تعتبر الفيزياء النووية مسعى هاما لأن دراسة نواة الذرة هي في صميم قدرتنا على فهم الكون، ويوفر إجابات وتوسيع معرفتنا بكل صغيرة وضئيلة للغاية، على سبيل المثال لقد تعلمنا أن النواة موجودة نتيجة تفاعلات بسيطة نسبيا وبين جسيمات دون ذرية وأن هذه الجسيمات تشكل نظاما معقدا يجعل من الممكن بالنسبة لنا، وعالمنا وكوننا المرئي موجودا، ولكن ما زال هناك الكثير لتعلمه عن هذه الجسيمات والقوى المؤثرة فيها، وفي التعلم حول نواة الذرة والقوى التي تحكمها يقوم العلماء بتطوير المعرفة والتقنيات وأدوات البحث التي يمكن استخدامها، لتطوير مجموعة متنوعة من التطبيقات العملية غير المتوقعة في كثير من الأحيان .

الفيزياء النووية

الفيزياء النووية هي مجال الفيزياء التي تدرس النوى الذرية ومكوناتها وتفاعلاتها، كما يتم دراسة أشكال أخرى من المواد النووية، ولا ينبغي الخلط بين الفيزياء النووية والفيزياء الذرية التي تدرس الذرة ككل بما في ذلك إلكتروناتها، وقد أدت الاكتشافات في الفيزياء النووية إلى تطبيقات في العديد من المجالات، ويشمل ذلك الطاقة النووية والأسلحة النووية والطب النووي والتصوير بالرنين المغناطيسي والنظائر الصناعية والزراعية وغرس الأيونات في هندسة المواد والتأريخ بالكربون المشع في الجيولوجيا وعلم الآثار، وتدرس هذه التطبيقات في مجال الهندسة النووية، وتطورت فيزياء الجسيمات من الفيزياء النووية وعادة ما يتم تدريس هذين المجالين في ارتباط وثيق، كما إن الفيزياء الفلكية النووية وهي استخدام الفيزياء النووية للفيزياء الفلكية، أمر حاسم في تفسير العمل الداخلي للنجوم وأصل العناصر الكيميائية .

تاريخ الفيزياء النووية

يبدأ تاريخ الفيزياء النووية باعتباره تخصصا متميزا عن الفيزياء الذرية باكتشاف النشاط الإشعاعي بواسطة هنري بيكريل في عام 1896، وذلك أثناء فحص الفوسفور في أملاح اليورانيوم، وكان اكتشاف الإلكترون من قبل جيه طومسون بعد عام واحد مؤشرا على أن للذرة بنية داخلية، وفي بداية القرن العشرين كان النموذج المقبول للذرة هو نموذج “بودنج البرقوق” J. J. Thomson’s ، حيث كانت الذرة عبارة عن كرة مشحونة بشكل إيجابي مع إلكترونات أصغر سالبا ومشحونة داخلها، وفي السنوات التي تلت ذلك تم التحقيق على نطاق واسع في النشاط الإشعاعي، ولا سيما من قبل ماري وبيير كوري وكذلك من قبل ارنست رذرفورد والمتعاونين معه، وبحلول نهاية القرن اكتشف الفيزيائيون أيضا ثلاثة أنواع من الإشعاعات المنبعثة من الذرات والتي أطلقوا عليها اسم ألفا وبيتا وأشعة غاما، واكتشفت تجارب أوتو هان في عام 1911 وجيمس شادويك في عام 1914 أن طيف بيتا المتحلل كان مستمرا وليس منفصلا، أي أن الإلكترونات قد قذفت من الذرة مع نطاق مستمر من الطاقات وبدلا من الكميات المنفصلة من الطاقة التي لوحظت في جاما وألفا تتحلل، وكانت هذه مشكلة بالنسبة للفيزياء النووية في ذلك الوقت لأنه يبدو أنها تشير إلى أن الطاقة لم يتم حفظها في هذه الانحلالات .

وتم منح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1903 بشكل مشترك إلى بيكريل لاكتشافه، وإلى ماري وبيير كوري لأبحاثهما اللاحقة في النشاط الإشعاعي، كما حصل روثرفورد على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1908 عن “تحقيقاته في تفكك العناصر وكيمياء المواد المشعة”، وفي عام 1905 صاغ ألبرت أينشتاين فكرة تكافؤ الكتلة والطاقة في حين أن العمل على النشاط الإشعاعي من قبل بيكريل وماري كوري يسبق ذلك، وإن تفسير مصدر طاقة النشاط الإشعاعي يجب أن ينتظر حتى يكتشف أن النواة نفسها كانت تتألف من مكونات أصغر أي النيوكليونات .

اكتشاف فريق رذرفورد للنواة

في عام 1906 نشر إرنست روثرفورد “تأخر الجسيمات α من الراديوم في المرور عبر المادة”، وقام هانز غايغر بالتوسع في هذا العمل في اتصال بالمجتمع الملكي مع تجارب قام بها ورذرفورد مرورا بجسيمات ألفا عبر الهواء ورقائق الألومنيوم وورقة الذهب، وتم نشر المزيد من العمل في عام 1909 من قبل جيجر وإرنست مارسدن، وكذلك تم توسيع العمل بشكل كبير في عام 1910 بواسطة جيجر، وفي عام 1911-1919 ، ذهب روثرفورد أمام الجمعية الملكية لشرح التجارب وإظهار نظرية النواة الذرية الجديدة كما نفهمها الآن .

الفيزياء النووية الحديثة

يمكن أن تحتوي النواة الثقيلة على مئات من النويات، وهذا يعني أنه مع بعض التقريب يمكن معاملته كنظام كلاسيكي بدلا من معالج ميكانيكي كمومي، وفي نموذج إسقاط السائل الناتج تمتلك النواة طاقة تنشأ جزئيا من التوتر السطحي وجزءا من التنافر الكهربي للبروتونات، كما إن نموذج إسقاط السائل قادر على إنتاج العديد من السمات للنواة بما في ذلك الاتجاه العام لطاقة الربط فيما يتعلق بعدد الكتلة، بالإضافة إلى ظاهرة الانشطار النووي، كما تم اقتراح نماذج أخرى أكثر تعقيدا للنواة، مثل نموذج البوزون المتفاعل، حيث تتفاعل أزواج من النيوترونات والبروتونات كالبوزونات، بشكل مماثل لأزواج كوبر من الإلكترونات، وتحاول طرق ابتدائية حل المشكلة النووية المتعددة الجسد من الألف إلى الياء بدءا من النيوكليونات وتفاعلاتها .

الاضمحلال النووي

تحتوي العناصر الثمانون على نظير ثابت واحد على الأقل لا يلاحظ أبدا عندما يتحلل، أي ما مجموعه 254 نظيرا مستقرا، ومع ذلك فقد وصفت آلاف النظائر بأنها غير مستقرة، وتتحلل هذه “النظائر المشعة” عبر مقاييس زمنية تتراوح من كسور من ثانية إلى تريليونات من السنين، وتوضح طاقة الربط الخاصة بالنويدات كدالة للأرقام الذرية والنيترونية ما يعرف بوادي الاستقرار، وتقع النيوكليدات المستقرة على طول قاع وادي الطاقة هذا، في حين أن النيوكليدات غير المستقرة بشكل متزايد تكمن في جدران الوادي أي أنها تحتوي على طاقة ربط أضعف .