרעינית נדונים ארבעה כוחות יסודיים: הכוח הגרעיני החזק (strong interaction): כוח זה פועל בתוך האדרונים. עוצמתו גדולה פי 100 מזו של הכוח האלקטרומגנטי. טווח הפעולה של הכוח הגרעיני החזק (או, בקיצור, הכוח החזק) הוא בסדר הגודל של ‎10-15‎ מטר. בפיזיקה הגרעינית נהוג לכנות מרחק זה בשם פרמי (fermi), על שם הפיזיקאי אנריקו פרמי. הכוח החזק נובע מחילופים של בוזונים מסוג גלואונים בין הקווארקים המרכיבים את הנוקליאון, והוא אחראי לעיקר מסתו של הגרעין. הכוח הגרעיני (nuclear force): כוח זה, שהוא השייר (residual) של הכוח הגרעיני החזק, הוא הכוח שמחבר יחד את הפרוטונים והנייטרונים בגרעין האטום. הוא נישא על ידי שלושה סוגי בוזונים שהם מזונים: פאיונים, מזוני רו ומזוני אומגה. טווח הפעולה של הכוח הגרעיני הוא כ-2 פרמי לכל היותר. מעבר למרחק זה, עוצמתו של הכוח הגרעיני זניחה. כתוצאה מכך ומהדחייה שמפעיל הכוח האלקטרומגנטי בין הפרוטונים בגרעין, גודלם המרבי של גרעינים מוגבל. הכוח האלקטרומגנטי (electromagnetic interaction): הכוח השני בעוצמתו מבין ארבעת כוחות היסוד. הוא פועל בין כל שני חלקיקים נושאי מטען חשמלי. לפי האלקטרודינמיקה הקוונטית, כוח זה נובע מחילופי פוטונים בין החלקיקים. בגרעין האטום, הכוח האלקטרומגנטי יוצר דחייה בין הפרוטונים המרכיבים את הגרעין, דחייה עליה מתגבר הכוח הגרעיני, השומר על לכידות הגרעין, עד גודל מסוים. הכוח הגרעיני החלש (weak interaction): הכוח השלישי בעוצמתו מבין ארבעת כוחות היסוד. כוח זה אחראי, בין היתר, לרדיואקטיביות מסוג קרינת בטא. רדיואקטיביות ביקוע גרעיני היתוך גרעיני נשק גרעיני פצצת אטום פצצת מימן כור אטומי הסברת מנגנון הפקת האנרגיה של השמש וכוכבים אחרים. אטום מכניקת הקוונטים חלקיק יסודי המודל הסטנדרטי דניאל אשרי, ‏פיזיקה גרעינית, סדרת אוניברסיטה משודרת, בהוצאת משרד הביטחון – ההוצאה לאור, 1989 פיזיקה גרעינית, דף שער בספרייה הלאומית B. A. Zeck, A. R. Young, T. L. Womack, J. W. Wexler, Measurement of the neutron lifetime using a magneto-gravitational trap and in situ detection, Science 360, 2018-05-11, עמ' 627–632 doi: 10.1126/science.aan8895