kernefysik

Atomkernens statiske egenskaber omfatter ladning, radius, masse, bindingsenergi, impulsmoment, paritet, magnetisk dipolmoment og elektrisk kvadrupolmoment for grundtilstanden og i princippet for hele spektret af anslåede tilstande. Kernens dynamiske egenskaber omfatter særlig sandsynlighederne for henfald af kernetilstande og for reaktioner med andre kerner og kernepartikler (reaktionstværsnit).

Kerneradius bestemmes fortrinsvis ved elastisk spredning af elektroner eller ved detaljerede studier af atomare overgange mellem tilstande i det ydre atom. Herved bestemmes radius af kernens protonfordeling, som for langt de fleste kerner svarer nøje til den samlede fordeling af neutroner og protoner. Kerneladningens udstrækning kan også bestemmes ud fra energiforskellen mellem spejlkerner.

Kernemassen kan bestemmes ved massespektroskopi, hvor ioniserede atomer eller molekyler afbøjes i elektromagnetiske felter. Kernens masse viser sig at afvige ca. 1% fra summen af masserne af de enkelte kernepartikler. Afvigelsen er et mål for, hvor stærkt partiklerne er bundet sammen i kernen. Man finder for en gennemsnitskerne en bindingsenergi på ca. 8 MeV per kernepartikel. Forskellen i masse mellem to kernetilstande kan bestemmes med særlig stor nøjagtighed ved studier af energiforholdene ved kernehenfald eller kernereaktioner frembragt ved brug af acceleratorer.

Hver kernetilstand kan tilordnes et spinkvantetal, der repræsenterer det totale impulsmoment af alle kernepartiklerne hidrørende såvel fra deres banebevægelse som fra deres indre spin. I kernens grundtilstand kan spin, magnetisk dipolmoment og elektrisk kvadrupolmoment bestemmes ved studier af hyperfinstrukturen og Zeeman-effekten i de atomare spektre. Andre metoder til bestemmelse af magnetiske dipolmomenter er atomstrålemagnetisk resonans, kernemagnetisk resonans (NMR) og studier af kerner ved lave temperaturer (T≪1 K).

Kernetilstande har enten positiv eller negativ paritet. Denne symmetriegenskab finder udtryk i kernens kvantemekaniske bølgefunktion og karakteriserer kernen som helhed som et legeme, der er uskelneligt fra sit eget spejlbillede. Eksperimentelt bestemmer man pariteten gennem dens indflydelse på henfald af kernetilstande og på sandsynligheden af bestemte kernereaktioner (udvalgsregler). De fleste atomkerner udviser en stor rigdom af veldefinerede anslåede tilstande. Hver tilstand har en bestemt anslagsenergi, et bestemt spin og en bestemt paritet, som alle må bestemmes eksperimentelt. Det sker dels ved kernespektroskopi af radioaktive henfald, dels ved undersøgelse af bl.a. kernereaktioners energiforhold, vinkelfordelinger og polarisationsegenskaber. Spektret af anslåede tilstande rummer nøglen til forståelsen af kernernes struktur.

Til eksperimentelle studier af radioaktive henfald og kernereaktioner er der udviklet en mangfoldighed af detektorer. De kan registrere og identificere kernepartiklerne samtidig med, at de giver oplysninger om partiklernes evne til at ionisere, deres rækkevidde, energi, positioner og fordeling i tid og i rum, foruden polarisationsforhold, elektrisk ladning og banebevægelse.

Ioniseringskamre og proportionaltællere, evt. udstyret med et gitterværk af mange metaltråde, er eksempler på gasfyldte detektorer, der udnytter elektriske felter. Fluorescens og fotoeffekt udnyttes i scintillationstælleren med tilhørende fotomultiplikator. I faststofdetektorer opsamles elektriske ladningsimpulser ligesom i et ioniseringskammer. Faststofdetektoren kombinerer høj effektivitet med en betydelig evne til at opløse fine detaljer i strålingens energispektrum.

Elektrisk ladede kernepartikler kan også analyseres i magnetiske spektrografer og spektrometre, hvor man søger at opnå en høj opløsningsevne over for nærliggende energier i strålingen samtidig med, at man tilstræber en høj grad af rumlig spredning (dispersion) af de forskellige analyserede partikler. Ofte sammenbygges et sæt af detektorer til detektorteleskoper, hvor strålingen normalt standses helt i den sidste detektor. Til specielle formål opbygger man detektorarrangementer med særlige egenskaber; det kan fx være polarimetre til måling af polarisation eller 4π-tællere (tællere, der dækker alle retninger) med mange detektorer til måling af gammastråle-multiplicitet.

Partikler og kvanter udsendes ofte i kaskade, eksempelvis en gammastråle efterfølgende et alfahenfald. Sådanne kaskader registreres med detektorer, som elektronisk er forbundet i koincidensopstillinger, der kan måle forskellige partikler, der stammer fra samme henfald. Koincidensopstillinger kan bl.a. benyttes til bestemmelse af vinkelkorrelationer mellem successivt udsendte partikler og kvanter og til måling af kernetilstandes levetider (der ofte er af størrelsesordenen nanosekund eller kortere). Til måling af ultrakorte levetider benyttes Doppler-skift-metoder og kerneresonansfluorescens.

Neutroner ioniserer ikke direkte det stof, de passerer, og detektion af neutroner må derfor baseres på sekundære begivenheder. Fylder man fx en proportionaltæller med gassen bortrifluorid, vil en kernereaktion mellem en indkommende neutron og isotopen ¹⁰B kunne udløse en ioniserende alfapartikel, der registreres i tælleren. Neutroners hastighed, og dermed deres energi, kan bestemmes ved flyvetidsmetoder, hvor man undertiden benytter vejlængder på op til 100 m. Særlige eksperimentelle metoder er udviklet til at detektere fragmenterne fra fission af tunge kerner.

Kernefysikken er et fundament for astrofysikken, og ud fra kendskabet til kernefysiske processer kan man gøre rede for de forhold i stjernernes indre, som fører til udvikling af energi og til opbygningen af tunge grundstoffer. Kernefysiske metoder kan også udnyttes til analyse af sporstoffer, fx i prøver af forurenet luft. Særlig følsomhed opnås ved massespektrometri med acceleratorer. Med denne metode har man kunnet forfine kulstof 14-datering til arkæologiske aldersbestemmelser. Da Surveyor-rumskibet landede på Månen, medbragte det en alfastrålekilde, som blev benyttet til at påvise forskellige grundstoffer på måneoverfladen vha. de tilbagespredte alfapartikler. Kernefysiske metoder har endvidere udbredt anvendelse til lægevidenskabelige formål.

Henri Becquerels opdagelse i 1896 af de mærkelige stråler fra urannitrat var det første eksperimentelle signal om fysiske processer i atomets indre. To år senere påviste Marie og Pierre Curie så stærk radioaktivitet fra polonium og radium, at præparaterne lyste i mørke. I 1911 beskød Ernest Rutherford et guldfolie med alfapartikler og viste, at næsten al atomets masse måtte være koncentreret i en positivt ladet atomkerne. Otte år efter frembragte han en kernefysisk reaktion i laboratoriet udløst af stråler fra et radioaktivt præparat; det var den første kunstige grundstofomdannelse i fysikkens historie.

I årene efter Rutherfords opdagelse af atomkernen var det den fremherskende opfattelse, at kernen var sammensat af protoner og elektroner. I 1932 opdagede James Chadwick imidlertid neutronen, og det blev hurtigt klart, at kernen består af protoner og neutroner.

Efter neutronens opdagelse skete en hastig udvikling af kernefysikken, der blev stimuleret af mange teknologiske landvindinger. Samme år, som neutronen blev opdaget, frembragte John Cockcroft og Ernest Walton for første gang en kernereaktion med hurtige, ladede partikler fra en accelerator, og næsten samtidig viste Enrico Fermi, at der kunne fremstilles kunstige radioaktive stoffer ved beskydning af kendte grundstoffer med neutroner. Otto Hahn og Fritz Strassmann fandt i 1939, at der opstod reaktionsprodukter med lavere atomnummer, når man bestrålede uran med neutroner. De havde opdaget fissionen og banet vejen for frembringelse af nukleare kædeprocesser. Den første atomreaktor blev sat i drift af Fermi i Chicago i 1942, og yderligere tre år senere blev den første atomeksplosion afprøvet i New Mexico. Sammenhængende teoretiske modeller for kernens struktur blev udviklet i årene efter 2. Verdenskrig.

• atomkerne
• kernereaktioner
• fysik