Днес учените си представят, че атомите са съставени от малки, тежки, положително заредени ядра, заобиколени от облаци от изключително леки, отрицателно заредени електрони. Този модел датира от 20-те години на миналия век, но произхожда от древна Гърция. Философът Демокрит предлага съществуването на атоми около 400 г. пр.н.е. Никой наистина не се зае с идея с някакъв плам, докато английският физик Джон Далтън не представи своята атомна теория в началото 1800-те. Моделът на Далтън е непълен, но по същество остава непроменен през по-голямата част от 19-ти век.
Многобройни изследвания на атомния модел се случват в края на 19-ти и далеч през 20-ти век, завършвайки с модела на атома Schrodinger, който е известен като облачен модел. Скоро след като физикът Ервин Шрьодингер го представя през 1926 г., Джеймс Чадуик - друг английски физик - добавя решаваща част към картината. Чадуик е отговорен за откриването на съществуването на неутрон, неутралната частица, която споделя ядрото с положително заредения протон.
Откритието на Чадуик налага ревизия на облачния модел и учените понякога наричат преработената версия атомния модел на Джеймс Чадуик. Откритието спечели Нобелова награда за физика на Чадуик през 1935 г. и направи възможно развитието на атомната бомба. Чадуик участва в суперсекретния проект в Манхатън, който завърши с разполагането на ядрени бомби на Хирошима и Нагасаки. Бомбата допринесе за капитулацията на Япония (много историци смятат, че Япония така или иначе би се предала) и края на Втората световна война. Чадуик умира през 1974 година.
Как Чадуик откри неутрона?
J.J. Томпсън открива електрона с помощта на електронно-лъчеви тръби през 1890-те, а британският физик Ърнест Ръдърфорд, така нареченият баща на ядрената физика, открива протона през 1919 година. Ръдърфорд предположи, че електроните и протоните могат да се комбинират, за да произведат неутрална частица с приблизително същата маса като протон и учените вярваха, че такава частица съществува в продължение на няколко причини. Например, беше известно, че хелиевото ядро има атомен номер 2, но масово число 4, което означава, че съдържа някаква неутрална мистериозна маса. Никой обаче никога не е наблюдавал неутрон или е доказал, че той съществува.
Чадуик се интересува особено от експеримент, проведен от Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, които са бомбардирали проба от берилий с алфа радиация. Те отбелязаха, че бомбардировката е произвела неизвестна радиация и когато са й позволили да удари проба от парафинов восък, те са наблюдавали високоенергийни протони, изхвърляни от материала.
Недоволен от обяснението, че радиацията е направена от високоенергийни фотони, Чадуик дублира експеримента и заключи, че радиацията трябва да е съставена от тежки частици с няма такса. Чрез бомбардиране на други материали, включително хелий, азот и литий, Чадуик успя да определи, че масата на всяка частица е малко повече от тази на протон.
Чадуик публикува своя доклад „Съществуването на неутрон“ през май 1932 г. До 1934 г. други изследователи са установили, че неутронът всъщност е елементарна частица, а не комбинация от протони и електрони.
Значението на атомната теория на Чадуик
Съвременната концепция за атома запазва повечето характеристики на планетарния модел създаден от Ръдърфорд, но с важни модификации, въведени от Чадуик и датски физик Нийлс Бор.
Бор е този, който включва концепцията за дискретни орбити, на които са ограничени електроните. Той основава това на квантови принципи, които са били нови по това време, но които са се утвърдили като научни реалности. Според модела на Бор електроните заемат дискретни орбити и когато се преместят на друга орбита, те излъчват или абсорбират не в непрекъснати количества, а в снопове енергия, наречени кванти.
Включвайки работата на Бор и Чадуик, съвременната картина на атома изглежда така: По-голямата част от атома е празно пространство. Отрицателно заредените електрони обикалят около малко, но тежко ядро, съставено от протони и неутрони. Тъй като квантовата теория, която се основава на принципа на несигурността, разглежда електроните и като вълни, и като частици, те не могат да бъдат окончателно разположени. Можете да говорите само за вероятността електронът да се намира в определена позиция, така че електроните образуват облак от вероятности около ядрото.
Броят на неутроните в ядрото обикновено е същият като броя на протоните, но може да бъде различен. Атомите на елемент, които имат различен брой неутрони, се наричат изотопи на този елемент. Повечето елементи имат един или повече изотопа, а някои имат няколко. Например, калайът има 10 стабилни изотопа и поне два пъти повече нестабилни, което му дава средна атомна маса, значително по-различна от двойното му атомно число. Ако откриването на неутрона от Джеймс Чадуик никога не се е случило, би било невъзможно да се обясни съществуването на изотопи.
Приносът на Джеймс Чадуик към атомната бомба
Откритието на Чадуик за неутрон доведе директно до развитието на атомната бомба. Тъй като неутроните нямат заряд, те могат да проникнат по-дълбоко в ядрата на целевите атоми, отколкото протоните. Неутронното бомбардиране на атомни ядра стана важен метод за получаване на информация за характеристиките на ядрата.
Не отнема много време на учените да открият, че бомбардирането на свръхтежки Уран-235 с неутрони е начин за разбиване на ядрата и освобождаване на огромно количество енергия. При деленето на уран се получават повече високоенергийни неутрони, които разкъсват други атоми на урана и резултатът е неконтролируема верижна реакция. След като това беше известно, ставаше въпрос само за разработване на начин за иницииране на реакцията на делене при поискване в доставим корпус. Дебелецът и малкото момче, бомбите, които унищожиха Хирошима и Нагасаки, бяха резултат от тайните военни усилия, известни като Проектът Манхатън, който беше проведен за това.
Неутрони, радиоактивност и отвъд
Атомната теория на Чадуик също дава възможност да се разбере радиоактивността. Някои естествено срещащи се минерали - както и създадените от човека - спонтанно излъчват радиация и причината е свързана с относителния брой протони и неутрони в ядрото. Ядрото е най-стабилно, когато има еднакъв брой, и става нестабилно, когато има повече от едно от друго. В опит да си върне стабилността, едно нестабилно ядро изхвърля енергия под формата на алфа, бета или гама лъчение. Алфа радиацията се състои от тежки частици, всяка от които се състои от два протона и два неутрона. Бета радиацията се състои от електрони и гама лъчение на фотони.
Като част от изследването на ядрата и радиоактивността, учените допълнително дисектират протони и неутрони, за да открият, че самите те са съставени от по-малки частици, наречени кварки. Силата, която държи протоните и неутроните заедно в ядрото, се нарича силна сила, а тази, която държи кварките заедно, е известна като цветна сила. Силната сила е страничен продукт от цветната сила, която сама по себе си зависи от обмена на глюони, които са още един вид елементарни частици.
Разбирането, което стана възможно чрез атомния модел на Джеймс Чадуик, доведе света в ядрената ера, но вратата към далеч по-загадъчния и сложен свят е широко отворена. Например, учените може един ден да докажат, че цялата Вселена, включително атомните ядра и кварките, от които са направени, е съставена от безкрайно малки струни вибрационна енергия. Каквото и да открият, ще го направят, заставайки на раменете на пионери като Чадуик.