Ydinfysiikka

Ydinfysiikka tutkii atomien ytimiä, niiden rakennetta, hajoamisia ja reaktioita. Ydinfysiikassa keskeisiä tutkimuslaitteita ovat hiukkaskiihdyttimet ja erilaiset säteilyn ilmaisimet. Hiukkaskiihdyttimet ovat tyypillisesti huomattavasti pienempiä kuin hiukkasfysiikassa käytettävät.

Ydin koostuu protoneista ja neutroneista, jotka vuorovaikuttavat keskenään vahvan vuorovaikutuksen välityksellä. Ytimen rakennetta ja energiatiloja arvioidaan usein niin sanotun kuorimallin perusteella. Kuorimalli on samankaltainen atomifysiikan Bohrin mallin energiatasojen ja elektronikuorien kanssa.

Ytimet voivat hajota joko vahvan vuorovaikutuksen välityksellä alfahajoamisen kautta tai heikon vuorovaikutuksen välityksellä beetahajoamisenatominatomin kautta. Alfahajoamisessa ytimestä sinkoutuu helium ydin. Betahajoamisessa ytimestä sinkoutuu elektroni ja neutriino tai positroni ja antineutriino. Raskaissa ytimissä voi tapahtua myös spontaani fissio, jossa ydin hajoaa kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi. Ydinvoimala perustuu tällaiseen hajoamisreaktioon.

Ytimellä on myös kvantittuneita energiatiloja (perustila ja viritystiloja). Viritystilassa oleva ydin voi palata perustilaan tai alempaan viritystilaan emittoimalla fotonin. Tällöin ytimen rakenne säilyy samana, se vain menettää viritystilojen välisen potentiaalieron verran energiaa. Tätä kutsutaan gammahajoamiseksi.

Ytimiä myös törmäytetään toisiinsa kiihdyttimillä. Näin on tarkoituksena valmistaa fuusioreaktion avulla uusia, raskaita ytimiä. Kaikki rautaeta raskaammat alkuaine on valmistettu tällä tavalla. Tulevaisuudessa mahdollisesti toteutuva fuusioreaktori puolestaan perustuu kevyiden ytimien törmäyttämiseen suuressa lämpötilassa.