Vědci si dnes představují atomy složené z drobných, těžkých, pozitivně nabitých jader obklopených mraky extrémně lehkých, negativně nabitých elektronů. Tento model sahá až do 20. let 20. století, ale má původ ve starověkém Řecku. Filozof Democritus navrhl existenci atomů kolem roku 400 př. Nikdo se opravdu neujal nápad s jakoukoli vášní, dokud anglický fyzik John Dalton na počátku nepředvedl svoji atomovou teorii 1800. Daltonův model byl neúplný, ale po většinu 19. století přetrvával v podstatě beze změny.
Příval výzkumu atomového modelu nastal na konci 19. a až do 20. století a vyvrcholil Schrodingerovým modelem atomu, který je znám jako cloudový model. Brzy poté, co ji fyzik Erwin Schrodinger představil v roce 1926, James Chadwick - další anglický fyzik - přidal do obrazu zásadní kousek. Chadwick je zodpovědný za objevení existence neutronu, neutrální částice, která sdílí jádro s pozitivně nabitým protonem.
Chadwickův objev si vynutil revizi cloudového modelu a vědci někdy označují revidovanou verzi jako atomový model Jamese Chadwicka. Tento objev získal Chadwicka Nobelovu cenu za fyziku z roku 1935 a umožnil vývoj atomové bomby. Chadwick se účastnil supertajného projektu na Manhattanu, který vyvrcholil rozmístěním jaderných bomb na Hirošimu a Nagasaki. Bomba přispěla k kapitulaci Japonska (mnoho historiků věří, že by se Japonsko stejně vzdalo) a ke konci druhé světové války. Chadwick zemřel v roce 1974.
Jak Chadwick objevil neutron?
J.J. Thompson objevil elektron pomocí katodových trubic v 90. letech 20. století a britský fyzik Ernest Rutherford, takzvaný otec jaderné fyziky, objevil proton v roce 1919. Rutherford spekuloval, že by se elektrony a protony mohly spojit a vytvořit neutrální částice zhruba stejná hmotnost jako proton a vědci věřili, že taková částice existuje několik důvodů. Například bylo známo, že jádro helia má atomové číslo 2, ale hmotnostní číslo 4, což znamenalo, že obsahovalo nějaký druh neutrální záhadné hmoty. Nikdo však nikdy nepozoroval neutron ani neprokázal, že existuje.
Chadwick se zvláště zajímal o experiment, který provedli Frédéric a Irène Joliot-Curie, kteří bombardovali vzorek berylia radiací alfa. Poznamenali, že bombardování produkovalo neznámé záření, a když mu dovolili zasáhnout vzorek parafinového vosku, pozorovali, jak z materiálu vrhají protony o vysoké energii.
Nejste spokojeni s vysvětlením, že záření bylo vyrobeno z vysokoenergetických fotonů, Chadwick duplikoval experiment a dospěl k závěru, že záření musí být složeno z těžkých částic s bez poplatku. Bombardováním jiných materiálů, včetně helia, dusíku a lithia, Chadwick dokázal určit, že hmotnost každé částice byla o něco větší než hmotnost protonu.
Chadwick v květnu 1932 publikoval příspěvek „Existence neutronu“. Do roku 1934 jiní vědci zjistili, že neutron byl ve skutečnosti elementární částice a ne kombinace protonů a elektronů.
Důležitost Chadwickovy atomové teorie
Moderní koncepce atomu si zachovává většinu charakteristik planetárního modelu zavedeno Rutherfordem, ale s důležitými úpravami zavedenými Chadwickem a dánským fyzikem Neils Bohr.
Byl to Bohr, kdo začlenil koncept diskrétních drah, na které byly elektrony omezeny. Založil to na kvantových principech, které byly v té době nové, ale které se staly etablovanými jako vědecké reality. Podle Bohrova modelu elektrony zabírají diskrétní oběžné dráhy, a když se pohybují na jinou oběžnou dráhu, nevyzařují nebo absorbují nikoliv v kontinuálním množství, ale ve svazcích energie zvaných kvanta.
Začleněním práce Bohra a Chadwicka vypadá moderní obrázek atomu takto: Většina atomu je prázdný prostor. Negativně nabité elektrony obíhají kolem malého, ale těžkého jádra složeného z protonů a neutronů. Protože kvantová teorie, která je založena na principu neurčitosti, považuje elektrony za vlny i částice, nelze je definitivně lokalizovat. Můžete jen mluvit o pravděpodobnosti, že se elektron bude nacházet v určité poloze, takže elektrony vytvoří kolem jádra pravděpodobný mrak.
Počet neutronů v jádře je obvykle stejný jako počet protonů, ale může se lišit. Atomy prvku, které mají odlišný počet neutronů, se nazývají izotopy tohoto prvku. Většina prvků má jeden nebo více izotopů a některé mají několik. Například cín má 10 stabilních izotopů a nejméně dvakrát tolik nestabilních, což mu dává průměrnou atomovou hmotnost významně odlišnou od dvojnásobku jeho atomového čísla. Pokud k objevu neutronu Jamese Chadwicka nikdy nedošlo, bylo by nemožné vysvětlit existenci izotopů.
Příspěvek Jamese Chadwicka k atomové bombě
Chadwickův objev neutronu vedl přímo k vývoji atomové bomby. Protože neutrony nemají žádný náboj, mohou pronikat hlouběji do jader cílových atomů než protony. Neutronové bombardování atomových jader se stalo důležitou metodou pro získání informací o vlastnostech jader.
Vědcům však netrvalo dlouho zjistit, že bombardování velmi těžkého uranu 235 neutrony bylo způsobem, jak rozbít jádra a uvolnit obrovské množství energie. Štěpení uranu produkuje více vysokoenergetických neutronů, které rozpadají jiné atomy uranu, a výsledkem je nekontrolovatelná řetězová reakce. Jakmile to bylo známo, šlo pouze o to vyvinout způsob, jak zahájit štěpnou reakci na vyžádání v dodávaném pouzdře. Tlustý muž a malý chlapec, bomby, které zničily Hirošimu a Nagasaki, byly výsledkem tajného válečného úsilí známého jako projekt na Manhattanu, jehož cílem bylo právě to.
Neutrony, radioaktivita a další
Chadwickova atomová teorie také umožňuje porozumět radioaktivitě. Některé přirozeně se vyskytující minerály - i ty umělé - spontánně emitují záření a důvod má co do činění s relativním počtem protonů a neutronů v jádru. Jádro je nejstabilnější, když má stejné číslo, a stává se nestabilním, pokud má více než jedno. Ve snaze znovu získat stabilitu nestabilní jádro odhodí energii ve formě alfa, beta nebo gama záření. Alfa záření se skládá z těžkých částic, z nichž každá se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů. Beta záření se skládá z elektronů a gama záření fotonů.
V rámci studia jader a radioaktivity vědci dále rozřezali protony a neutrony, aby zjistili, že se samy skládají z menších částic nazývaných kvarky. Síla, která drží protony a neutrony pohromadě v jádru, se nazývá silná síla a ta, která drží kvarky pohromadě, se nazývá barevná síla. Silná síla je vedlejším produktem barevné síly, která sama závisí na výměně gluonů, které jsou dalším typem elementární částice.
Porozumění, které umožnil atomový model Jamese Chadwicka, přivedlo svět do jaderného věku, ale dveře do mnohem tajemnějšího a složitějšího světa jsou široce otevřené. Například vědci mohou jednoho dne dokázat, že celý vesmír, včetně atomových jader a kvarků, z nichž jsou vyrobeny, je složen z nekonečně malých řetězců vibrační energie. Cokoli zjistí, udělají to na bedrech průkopníků, jako je Chadwick.