Fizyka jądrowa – dział fizyki zajmujący się badaniem budowy i przemian jądra atomowego. Zajmuje się badaniami doświadczalnymi, teoretycznymi oraz zastosowaniem techniki jądrowej.

Najbardziej powszechnie znane zastosowania fizyki jądrowej to energetyka i broń jądrowa, jednak w wyniku prowadzonych badań powstały inne zastosowania tej dziedziny. Przykłady: medycyna – obrazowanie rezonansu magnetycznego, inżynieria materiałowa – implantowanie jonowe czy archeologia – datowanie na podstawie zawartości atomów radioaktywnych izotopów węgla.

Z fizyki jądrowej wyodrębniła się osobna dziedzina – fizyka cząstek elementarnych.

Historia

Odkrycie elektronu przez J.J. Thomsona było pierwszą wskazówką na złożoność atomu. Na przełomie XIX i XX wieku powstał model atomu Thomsona nazywany obrazowo "ciastkiem z rodzynkami". Według tego modelu atom miał być, dodatnio naładowaną niepodzielną strukturą z porozrzucanymi w jej wnętrzu ujemnie naładowanymi elektronami.

Na przełomie wieków fizycy odkryli również trzy rodzaje promieniowania emitowanego przez atomy, które nazwano promieniowaniem alfa, beta i gamma. Eksperymenty prowadzone w 1911 roku przez Lise Meitner i Otto Hahna, oraz przez Jamesa Chadwicka w roku 1914 wykazały, że rozkład energii promieniowania beta jest ciągły, a nie dyskretny, jak pierwotnie sądzono. Oznacza to, że elektrony są emitowane z atomów w pewnym ciągłym przedziale energii, a nie z określonymi energiami, jak promieniowanie gamma i alfa. Stanowiło to dla fizyków poważny problem, bo oznaczało naruszenie zasady zachowania energii w rozpadzie beta.

W 1905 roku Albert Einstein sformułował zasadę równoważności masy i energii. Mimo że badania radioaktywności prowadzone przez Becquerel'a, Piotra Curie i Marię Skłodowską-Curie poprzedziły sformułowanie tej zasady przez Einsteina, wyjaśnienie źródła energii radioaktywności stało się możliwe dopiero po odkryciu, że jądro atomowe składa się z mniejszych cząstek – nukleonów.

Odkrycie jądra atomowego

Eksperyment Rutherforda.
Górny rysunek: według teorii Thomsona cząstki alfa swobodnie pokonują wnętrze atomu.
Dolny rysunek: obserwowany rezultat eksperymentu: niewielka część cząstek jest odbijana ukazując mały skoncentrowany w niewielkiej przestrzeni ładunek dodatni

W 1907 roku Ernest Rutherford opublikował artykuł "Radiation of the α Particle from Radium in passing through Matter". Hans Geiger rozwinął pracę Rutherforda we współpracy z Royal Society. Geiger i Rutherford prowadzili eksperymenty polegające na przepuszczaniu cząstek alfa przez powietrze, aluminiową folię i złote płytki. W 1909 roku Geiger i Ernest Marsden opublikowali kolejne artykuły, a w 1910 Geiger napisał obszerną pracę na ten temat. W latach 1911-1912 Rutheford przedstawił Towarzystwu Królewskiemu wnioski ze swych eksperymentów i zaproponował nową teorię jądra atomowego.

W 1909 roku odbył się najważniejszy eksperyment przeprowadzony przez Rutherforda i jego współpracowników. Hans Geiger i Ernest Marsden ostrzelali cienką złotą folię promieniowaniem alfa. Według uznawanego wówczas modelu Thomsona, cząstki alfa powinny przechodzić prosto lub zmieniając nieznacznie kierunek ruchu, ale nie mogą odbijać się od atomów. Okazało się, że znaczna cześć cząsteczek alfa przechodzi bez zmiany kierunku ruchu, ale część cząstek odbijała się od folii.

Odkrycie umożliwiło zbudowanie nowego modelu (model atomu Rutherforda), w którym atom składa się z niewielkiego, w stosunku do rozmiarów atomu, jądra skupiającego większość masy atomu i jego ładunek dodatni oraz powiązanych z jądrem elektronów, które miałyby równoważyć ładunek jądra.

Model Rutherforda działał całkiem dobrze do momentu prowadzonych przez Franca Rasetti'ego na Caltech badań nad spinem. Od roku 1925 wiadomo było, że elektrony i protony mają spin równy 1/2, więc zgodnie z modelem Rutherforda jądro atomu powinno mieć spin 1/2. (20 cząstek równoważyło swój spin, więc dwudziesta pierwsza zmieniała spin na 1/2). Jednak Rasetti odkrył, że jądro azotu ma spin równy 1.

Odkrycie neutronu

W roku 1932 Chadwick odkrył, że promieniowanie zaobserwowane przez Walthera Bothe, Herberta Beckera oraz Irène i Frédéric Joliot-Curie wywoływane jest przez obojętną elektrycznie cząstkę o masie zbliżonej do masy protonu, nazwaną przez niego neutronem. W tym samym roku Dmitri Ivanenko zasugerował, że neutron ma spin równy 1/2, i że to neutrony są odpowiedzialne za masę jądra, oraz że jądro nie zawiera elektronów, a jedynie protony i neutrony. Spin neutronu rozwiązał problem spinu azotu-14, jako że jeden nieposiadający pary proton i jeden neutron (oba o spinie 1/2) mają łączny spin równy 1.

Dzięki odkryciu neutronu możliwe stało się obliczenie, energii wiązania poszczególnych jąder, przez porównanie masy jądra z masą tworzących je protonów i neutronów. Obliczone w ten sposób różnice w masach jąder oraz dokonane pomiary reakcji jądrowych okazały się zgodne z przewidywaną przez Einsteina równoważnością masy i energii.

Mezony

W roku 1935 Hideki Yukawa przedstawił pierwszą poważną teorię dotyczącą oddziaływania silnego wyjaśniająca siły wiążące protony i neutrony w jądrze. W oddziaływaniach Yukawy cząstka wirtualna, nazwana później mezonem, przenosiła oddziaływania między nukleonami. Oddziaływania te wyjaśniały, dlaczego jądra nie rozpadają się pod wpływem sił elektrostatycznych oddziaływających pomiędzy protonami. Wyjaśniała też, dlaczego oddziaływania silne maja mniejszy zasięg od oddziaływań elektrostatycznych między protonami. Odkryte później piony okazały się posiadać właściwości hipotetycznej cząstki Yukawy.

Dzięki pracy Yukawy powstał współczesny model atomu. W jego centrum umieszczona jest gęste jądro składające się z neutronów i protonów, które przyciągają się wzajemnie, uniemożliwiając samoczynny rozpad. Stabilność jądra jest zależna od stosunku liczby neutronów do liczby protonów, a także parzystości liczby protonów i neutronów. Niestabilne jądra mogą ulec rozpadowi alfa, polegającego na emisji wysokoenergetycznych jąder helu, lub rozpadowi beta polegającego na emisji elektronów lub pozytonów. Po rozpadzie jądro może znaleźć się w stanie wzbudzenia, co może prowadzić do emisji wysokoenergetycznych fotonów (rozpad gamma).

Badania nad słabymi i silnymi oddziaływaniami jądrowymi (oddziaływania słabe zostały wyjaśnione przez Enrico Fermiego w teorii Fermiego) zostały doprowadzone do etapu zderzania jąder i elektronów z bardzo wysokimi energiami. Badania te doprowadziły do powstania fizyki cząstek, którego najważniejszym elementem jest Model Standardowy który ujednolica oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne.