Science & Technologies

المجرة Galaxy
هي نظام كوني مكون من تجمع هائل من النجوم، الغبار، والغازات،و المادة المظلمة[1][2] التي ترتبط معاً بقوى الجذب المتبادلة وتدور حول مركز مشترك. يقدر الفلكيون أن هناك حوالي 1010 إلى 1012 مجرة تقريباً في الكون المنظور [3], أبعد مجرات تم تصويرها تبعد حوالي 10 إلى 13 مليار سنة ضوئية، تتراوح في أحجامها بين المجرات القزمة، التي لا يتعدى عدد نجومها العشرة ملايين نجم وتكون مساحتها حوالي بضعة آلاف سنة ضوئية، إلى المجرات العملاقة التي تحتوي على أكثر من (10)12 نجمة وحجمها يصل إلى نصف مليون سنة ضوئية. وكذلك، قد تحتوي المجرة الواحدة على أنظمة نجمية متعددة على شكل تجمعات نجمية، وقد تحتشد مجموعة من النجوم لتكون عناقيد نجمية أو مجموعات شمسية، وقد تحتوي أيضا على سدم وهي عبارة عن سحب غازية كثيفة.
مجرتنا
ومجرتنا اسمها مجرة درب التبانة أو الطريق اللبني، والتي يوجد فيها أكثر من مائتي مليار من النجوم وتحوي الكثير من المجاميع النجمية، بما فيها المجموعة الشمسية، والتي ينتمي إليها كوكبنا كوكب الأرض تضم أيضا نجوما تنطلق بسرعة تزيد عن 300 كيلومتر في الثانية
سميت المجرات تبعا لأشكالها
تاريخياً، كانت المجرات تصنف وفقاً لشكلها المظهري (عادةً حسب صورة التفافها). المجرة الإهليلجية (البيضوية) هي مجرة شهيرة، وتتخذ شكل القطع الناقص في مظهرها، فيما تأخذ المجرات الحلزونية شكلاً لولبياً له أذرع غبارية.
المجرات التي تملك شكلاً غير عادي ولا تأخذ شكلاً منتظماً تعرف عادة بالمجرات الغريبة، ويعود تشوهها لقوى الجذب من المجرات المجاورة. هذا التجاذب بين المجرات يؤدي في نهاية المطاف إلى التحامها معاً مما يؤدي إلى مراحل من زيادة تكوين النجوم.
وتصادم المجرات يحدث في الكون بشكل اعتيادي بل يعتقد أن سحابتا ماجلان قد أصطدمتا في الماضي السحيق بمجرتنا وعندما يحدث الصدام بين المجرات فإن ما يحدث ليس مفجعا كما يتبادر إلى الأذهان.
والمجرات الصغيرة التي لا تملك هيكلاً واضحاً يمكن أن تسمى مجرات غير منتظمة.
الفضاءات بين المجرات عبارة عن غازات رقيقة بمعدل كثافة يبلغ أقل من ذرة واحدة للمتر المكعب. ومعظم المجرات منظمة بترابط فيما بينها وهذا التكوين بينها يدعى عنقوداً، وهذه العناقيد إن ترابطت فيما بينها أيضاً تدعى حينها عناقيد الكون هائلة.
برغم أنها لم تفهم بعد، إلا أن المادة المظلمة تشكل نحو 90% من كتلة معظم المجرات. وتشير معلومات الملاحظات الفلكية أن الثقوب السوداء العظيمة تقع في غالب -إن لم يكن كل- مراكز المجرات.
واكتشف علماء الفلك إنه هنالك الملايين من المجموعات الشمسية في المجرة الواحدة، تتباعد المسافات بينها إلى حد كبير، ولا مجال للزحام في هذا الكون السحيق، فمثلا مجموعة المرأة المسلسلة التي هي أقرب المجموعات الكبيرة إلينا تبعد عنا أكثر من مليوني سنة ضوئية.
وتقع مجرتنا(مجرة درب التبانة) في نظام مجري يحوي مجموعة من المجرات يسمى المجموعة المحلية
توزيع المجرات
المجرات موزعة بشكل غير متساو في الفضاء. ففي حين يكون بعضها وحيدا وبعيدا نسبيا بسنوات ضوئية طويلة عن أي مجرة أخرى قريبة. وتكون مجرات أخرى في أزواج، كل في مدار مع الأخرى. ولكن معظم المجرات توجد في مجموعات تسمى عناقيد مجرية (clusters) (ويجب عدم الخلط بينها وبين العناقيد النجمية). وقد تحتوي هذه العناقيد على مجموعة من بضع عشرات إلى عدة آلاف من المجرات. وقد يصل قطر بعضها إلى 10 مليون سنة ضوئية.
العناقيد المجرية بدورها تتجمع في بنية هيكلية أضخم تسمى العناقيد المجرية الهائلة. وهي مرتبة في شبكات ضخمة. وهذه الشبكات تتكون من خيوط متشابكة أو شعيرات من المجرات المحيطة نسبيا فارغة المناطق تعرف بإسم (voids) أو (فراغات). وواحدة من أكبر تلك الهياكل عبارة عن شبكة من المجرات المعروفة باسم السور الكبير (The Great Wall). يبلغ طول هذا الهيكل 500 مليون سنة ضوئية وعرضه 200 مليون سنة ضوئية.
[طريقة تكون المجرات
وجدت العديد من النظريات حول طريقة تكون المجرات، إلا أن أكثر هذه النظريات شيوعاً تنص على أن أصل المجرات هي في الواقع غازات داكنة، تبدأ جزيئاتها في الاحتشاد بفعل قوى الجاذبية فيما بينها حتى تتحول إلى غيمة غازية ضخمة. ثم تبدأ الغيمة بالدوران حتى تصل إلى الشكل المطلوب.

ويرى الفلكيون إن أكثر من ألف مليون مجرة تقع في مدى الرؤية بالمناظير، وأنها تتخذ أشكالاً متنوعة، كما أن النجوم التي تحويها المجرات تندرج تحت أنماط عامة، وباختصار فإن المجرات الإهليجية (البيضاوية) تغلب فيها النجوم الحمراء المتقدمة في السن، أما المجرات الحلزونية ففيها خليط من النجوم المتقدمة والنجوم حديثة النشأة. أما المجرات غير المنتظمة الشكل فالنجوم السائدة فيها هي النجوم الزرقاء حديثة النشأة. ويوحي ذلك للفلكيين أن المجرات ذاتها قد تكون في حالة تغير ونمو وأن المجرات غير المنتظمة تمثل فيها مرحلة شبابها، والمجرات البيضوية تمثل مرحلة الشيخوخة، وهذا رأي مقنع، ولكن هناك نواحي محيرة في ما يختص بتكون النجوم والمجرات وأعمارها ولا يمكن تفسيرها بالوقت الحاضر. ويرى بعض العلماء إن سرعة سحابة من الغاز وحجمها وكثافتها يمكن أن تحدد نوع المجرة التي ستنشأ عنها، فإذا كانت السحابة كبيرة وكثيفة فإنها تستهلك مادتها النجمية الغازية، وتتكثف بسرعة مكونة نجوما، ولا تلبث إلا قليلاً حتى تتحول إلى مجرة إهليجية (بيضاوية)، أما السحابة خفيفة الوزن، الرقيقة، التي لا تخضع لنظام، فإنها تنمو ببطء وتحتفظ بجزء من غازها وترابها لتكثفات تحدث فيما بعد. بل إن هناك احتمالاً في أن تكون أطول المجرات أعماراً وأقلها انتظاماً مجرات غير مضيئة في الغالب، أي مجرد نجوم متفرقة حديثة النشأة، يحيط بها غازات قاتمة ورقيقة. والاعتقاد الجازم لدى جميع العلماء هو أن النجوم نشأت كلها في وقت واحد عند الانفجار الكبير
ظاهرة الالتهام والالتهام الذاتي للمجرات
منذ أواسط السبعينات من القرن العشرين لاحظ العلماء ان مجرة درب التبانة تسعى إلى أبتلاع مجرتي ماجلان الكبرى والصغرى فيما يعرف بتصادم المجرات عن طريق جسر مادي يتخذ شكل الحلقة حول قطبي المجرة نفسها. وتبين للباحثين ان مجرتنا لا تكتفي بتغيير شكل هاتين المجرتين فحسب (من خلال قوة الجذب الهائلة التي تتناسب طردياً مع كتلتيهما الأمر الذي يؤدي إلى تكوين ما يعرف بظاهرة المد والجزر على غرار الظاهرة المعروفة على الأرض)، بل تحاول انتزاع المجرتين بكامل مادتهما، الأمر الذي يثبت لنا شره درب التبانة غير المتناهي. وتشير حسابات الفلكيين إلى ان مجرتي ماجلان ستنتهيان يوماً ما خلال دورانهما حول المجرة، (درب التبانة) داخل أحد ثقوبها السود. ويعتقد العلماء أن هذا الأمر حدث قبل 8 مليارات سنة عندما كانت مجرتنا في عز شبابها، حيث قامت بابتلاع إحدى المجرات القريبة، وهذا ليس بالأمر الصعب، بل نجد آثاره في قرص المجرة نفسها، حيث ينقسم هذا القرص إلى قسمين: أحدهما رقيق نجده في جميع المجرات الحلزونية وتكون سرعة نجومه متشابهة، والآخر سميك ويتراكب فوق القرص الأول لكن مادته النجمية أقل كثافة من مادة القرص الرقيق، إلا أن النجوم التي وجدها العلماء في هذا القسم تنطلق بسرعات تختلف كثيرا فيما بينها، ويقول هؤلاء ان هذه النجوم ليست سوى بقايا لمجرة تم ابتلاعها من قبل مجرتنا يوماً ما.
وتشير الباحثة فرانسواز كومبس من مرصد باريس إلى أن بعض المجرات المشابهة لمجرتنا لا تمتلك قرصا سميكاً، وهو ما يدل على أنها كانت أكثر هدوءاً من غيرها وأقل شرهاً. وتضيف كومبس أن من أهم الأشارات الدالة على حدوث أندماج عنيف بين مجرة درب التبانة وإحدى المجرات الأخرى، هو عمر الكتل النجمية التي تحيط بنا حيث يلاحظ أن عمر هذه المجموعات النجمية الشديدة التراص، قديم جدا وأنها تتشكل أثناء تصادم مجرتين متجاذبتين.
ويذكر أن مجرتنا شوهدت في عام 1994 وهي في خضم إحدى عمليات الألتهام، ففي ذلك العام أكتشف الباحث رودريجو ايباتا أثناء تحضيره رسالة الدكتوراه في جامعة كامبريدج، منطقة نجمية قريبة من مركز المجرة تتميز بكثافة عالية غير عادية، ولاحظ رودريجو أن هذه المنطقة كانت أكبر من أن تكون مجرد تجمعات نجمية، ولذا فقد أطلق عليها “مجرة القوس القزمة” لأنها وجدت في كوكبة برج القوس، وعلى وجه السرعة أعتبر العلماء هذه المجرة أنها أقرب المجرات إلى الشمس حيث تقع على مسافة تبلغ 75 ألف سنة ضوئية منها مقابل 179 ألف سنة ضوئية بالنسبة لسحابتي ماجلان. وأثبتت الأبحاث اللاحقة على مجرتنا أنها في مرحلة تسعى فيها إلى تفكيك المجرة المكتشفة في برج القوس، لا سيما أن أذرعها تمتد حول قطبي مجرتنا. وتشير آخر الدراسات التي أجريت باستخدام برامج المحاكاة إلى أن مجرة برج القوس لن تقاوم لفترة طويلة، إذ لا تكاد تنهي دورة أو دورتين حول مجرة درب التبانة، حتى تتشتت بنجومها داخل النواة المركزية.
يرى الباحثون أن ظاهرة “الالتهام الذاتي” ليست محصورة في منطقة درب التبانة كمجرة، بل ثمة آلاف الثقوب السود الأخرى الصغرى المعروفة باسم “الثقوب السودالنجمية” والتي تقطن في بقية أجزاء المجرة. ويشير دانييل روان إلى أن هذه الثقوب عبارة عن بقايا لنجوم هائلة أنفجرت وأنهدمت على نفسها من الداخل، ويمكن لهذه النجوم أن تكون ثقوباً سوداً تصل كتلها إلى عشر أمثال كتلة الشمس لكن شريطة أن تكون الكتل محصورة ضمن حيز صغير نوعا ما، أي ما يماثل كرة بنصف قطر يبلغ 3 كيلومترات وتحتوي على كتلة تعادل كتلة الشمس.
أنواع المجرات
يمكن تصنيف المجرات بحسب الأشكال التي تتخذها.
مجرات اهليلجية (بيضوية)
هي مجرات بيضوية وقرصية الشكل
مجرات حلزونية
هي مجرات تشبه الحلزون الملتف.
مجرات حلزونية عادية
تكون نواتها كروية وتنبثق منها الأذرع الحلزونية.
مجرات حلزونية عصوية
تكون نواتها مستطيلة وتنبثق منها الأذرع الحلزونية من نهايتي النواة.
مجرات عدسية
هي مجرات يكون شكلها مثل العدسة تنتفخ نواتها إلى جوانبها.
مجرات غير منتظمة
وهي مجرات تظهر بشكل عشوائي غير منتظم وليس لها شكل معين مثل المجرات البيضوية والحلزونية والكروية، ويحتوي معظم هذه المجرات غير المنتظمة على سحب غازية متلبدة ونجوم زرقاء لامعة

القمر هو قمر طبيعي يدور حول الأرض، متوسط المسافة بينه و بين الأرض هي 384.400 كم. قطره (+3476 كم) هو أقل من ثلث الأرض ، وسطحه هو جزء الرابع عشر من الأرض (37٬700٬000 كم 2) ، وحجمه حوالي الخمسين مرة أقل من الأرض (+21860000000 كم 3).
تاريخ
عرف القمر باللغات السامية القديمة ومنها العربية بإسم سنين ومنه اشتق اسم شبه جزيرة سيناء وجبل صنين في لبنان. جانب القمر الذي لا يُرى من الأرض يسمّى "الجانب البعيد"، أو "الجانب المظلم"، وسمّي بهذا الاسم لعدم قدرة بني البشر من النظر إليه من الأرض، فلو كانت هناك مركبة فضائية على هذا الجانب المظلم فسيتعذر الإتصال اللاسلكي بين الأرض وبين مركبة الفضاء.
مكونات القمر
منذ أربع مليارات سنة ونصف، كان القمر مغطّى بالحمم البركانية المنصهرة والتي شكّلت محيطات من الحمم على سطح القمر.ومنذ هذا الوقت إلى اليوم القمر يبعد عن أرضنا 2.5 أنش كل عام. وتتكون قشرة القمر من المواد الأوّلية التّالية : يورانيوم، ثوريوم، بوتاسيوم، أكسجين، سيليكون، مغنيسيوم، حديد، تيتانيوم، كالسيوم، المنيوم، والهيدروجين. وعندما تسقط الإشعاعات الكونية على تلك العناصر الأولية، تقوم تلك العناصر على إنعكاس تلك الإشعاعات بخواصّ مختلفة تعتمد على طبيعة العنصر الأولي العاكس للإشعاع وبصورة إشعاعات "جاما". وتجدر الإشارة ان بعض العناصر الأولية على سطح القمر تُصدر إشعاعات جاما بدون الحاجة لتعرّض تلك المواد الأولية لأي نوع من الإشعاعات الكونية كاليورانيوم أو البوتاسيوم والثوريوم.

وجود الماء
قامت النيازك والشهب بالإصدام بالقمر مرات ومرات عديدة، ويُرى ذلك جلياُ في النتوءات الواضحة على سطح القمر. وقد حمل الكثير من تلك النيازك والشهب الماء، وحطّ على سطح القمر بمعيّة النيازك والشهب، وبمجرّد تعرض ماء النيازك والشهب لحرارة الشمس، يتفكك الماء لمكوّناته الأصلية (هيدروجين وأكسجين)، وتبدأ هذه العناصر في التطاير في الفضاء، وتبقى فرضية وجود الماء قائمة إمّا بوجوده على السطح، أو تحت قشرة القمر.
يلاحظ على سطح القمر مناطق واسعة وكانها على شكل احواض مائية ولكنها في الحقيقة خالية من الماء ولكن لماذا نراها وكانها
الخسوف و الكسوف
كسوف كلي للشمسيخسف القمر إذا وقعت الأرض بين أشعّة الشمس وبين جزء من القمر أو كلّ القمر، فظلّ الأرض حين تمرّ في مجراها حول الشمس يقع على القمر ويرى أهل الأرض وكأن القمر قد أُقتُطِع من نوره شيء. وننوه هنا أن ليس للقمر نور طبيعي وما النور السّاطع من القمر إلا إنعكاس أشعّة الشمس من على القمر إلى الأرض، فيراه من على الأرض وكأنه ذو نور ساطع. ولا تحدث ظاهرة خسوف القمر إلا في حالة القمر المكتمل (بدر). أمّا في ما يخصّ الكسوف، فيحصل الكسوف للشمس حين يحجب القمر أشعّة الشمس عن الأرض، وتحدث ظاهرة الكسوف في بداية تكوين القمر (هلال

الضوء هو إشعاع كهرومغناطيسي ذو طول موجي، يمكن العين البشرية أن تراه إذا وقعت طول موجته بين نحو 750 نانومتر (الضوء الأحمر) و370 نانومتر (الضوء البنفسجي )، والعين تستطيع رؤية الأجسام غير الشفافة من خلال انعكاس الضوء عليها . كلمة الضوء تطلق على هذا الحيز الوسطي من طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمتد من موجات الراديوية (أو موجات الراديو) المستعملة في إرسال الراديو بطول موجة بين السنتيمتر وعدة كيلومترات ، ويمتد من الناحية الأخرى للطيف المرئي من الأشعة الفوق بنفسجية ، إلى الأشعة السينية ، ثم إلى أشعة جاما التي تصدر من أنوية الذرات ولها طاقات عالية ، ودرجة نفاذ عالية .
الضوء المرئي
يمكن تعريف هذا المدى من طيف الموجات الكهرومغناطيسية بإنه ذلك الطيف الذي يمكن أن يؤثر في العين فتحس بالرؤية، ويبدأ طيف الضوء المرئي عند اللون البنفسجي و ينتهي عند اللون الأحمر. و نظرًا لأن حساسية العين تختلف باختلاف طول موجة الأشعة الضوئية المستقبلة فهي قادرة على التمييز بين الألوان المختلفة. و تكون حساسية العين أكبر ما يمكن عند الطول الموجي الذي يقع بين الأخضر و الأصفر. و تقاس أطوال الموجات الضوئية بوحدات صغيرة جدا مثل الميكرومتر و النانومتر و الانجستروم.
يمكن ملاحظة اختلاف الطول الموجي بالعين ثم يترجم داخل العقل للون من الأحمر وهو ذو أطول موجة حيث أن طوله الموجي 700 نانومتر، والبنفسجي ذو أقصر طول موجي حيث أن طوله الموجي حوالي 400 نانومتر، وبينهم ترد مختلف الألوان كالبرتقالي ، والآخضر، والأزرق.
الطول الموجي الطيف الكهرومغناطيسي خارج مجال رؤية العين يطلق علية الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. تستطيع بعض الحيوانات رؤية بعض الأطوال الموجية الطويلة مثل النحل.
ن تعرض الجلد للأشعة فوق البنفسجية لفترة طويلة يمكن أن يسبب حروق الشمس أو سرطان الجلد، و نقص التعرض يسبب نقص فيتامين د.

طبيعة الضوء و انتشاره
ينتشر الضوء في جميع الاتجهات وبسرعة فائقة جداً لدرجة لا يوجد في حياتنا اليومية أي شيء يدعونا للقول أنه يتحرك أسرع من الضوء يكون انتشار الضوء في خطوط مستقيمة. لذلك فان لكل جسيم ظل عند سقوط الضوء عليه أو على أي شي يصدر منه , لذلك يمكن القول بأن انتشار الضوء بخطوط مستقيمة هو مبدأ علمي يتحقق من مشاهدة الظل وكذلك فإن تجمع الضوء بالعدسات و بالكاميرات هو تطبيق لهذه الحقيقة . تختلف حساسية العين باختلاف الطاقة الإشعاعية المستقبلة من الأجسام المضيئة أو المرئية والعين قادرة على التمييز بين الألوان المختلفة المكونة لضوء العادي ضوء الشمس المرئي الواصل لسطح الأرض حيث لكل لون خواص مختلفة عن اللون الآخر . حيث تقع حد حساسية العين في التمييز أو الرؤية للألوان أي للموجات الضوئية بين الضوء الذي طول موجته (4000A أو 400 نانو متر) إلى (7000A أو 700 نانومتر) أي هاتين القيمتين هما حدود الإحساس بالرؤية. لكن للعين أيضاً أن تكشف ضوء بطول موجة خارج عن هذه الحدود إذا كانت شدة الضوء عالية لدرجة كافية وتستخدم الألواح الفوتوغرافية والكاشفات الإلكترونية الحساسة للكشف عن الإشعاع بدلاً عن العين البشرية وخاصة خارج الحدود المذكورة (4000-7000A) هذه الحدود تعرف بحدود الضوء المرئي (visible light).
وحسب تعريفنا السابق للضوء فيمكن أن نعطي تعريف لطبيعة الضوء واستناداً إلى معادلات ماكسويل و نظرية الكهرومغناطيسية بأنه عبارة عن اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر على هيئة موجات مستعرضة ، جزء منها يتغير فيها الجهد الكهربي دوريا ً والجزء الآخر يتغير فيه المجال المغناطيسي دوريا أيضا وبنفس معدل تغير الجهد الكهربي . والإثنان متعامدين على بعضهما .
موجة يتغير فيها المجال الكهربي E متعامدا على موجة يتغير فيها مجال مغناطيسي B. وتنتشر الموجة في الاتجاه k العمودي على المستوي الذي ينغير فيه المجالان (أي من اليسار إلى اليمين )وتتميز الموجة الكهرومغناطيسية عامة بالعوامل التالية :

1- سعة الموجة (a) بالمتر.

2- طول الموجة (λ) بالمتر.

3- سرعة الموجة (υ) متر/ثانية.

4- التردد (f) هرتز أي دورة/ثانية.

5- العدد الموجي (k) أي عدد الموجات لكل وحدة طول والذي يساوي (2Π/ λ) (متر)^(-1).

6- الترددالزاوي (ω) والذي يساوي (ω=2Πf).

العلاقة الخاصة بسرعة الموجات تعطى كالتالي (υ=λ.f) ، وفي حالة الموجات الكهرومغناطيسية تكون العلاقة c =λ.f حيث c سرعة الضوء في الفراغ . و هي تقدر ب 300000 كيلومتر / ثانية.

وقد أثبت أينشتين في النظرية النسبية أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة لا تتغير ، وأنها أعلى سرعة على الإطلاق ولا تستطيع الأجسام الوصول إليها . حيث أن الأجسام تزيد كتلتها كلما إقتربت سرعتها من سرعة الضوء .

وفي علم البصريات والموجات تقاس الأطوال بوحدات صغيرة جداً والمستخدم هو الميكرومتر μm ، و المللي ميكرومتر mm ، أو النانومتر nm ، أو الانجستروم A ، حيث :

1A=10^(-10) meter

1μ=10^(-6) meter

1 nm = 10 ^(-3)µm=10^(-9) meter

فمثلاً طول الموجة الضوء الأصفر هي (5890A) وهي ضمن حدود حد الرؤية (4000A-7000A) ومنبع الضوء حولنا هي الشمس وهذا لا يعني أن الشمس فقط هي مصدر الضوء الوحيد ، فالنجوم و المجرات تـُصدر ضوءا . وفى حياتنا اليومية نحصل على الضوء بواسطة الكهرباء و المصابيح . ولاننسى النار فهي أيضا مصدر للضوء.

History
The discovery of the electron by J. J. Thomson was the first indication that the atom had internal structure. At the turn of the 20th century the accepted model of the atom was J. J. Thomson's "plum pudding" model in which the atom was a large positively charged ball with small negatively charged electrons embedded inside of it. By the turn of the century physicists had also discovered three types of radiation coming from atoms, which they named alpha, beta, and gamma radiation. Experiments in 1911 by Lise Meitner and Otto Hahn, and by James Chadwick in 1914 discovered that the beta decay spectrum was continuous rather than discrete. That is, electrons were ejected from the atom with a range of energies, rather than the discrete amounts of energies that were observed in gamma and alpha decays. This was a problem for nuclear physics at the time, because it indicated that energy was not conserved in these decays.
In 1905, Albert Einstein formulated the idea of mass–energy equivalence. While the work on radioactivity by Becquerel, Pierre and Marie Curie predates this, an explanation of the source of the energy of radioactivity would have to wait for the discovery that the nucleus itself was composed of smaller constituents, the nucleons.

Modern nuclear physics
Main articles: Liquid-drop model and Shell model
A heavy nucleus can contain hundreds of nucleons which means that with some approximation it can be treated as a classical system, rather than a quantum-mechanical one. In the resulting liquid-drop model, the nucleus has an energy which arises partly from surface tension and partly from electrical repulsion of the protons. The liquid-drop model is able to reproduce many features of nuclei, including the general trend of binding energy with respect to mass number, as well as the phenomenon of nuclear fission.
Superimposed on this classical picture, however, are quantum-mechanical effects, which can be described using the nuclear shell model, developed in large part by Maria Goeppert-Mayer. Nuclei with certain numbers of neutrons and protons (the magic numbers 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) are particularly stable, because their shells are filled.
Other more complicated models for the nucleus have also been proposed, such as the interacting boson model, in which pairs of neutrons and protons interact as bosons, analogously to Cooper pairs of electrons.
Much of current research in nuclear physics relates to the study of nuclei under extreme conditions such as high spin and excitation energy. Nuclei may also have extreme shapes (similar to that of Rugby balls) or extreme neutron-to-proton ratios. Experimenters can create such nuclei using artificially induced fusion or nucleon transfer reactions, employing ion beams from an accelerator. Beams with even higher energies can be used to create nuclei at very high temperatures, and there are signs that these experiments have produced a phase transition from normal nuclear matter to a new state, the quark-gluon plasma, in which the quarks mingle with one another, rather than being segregated in triplets as they are in neutrons and protons.

Modern topics in nuclear physics

[edit] Spontaneous changes from one nuclide to another: nuclear decay
Main article: Radioactivity
There are 80 elements which have at least one stable isotope (defined as isotopes never observed to decay), and in total there are about 256 such stable isotopes. However, there are thousands more well-characterized isotopes which are unstable. These radioisotopes may be unstable and decay in all timescales ranging from fractions of a second to weeks, years, or many billions of years.
For example, if a nucleus has too few or too many neutrons it may be unstable, and will decay after some period of time. For example, in a process called beta decay a nitrogen-16 atom (7 protons, 9 neutrons) is converted to an oxygen-16 atom (8 protons, 8 neutrons) within a few seconds of being created. In this decay a neutron in the nitrogen nucleus is turned into a proton and an electron and antineutrino, by the weak nuclear force. The element is transmuted to another element in the process, because while it previously had seven protons (which makes it nitrogen) it now has eight (which makes it oxygen).
In alpha decay the radioactive element decays by emitting a helium nucleus (2 protons and 2 neutrons), giving another element, plus helium-4. In many cases this process continues through several steps of this kind, including other types of decays, until a stable element is formed.
In gamma decay, a nucleus decays from an excited state into a lower state by emitting a gamma ray. The element is not changed in the process.
Other more exotic decays are possible (see the main article). For example, in internal conversion decay, the energy from an excited nucleus may be used to eject one of the inner orbital electrons from the atom, in a process which produces high speed electrons, but is not beta decay, and (unlike beta decay) does not transmute one element to another.

Nuclear fusion
Main article: Nuclear fusion
When two light nuclei come into very close contact with each other it is possible for the strong force to fuse the two together. It takes a great deal of energy to push the nuclei close enough together for the strong or nuclear forces to have an effect, so the process of nuclear fusion can only take place at very high temperatures or high densities. Once the nuclei are close enough together the strong force overcomes their electromagnetic repulsion and squishes them into a new nucleus. A very large amount of energy is released when light nuclei fuse together because the binding energy per nucleon increases with mass number up until nickel-62. Stars like our sun are powered by the fusion of four protons into a helium nucleus, two positrons, and two neutrinos. The uncontrolled fusion of hydrogen into helium is known as thermonuclear runaway. Research to find an economically viable method of using energy from a controlled fusion reaction is currently being undertaken by various research establishments (see JET and ITER).

Nuclear fission
Main article: Nuclear fission
For nuclei heavier than nickel-62 the binding energy per nucleon decreases with the mass number. It is therefore possible for energy to be released if a heavy nucleus breaks apart into two lighter ones. This splitting of atoms is known as nuclear fission.
The process of alpha decay may be thought of as a special type of spontaneous nuclear fission. This process produces a highly asymmetrical fission because the four particles which make up the alpha particle are especially tightly bound to each other, making production of this nucleus in fission particularly likely.
For certain of the heaviest nuclei which produce neutrons on fission, and which also easily absorb neutrons to initiate fission, a self-igniting type of neutron-initiated fission can be obtained, in a so-called chain reaction. (Chain reactions were known in chemistry before physics, and in fact many familiar processes like fires and chemical explosions are chemical chain reactions.) The fission or "nuclear" chain-reaction, using fission-produced neutrons, is the source of energy for nuclear power plants and fission type nuclear bombs such as the two that the United States used against Hiroshima and Nagasaki at the end of World War II. Heavy nuclei such as uranium and thorium may undergo spontaneous fission, but they are much more likely to undergo decay by alpha decay.
For a neutron-initiated chain-reaction to occur, there must be a critical mass of the element present in a certain space under certain conditions (these conditions slow and conserve neutrons for the reactions). There is one known example of a natural nuclear fission reactor, which was active in two regions of Oklo, Gabon, Africa, over 1.5 billion years ago. Measurements of natural neutrino emission have demonstrated that around half of the heat emanating from the Earth's core results from radioactive decay. However, it is not known if any of this results from fission chain-reactions.

Production of heavy elements
According to the theory, as the Universe cooled after the big bang it eventually became possible for particles as we know them to exist. The most common particles created in the big bang which are still easily observable to us today were protons (hydrogen) and electrons (in equal numbers). Some heavier elements were created as the protons collided with each other, but most of the heavy elements we see today were created inside of stars during a series of fusion stages, such as the proton-proton chain, the CNO cycle and the triple-alpha process. Progressively heavier elements are created during the evolution of a star. Since the binding energy per nucleon peaks around iron, energy is only released in fusion processes occurring below this point. Since the creation of heavier nuclei by fusion costs energy, nature resorts to the process of neutron capture. Neutrons (due to their lack of charge) are readily absorbed by a nucleus. The heavy elements are created by either a slow neutron capture process (the so-called s process) or by the rapid, or r process. The s process occurs in thermally pulsing stars (called AGB, or asymptotic giant branch stars) and takes hundreds to thousands of years to reach the heaviest elements of lead and bismuth. The r process is thought to occur in supernova explosions because the conditions of high temperature, high neutron flux and ejected matter are present. These stellar conditions make the successive neutron captures very fast, involving very neutron-rich species which then beta-decay to heavier elements, especially at the so-called waiting points that correspond to more stable nuclides with closed neutron shells (magic numbers). The r process duration is typically in the range of a few seconds