Elemente de fizica atomica si nucleara

1.Structura materiei

Materia din care este alcatuita natura inconjuratoare se prezinta intr-o mare diversitate de forme, structuri si proprietati. Aflata in permanenta miscare, materia este supusa unui proces legic de dezvoltare si transformare care inglobeaza atat schimbari cantitative cat si calitativecare sustin procesul de evolutie al trecerii de la materia anorganica la materia vie odata cu aparitia vietii.

Conceptual, materia se prezinta pana la momentul de fata , sub doua forme de existenta fundamentale , si anume: substanat si camp. Materia vie prezinta o forma superioara de organizare si existenta a materiei, fiind alcatuita din substanta vie si camp biologic. Materia vie se caracterizeaza printr-o mare eterogenitate si complexitate, prin capacitatea de a-si mentine structura si de a si-o reinnoi si adapta in functie de conditiile de mediu. Trebuie remarcat faptul ca la nivelul de organizare a materiei sunt prezente in mod implicit si caractere energetice si informationale , care au o contributie importanta la organizarea si functionarea structurilor specifice.

.Substanta. Este forma de existenta a materiei care are o structura

discontinua, discreta si care, in esenta, este alcatuita din microparticule din agregarea carora rezulta totalitatea corpurilor inconjuratoare. Substanta se prezinta sub cele patru stari de agregare cunoscute : solida, lichida, gazoasa si plasma.

Campul. Este forma de existenta a materiei cu o structura continua, prin intermediul careia particulele de substanta sunt unite in sisteme si prin care se transmit interactiunile dintre aceste particule. Dupa natura lui, campul poate sa fie : gravitational, electric, magnetic, electromagnetic, nuclear, biologic etc.

Cele doua forme de existenta a materiei sunt inseparabile si, de aceea, se spune ca materia reprezinta ,,dualitatea dintre substanta si camp". .In conformitate cu teoria cinetico-moleculara a substantei corpurilor

macroscopice, indiferent de starea lor de agregare, sint alcatuite dintr-un numar mare de particule (molecule, atomi, ioni) aflate intr-o continua miscare. Atomul reprezinta cea mai mica particula de substanta care mai pastreaza proprietatile chimice ale acesteia. Ordinul de marime al razei atomului de 10~10m = 1Ǻ. 0 serie de experiente (descarcarile electrice in gaze, electroliza si altele) au demonstrat ca atomul are o structura interna neomogena, fiind alcatuit dintr-un nucleu incarcat electric pozitiv inconjurat de unul

sau mai multi electroni incarcati electric negativ, care se rotesc in jurul nucleului. Deoarece atomul este neutru din punct de vedere electric, sarcina nucleului este compensata de sarcina electronilor. Nucleul contine nucleoni, reprezentati de protoni (particule incarcate electric pozitiv) si neutroni (particule care nu au sarcina electrica). Numarul protonilor (egal cu cel al electronilor) se noteaza cu Z, numit si numar de ordine al elementului chimic respectiv (din sistemul periodic al elementelor ) sau numar atomic. Atomul unui element chimic oarecare se mai caracterizeaza si printr-un numar de masa, notat cu A, reprezentind masa atomica exprimata in unitati atomice de masa, rotunjita la numar intreg.

In relatiile fizice se obisnuieste sa se noteze simbolul unui element chimic insotit de doi indici : numarul de masa A in stanga sus si numarul de ordine Z in stanga jos.

Cu ajutorul celor doua numere (A si Z) se poate determina numarul de neutroni (N) din fiecare nucleu, cu formula : N = A — Z.

Pentru a ajunge la o mai mare stabilitate structurala, atomii (cu exceptia atomilor gazelor inerte) au capacitatea de a interactiona. Datorita acestei tendinte naturale a atomilor de a se asocia (de a avea o anumita afinitate reciproca) se formeaza moleculele.

Etapa urmatoare este analizarea structurii moleculare si supramoleculare a materiei, deci si materiei vii. Deoarece acest subiect nu face obiectul acestui capitol, detalii in legatura cu aceste probleme vor fi prezentate in capitolul de biofizica moleculara.

Cunoasterea structurii si arhitecturii materiei, caracteristice diverselor trepte de organizare, este indispensabila cunoasterii proceselor si fenomenelor biologice, a vietii in general. Studiul structurii materiei (pornind de la nivelul atomic si subatomic) permite intelegerea si interpretarea structurilor si cunostintelor specifice lumii vii, a proprietatilor si functiilor acesteia, a dinamicii proceselor biologice, a interactiunilor cu mediul inconjurator etc.

In cele ce urmeaza se vor prezenta numai notiunile de fizica atomica si nucleara strict necesare cunoasterii si intelegerii principalelor probleme de biofizica.

PARTICULE FUNDAMENTALE SI ANTIPARTICULE

Descoperirea si cunoasterea proprietatilor particulelor considerate componente elementare ale substantei au constituit, dintotdeauna, subiecte de studiu care au interesat pe fizicieni,

chimisti si filozofi. Studierea acestor particule intereseaza si pe biologi deoarece permite intelegerea structurii atomilor (de exemplu, electronul este considerat substratul material al proceselor de oxidare si de reducere, de pozitivare si negativare), a nucleelor atomice, a interactiunii radiatiilor corpusculare cu materia vie (de exemplu, utilizarea particulelor denumite ,,mezoni" la tratarea tumorilor) etc.

Particula fundamentala. Prin aceasta se intelege particula de substanta care (la nivelul cunostintelor actuale) se comporta ca un tot unitar, careia nu i se poate pune in evidenta o structura interna si nici nu poate fi desfacuta in alte componente prin nici un fel de interectiune.

Fiecare particula fundamentala se caracterizeaza atat prin marimi fizice intilnite frecvent, ca de exemplu : masa de repaus, sarcina electrica, timp mediu de viata, moment cinetic de spin (moment cinetic propriu de rotatie numit pe scurt spin), moment magnetic, cat si prin marimi specifice.

Particulele fundamentale se pot clasifica dupa mai multe criterii (masa de repaus — m0, spin etc.). In prezent se considera ca exista patru clase importante de particule fundamentale, grupate pe intervale de mase de repaus : fotoni, leptoni, mezoni si barioni.

Fotonii sunt particule care nu au masa de repaus.Leptonii (de la grec. leptos = usor sau mic) sunt particule cu

masa de repaus de acelasi ordin de marime cu masa electronului (me).

Mezonii (de la grec. mesos = mijlociu) reprezinta o clasa intermediara de particule fundamentale a caror masa de repaus este cuprinsa intre masa electronului si cea a nucleonilor.

Barionii (de la baros = greu sau mare) sunt particule cu masa de repaus mai mare sau cel mult egala cu a nucleonilor.

In cele ce urmeaza sunt trecute in revista cateva dintre principalele particule fundamentale din cadrul acestor clase, impreuna cu cAteva dintre caracteristicile lor mai importante.

Fotonul (γ) este cuanta sau particula asociata campului electromagnetic. Fotonul nu are masa de repaus (ci numai masa de miscare) si nici sarcina electrica. El se deplaseaza cu viteza luminii (c = 3-10s m/s), iar timpul mediu de viata se considera infinit.

Neutrino (ν) este un lepton fara masa de repaus (dupa unii fizicieni) si fara sarcina electrica. Timpul mediu de viata se considera infinit. Se pare ca aceasta particula fundamentala (inca nu prea bine cunoscuta) se deplaseaza tot cu viteza luminii.

Electronul (e sau β) este un lepton a carui masa de repaus este foarte mica (me « 9,1 -10~31 kg). Deoarece masa sa este foarte

mica, in comparatie cu a mezonilor sau barionilor ea se neglijeaza. Sarcina electrica a electronului se considera la nivelul atomic de organizare a materiei ca unitate de sarcina electrica (sarcina electrica elementara) si are valoarea qe = e = -l,6-10-19 C.

Protonul (p) constituie particula a carui masa de repaus este luata ca unitate de masura, la scara atomica, reprezentind a 12-a parte din masa atomului de carbon:

m p= 1U= 1,66-10-27 kg.

Sarcina sa electrica este egala si de semn opus cu cea a electronului.In stare libera protonul este stabil, insa in anumite conditii el se poate dezintegra. Dupa unele incercari de determinare a vietii medii a protonului, se pare ca aceasta este de 6-1027 ani, un timp enorm chiar la scara cosmica.

Neutronul (I0n) reprezinta o particula fundamentala a carui masa

de repaus este aproximativ egala cu cea a protonului. Neutronul, dupa cum sugereaza si numele, nu are sarcina electrica. In stare libera, adica in afara nucleului atomic, neutronul se dezintegreaza spontan. Timpul mediu de viata este de aproximativ 917 s.

Pina in prezent au fost descoperite aproape 200 de particule fundamentale, iar studiul lor face obiectul unui capitol special numit fizica particulelor fundamentale. Ele au fost descoperite in majoritate dupa 1940 fie in radiatia cosmica fie in reactiile produse in acceleratoarele de particule.