náhled|Schematické zobrazení atomu Jaderná fyzika (též fyzika atomového jádra nebo nukleonika) je část fyziky, která se zabývá strukturou a přeměnami atomového jádra.
Pojmy jaderná a atomová fyzika se v běžném jazyce příliš nerozlišují a často se zaměňují (atomová energie a jaderná energie, atomová elektrárna a jaderná elektrárna). Z fyzikálního hlediska jde však o dva odlišné obory fyziky:
Jaderná fyzika zkoumá pohyb částic uvnitř atomových jader a jejich přeměny. Energie, která se při jejich pohybu uvolňuje se využívá v jaderných elektrárnách. Atomová fyzika se zabývá vlastnostmi a pohybem elektronů v elektronovém obalu atomu a nezajímá se o složení atomového jádra. Atomové jádro zůstává neměnné a funguje pouze jako kladně nabitý bodový náboj.
Objevy v jaderné fyzice vedly k využití v mnoha oborech. Patří sem jaderná energetika, jaderné zbraně, nukleární medicína a zobrazování magnetickou rezonancí, průmyslové a zemědělské izotopy, iontová implantace v materiálovém inženýrství a radiokarbonové datování v geologii a archeologii. Tyto aplikace se studují například v oboru jaderného inženýrství.
Z jaderné fyziky se vyvinula fyzika částic. Částicemi se zde rozumí částice subatomární, u kterých platí zákony kvantové fyziky. Jaderná astrofyzika, aplikuje poznatky jaderné fyziky v astrofyzice, má zásadní význam pro vysvětlení vnitřního fungování hvězd a původu chemických prvků.
Historie náhled|Schematické znázornění Thomsonova pudinkového modelu atomu Historie jaderné fyziky začíná objevem radioaktivního záření uranových solí (přirozená radioaktivita), který učinil v roce 1896 Antoine Henri Becquerel. O rok později objevil Joseph J. Thomson elektron a zformuloval pudinkový model atomu, podle něhož byly záporně nabité elektrony volně rozmístěny v kladně nabitém želé, které vyplňovalo celý atom. Thomsonův model byl uznávaným modelem atomu na začátku 20. století až do doby, kdy Ernest Rutherford jako první poukázal na to, že Thomsonův model není správný a předložil nový model atomu. Ten byl založen na řadě měření, ze kterých vyplynulo, že veškerá kladně nabitá hmota atomu je soustředěna ve velmi malém objemu. Z toho Rutherford usoudil, že atomy jsou snadno prostupné a kladný náboj i hmota atomů jsou soustředěny do velmi malého prostoru uprostřed atomu. Tuto část nazval jádro atomu.
V následujících letech se radioaktivitou intenzivně zabývali zejména Marie Curie-Skłodowská, Pierre Curie, Ernest Rutherford a další. Na přelomu století fyzikové také objevili tři druhy záření vycházejícího z atomů, které pojmenovali alfa, beta a gama záření. Experimenty Otto Hahna v roce 1911 a Jamese Chadwicka v roce 1914 ukázaly, že spektrum rozpadu záření beta není diskrétní, ale spojité. To znamená, že elektrony byly z atomu vyvrženy se spojitým, nikoli s diskrétním množstvím energie, které bylo pozorováno u rozpadů gama a alfa. To byl pro jadernou fyziku v té době problém, protože se zdálo, že energie se při těchto rozpadech nezachovává.
Becquerelovi byla v roce 1903 udělena Nobelova cena za fyziku společně s Marií a Pierrem Curieovými za následný výzkum radioaktivity. Rutherford získal Nobelovu cenu za chemii v roce 1908 za výzkum rozpadu prvků a chemii radioaktivních látek. V roce 1905 formuloval Albert Einstein myšlenku ekvivalence hmotnosti a energie. Navzdory předchozí práci Becquerela a Marie Curie o radioaktivitě, muselo vysvětlení zdroje energie radioaktivity počkat až na objev, že samotné jádro se skládá z menších složek, nukleonů.
Rutherfordův objev jádra
náhled|Ruthefordův planetární model atomu, elektrony jsou zelené a jádro je červené. V roce 1906 Ernest Rutherford publikoval práci „Zpomalení alfa částic z radia při průchodu hmotou“. Hans Geiger tuto práci rozšířil o experimenty, které provedl spolu s Rutherfordem, v nichž procházely alfa částice vzduchem, hliníkovou a zlatou fólií. Další práce publikovali Geiger a Ernest Marsden v roce 1909 a následující rok publikoval Geiger značně rozšířenou práci. V letech 1911–1912 vystoupil Rutherford v Londýně před Královskou společností, aby provedené experimenty vysvětlil.
Asistent Ernesta Rutherforda, profesor Hans Geiger, a tehdy vysokoškolský student Ernest Marsden provedli v průběhu roku 1909 na univerzitě v Manchesteru experiment, při němž Geiger a Marsden pod Rutherfordovým dohledem ostřelovali zlatou fólii jádry helia. Thomsonův model atomu předpovídal, že částice alfa by měly z fólie vycházet jen s mírně vychýlenými trajektoriemi. Rutherforda ale při pozorování zaujalo, že některé částice se od svého směru odklonily velmi výrazně. Přirovnal to ke střelbě do hedvábného papíru, od kterého se kulka odráží. Tento objev a následná analýza dat v roce 1911 vedly k Rutherfordovu modelu atomu, podle něhož měl atom velmi malé a velmi husté jádro, které obsahovalo většinu jeho hmotnosti a skládalo se z těžkých kladně nabitých částic, kolem nichž obíhaly elektrony, aby se náboj vyrovnal, neutron tehdy ještě nebyl znám. Nicméně Rutherford existenci poměrně hmotné elektricky neutrální částice předpokládal. Když byl v roce 1932 neutron objeven, nazval ho James Chadwick neutron, podle Rutherfordova návrhu.
Eddington a hvězdná jaderná fúze Kolem roku 1920 předpověděl Arthur Eddington ve svém článku The Internal Constitution of the Stars (Vnitřní stavba hvězd) objev a mechanismus jaderné fúze ve hvězdách. V té době byl zdroj energie hvězd neznámý. Eddington správně předpokládal, že zdrojem je fúze vodíku na helium, při níž se uvolňuje obrovská energie podle Einsteinovy rovnice E = mc2. To byla tehdy překvapivá myšlenka, protože v té době ještě nebyla objevena fúze ani termonukleární energie, a dokonce ani to, že hvězdy jsou z velké části složeny z vodíku.
Studium jaderného spinu Rutherfordův model fungoval poměrně dobře až do doby, kdy Franco Rasetti provedl v Kalifornském technologickém institutu v roce 1929 studie jaderného spinu. V roce 1925 už bylo známo, že protony a elektrony mají spin ± 1⁄2. V Rutherfordově modelu dusíku-14 se mělo 20 z celkových 21 jaderných částic spárovat, aby se jejich spin vzájemně vyrušil, a poslední lichá částice měla opustit jádro s čistým spinem 1⁄2. Rasetti však zjistil, že dusík-14 má spin 1.
Chadwickův objev neutronu V roce 1932 si James Chadwick uvědomil, že záření, které pozorovali Walther Bothe, Herbert Becker, Irène a Frédéric Joliot-Curie, je ve skutečnosti způsobeno neutrální částicí o přibližně stejné hmotnosti jako proton, kterou nazval na základě Rutherfordova návrhu o existenci takové částice neutron. V témže roce Dmitrij Ivaněnko navrhl, že jádro neobsahuje žádné elektrony, ale pouze protony a neutrony, a že neutrony jsou částice se spinem 1⁄2, což vysvětluje hmotnost, která není způsobena protony. Spin neutronů okamžitě vyřešil problém spinu dusíku-14, protože jeden nespárovaný proton a jeden nespárovaný neutron v tomto modelu přispívaly každý spinem 1⁄2 ve stejném směru, což dávalo konečný celkový spin 1.
S objevem neutronu mohli vědci vypočítat, jakou část vazebné energie má každé jádro, a to porovnáním jaderné hmotnosti s hmotností protonů a neutronů, které ho tvoří. Tímto způsobem se vypočítávaly hmotnostní úbytky při vytváření atomových jader. Při měření jaderných reakcí bylo zjištěno, že se shodují s přesností na 1 % s Einsteinovým výpočtem ekvivalence hmotnosti a energie E = mc2.
Procovy rovnice pole hmotného vektorového bosonu Alexandru Proca jako první vypracoval a oznámil rovnice pole hmotného vektorového bosonu a teorii mezonového pole jaderných sil. Procovy rovnice znal Wolfgang Pauli, který se o nich zmínil ve svém nobelovském projevu, a dále s nimi byli obeznámeni Hideki Yukawa, Gregor Wentzel, Mitsuo Taketani, Šóiči Sakata, Nicholas Kemmer, Walter Heitler a Herbert Fröhlich, kteří ocenili obsah Procových rovnic pro rozvoj teorie atomových jader v jaderné fyzice.
Yukawův mezon V roce 1935 navrhl Hideki Yukawa existenci nového druhu částice, později nazvané mezon, aby vysvětlil, jak na sebe protony a neutrony v jádře vzájemně působí. Podle jeho teorie silné interakce zprostředkovává mezon sílu mezi všemi nukleony, včetně protonů a neutronů. Tato síla vysvětluje, proč se jádra nerozpadají vlivem odpuzování protonů, a proč má přitažlivá silná interakce omezenější dosah než elektromagnetické odpuzování mezi protony.
Yukawovy práce dokončily moderní model atomu. Střed atomu obsahuje těsnou kouli neutronů a protonů, kterou drží pohromadě silná jaderná síla, pokud není příliš velká. Nestabilní jádra mohou projít rozpadem alfa, při kterém uvolňují energetické jádro helia, nebo rozpadem beta, při kterém uvolňují elektron (nebo pozitron). Po tomto rozpadu může výsledné jádro zůstat v excitovaném stavu a v takovém případě se rozpadá vyzařováním vysokoenergetických fotonů (rozpad gama) do základního stavu.
Fyzika vysokých energií Studium silných a slabých jaderných sil (slabou vysvětlil Enrico Fermi prostřednictvím Fermiho interakce v roce 1934) a zkoumání hlubší struktury atomových jader i jednotlivých nukleonů vyžadovalo experimenty se srážkami jader a elektronů při stále vyšších energiích, dosahovaných v urychlovačích. Jejich rozvoj spolu s vývojem nových dokonalejších detektorů se staly jedním z nejvýznamnějších oborů experimentální jaderné fyziky. Vedle toho pokračovaly i objevy dalších částic, mimo jiné i studiem kosmického záření. Z těchto výzkumů se z jaderné fyziky vyčlenila a jako samostatná věda se etablovala částicová fyzika (též zvaná fyzika vysokých energií).
K teoretickému objasnění interakcí mezi částicemi (nejen v atomovém jádře) přispěl rozvoj kvantové teorie pole, zejména kvarkového modelu hadronů a kvantové chromodynamiky. Složitost na ní založených výpočtů však zatím neumožňuje nahradit empirické modely atomového jádra výpočty jaderných sil jako zbytkových sil z barevné interakce mezi kvarky uvnitř nukleonů a mezonů. (Dosaženou úroveň lze ilustrovat výpočtem silné interakce mezi protonem a mezonem charmonium, provedeným na superpočítačích v modelu mřížkové kvantové chromodynamiky, publikovaným v roce 2025.)
Vrcholným dílem je standardní model částic a interakcí, který jednotně popisuje silné, slabé a elektromagnetické síly a podává základní hierarchii elementárních částic.
Moderní jaderná fyzika
Kapkový model Kapkový model atomového jádra, který vycházel z představy, že jádro ve tvaru koule je nestlačitelná kapalina (kapka) a obsahuje protony a neutrony, vymyslel George Gamow v roce 1928 v Kodani. Nukleony byly podle této teorie koule o stejném poloměru, které jsou v jádře uspořádány do co nejmenšího objemu.
Termín kapkový model se ale ujal až později zásluhou Nielse Bohra a Fritze Kalckara, kteří ve svých publikacích Gamowovu práci o rozpadu α částic sice uváděli, ale nezmiňovali přímo jeho představu kapkového modelu. V letech 1936 a 1937 Bohr s Kalckarem kapkový model jádra rozvinuli, oproti předchozím statistickým představám kapkového modelu přišli s myšlenkou jaderné excitace, tj. možnosti atomového jádra přejít do stavu s vyšší energií než má jeho základní stav.
Společně s Yakovem Frenkelem použil Bohr úspěšně kapkový model k teorii štěpení těžkých jader. Po pohlcení neutronu se jádro silně excituje, dochází k jeho deformaci a následně může dojít k jeho rozštěpení na dvě nebo více lehčích jader. Přestože se pomocí tohoto modelu dají vypočítat základní charakteristiky jader (hmotnost, vazební energie, stabilita), jedná se jen o velmi hrubou aproximaci skutečných poměrů v jádře. náhled|Bohrův model atomu
Bohrův model složeného jádra