نظرية جيمس تشادويك الذرية

يتصور العلماء اليوم أن الذرات تتكون من نوى صغيرة ثقيلة موجبة الشحنة محاطة بسحب من الإلكترونات السالبة وخفيفة الوزن للغاية. يعود هذا النموذج إلى عشرينيات القرن الماضي ، لكن أصله يعود إلى اليونان القديمة. اقترح الفيلسوف ديموقريطوس وجود ذرات حوالي 400 قبل الميلاد. لا أحد تناول حقًا ملف كانت الفكرة بأي حماسة حتى قدم الفيزيائي الإنجليزي جون دالتون نظريته الذرية في وقت مبكر القرن التاسع عشر. كان نموذج دالتون غير مكتمل ، لكنه استمر بشكل أساسي دون تغيير طوال معظم القرن التاسع عشر.

حدثت موجة من الأبحاث حول النموذج الذري في نهاية القرن التاسع عشر وحتى القرن العشرين ، وبلغت ذروتها في نموذج شرودنجر للذرة ، والذي يُعرف باسم نموذج السحابة. بعد فترة وجيزة من تقديم الفيزيائي إروين شرودنجر لها في عام 1926 ، أضاف جيمس تشادويك - وهو فيزيائي إنجليزي آخر - قطعة مهمة إلى الصورة. تشادويك مسؤول عن اكتشاف وجود النيوترون ، الجسيم المحايد الذي يشترك في النواة مع البروتون موجب الشحنة.

أجبر اكتشاف تشادويك على مراجعة نموذج السحابة ، ويشير العلماء أحيانًا إلى النسخة المعدلة باسم نموذج جيمس تشادويك الذري. أكسب هذا الاكتشاف تشادويك جائزة نوبل في الفيزياء عام 1935 ، وجعل من الممكن تطوير القنبلة الذرية. شارك تشادويك في مشروع مانهاتن السري للغاية ، والذي توج بنشر قنابل نووية على هيروشيما وناغازاكي. ساهمت القنبلة في استسلام اليابان (يعتقد العديد من المؤرخين أن اليابان كانت ستستسلم على أي حال) ونهاية الحرب العالمية الثانية. توفي تشادويك عام 1974.

ج. اكتشف طومسون الإلكترون باستخدام أنابيب أشعة الكاثود في تسعينيات القرن التاسع عشر ، واكتشف الفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد ، ما يسمى بأب الفيزياء النووية ، البروتون في عام 1919. تكهن رذرفورد بأن الإلكترونات والبروتونات يمكن أن تتحد لإنتاج جسيم محايد مع نفس كتلة البروتون تقريبًا ، واعتقد العلماء أن مثل هذا الجسيم موجود لعدة مرات أسباب. على سبيل المثال ، كان معروفًا أن نواة الهليوم لها عدد ذري ​​2 ولكن رقم كتلي 4 ​​، مما يعني أنها تحتوي على نوع من الكتلة الغامضة المحايدة. ومع ذلك ، لم يلاحظ أحد وجود نيوترون أو أثبت وجوده.

كان تشادويك مهتمًا بشكل خاص بتجربة أجراها فريديريك وإيرين جوليو كوري ، اللذان قاما بقصف عينة من البريليوم بإشعاع ألفا. لاحظوا أن القصف أنتج إشعاعًا غير معروف ، وعندما سمحوا له بضرب عينة من شمع البارافين ، لاحظوا انبثاق بروتونات عالية الطاقة من المادة.

تشادويك غير راضٍ عن تفسير أن الإشعاع مصنوع من فوتونات عالية الطاقة تكرار التجربة وخلص إلى أن الإشعاع يجب أن يتكون من جزيئات ثقيلة مع لا تهمة. عن طريق قصف مواد أخرى ، بما في ذلك الهيليوم والنيتروجين والليثيوم ، تمكن تشادويك من تحديد أن كتلة كل جسيم كانت أكبر بقليل من كتلة البروتون.

نشر تشادويك ورقته البحثية بعنوان "وجود نيوترون" في مايو 1932. بحلول عام 1934 ، قرر باحثون آخرون أن النيوترون كان في الواقع جسيمًا أوليًا وليس مزيجًا من البروتونات والإلكترونات.

يحتفظ المفهوم الحديث للذرة بمعظم خصائص النموذج الكوكبي أسسها رذرفورد ، ولكن مع تعديلات مهمة أدخلها تشادويك والفيزيائي الدنماركي نيلز بور.

كان بوهر هو من أدخل مفهوم المدارات المنفصلة التي كانت الإلكترونات محصورة فيها. لقد استند في ذلك إلى مبادئ الكم التي كانت جديدة في ذلك الوقت ولكنها أصبحت حقائق علمية. وفقًا لنموذج بوهر ، تشغل الإلكترونات مدارات منفصلة ، وعندما تنتقل إلى مدار آخر ، فإنها تنبعث أو تمتص ليس بكميات مستمرة ، ولكن في حزم من الطاقة ، تسمى الكميات.

بدمج عمل بوهر وتشادويك ، تبدو الصورة الحديثة للذرة كما يلي: معظم الذرة عبارة عن مساحة فارغة. تدور الإلكترونات سالبة الشحنة حول نواة صغيرة ولكنها ثقيلة تتكون من البروتونات والنيوترونات. نظرًا لأن نظرية الكم ، التي تستند إلى مبدأ عدم اليقين ، تعتبر الإلكترونات موجات وجسيمات ، فلا يمكن تحديد موقعها بشكل نهائي. يمكنك التحدث فقط عن احتمال وجود الإلكترون في موضع معين ، لذلك تشكل الإلكترونات سحابة احتمالية حول النواة.

عادة ما يكون عدد النيوترونات في النواة هو نفسه عدد البروتونات ، ولكن يمكن أن يكون مختلفًا. تسمى ذرات العنصر التي تحتوي على عدد مختلف من النيوترونات نظائر هذا العنصر. تحتوي معظم العناصر على نظير واحد أو أكثر ، وبعضها يحتوي على عدة نظائر. القصدير ، على سبيل المثال ، يحتوي على 10 نظائر مستقرة وعلى الأقل ضعف عدد النظائر غير المستقرة ، مما يمنحه متوسط ​​كتلة ذرية مختلفة بشكل كبير عن ضعف عددها الذري. إذا لم يحدث اكتشاف جيمس تشادويك للنيوترون مطلقًا ، فسيكون من المستحيل تفسير وجود النظائر.

أدى اكتشاف تشادويك للنيوترون مباشرة إلى تطوير القنبلة الذرية. نظرًا لعدم وجود شحنة للنيوترونات ، يمكنها اختراق نوى الذرات المستهدفة بشكل أعمق من البروتونات. أصبح القصف النيوتروني للنواة الذرية طريقة مهمة للحصول على معلومات حول خصائص النوى.

ومع ذلك ، لم يستغرق العلماء وقتًا طويلاً ليكتشفوا أن قصف اليورانيوم -235 الثقيل للغاية بالنيوترونات كان وسيلة لتفكيك النوى وإطلاق كمية هائلة من الطاقة. ينتج عن انشطار اليورانيوم المزيد من النيوترونات عالية الطاقة التي تكسر ذرات اليورانيوم الأخرى ، والنتيجة هي تفاعل تسلسلي لا يمكن السيطرة عليه. بمجرد معرفة ذلك ، كان الأمر يتعلق فقط بتطوير طريقة لبدء تفاعل الانشطار عند الطلب في غلاف قابل للتسليم. كانت القنابل التي دمرت هيروشيما وناجازاكي ، فات مان والصبي الصغير ، نتيجة المجهود الحربي السري المعروف باسم مشروع مانهاتن الذي تم إجراؤه للقيام بذلك.

تتيح نظرية تشادويك الذرية أيضًا فهم النشاط الإشعاعي. تنبعث بعض المعادن التي توجد بشكل طبيعي - وكذلك من صنع الإنسان - إشعاعًا تلقائيًا ، ويتعلق السبب بالعدد النسبي للبروتونات والنيوترونات في النواة. تكون النواة أكثر استقرارًا عندما يكون لها عدد متساوٍ ، وتصبح غير مستقرة عندما تحتوي على أكثر من الأخرى. في محاولة لاستعادة الاستقرار ، تقوم النواة غير المستقرة بإلقاء الطاقة على شكل إشعاع ألفا أو بيتا أو جاما. يتكون إشعاع ألفا من جسيمات ثقيلة ، يتكون كل منها من بروتونين ونيوترونين. يتكون إشعاع بيتا من الإلكترونات وأشعة جاما من الفوتونات.

كجزء من دراسة النوى والنشاط الإشعاعي ، قام العلماء بتشريح البروتونات والنيوترونات ليجدوا أنها تتكون من جسيمات أصغر تسمى الكواركات. القوة التي تربط البروتونات والنيوترونات معًا في النواة تسمى القوة القوية ، والقوة التي تربط الكواركات معًا تُعرف باسم قوة اللون. القوة الشديدة هي نتيجة ثانوية لقوة اللون ، والتي تعتمد في حد ذاتها على تبادل الغلوونات ، وهي نوع آخر من الجسيمات الأولية.

إن الفهم الذي أتاحه نموذج جيمس تشادويك الذري أدخل العالم إلى العصر النووي ، لكن الباب مفتوحًا على مصراعيه لعالم أكثر غموضًا وتعقيدًا. على سبيل المثال ، قد يثبت العلماء يومًا ما أن الكون بأكمله ، بما في ذلك النوى الذرية والكواركات التي تتكون منها ، يتكون من أوتار متناهية الصغر من الطاقة الاهتزازية. مهما اكتشفوا ، سيفعلونه واقفين على أكتاف الرواد مثل تشادويك.