Forskere i dag forestiller sig atomer bestå af små, tunge, positivt ladede kerner omgivet af skyer af ekstremt lette, negativt ladede elektroner. Denne model dateres tilbage til 1920'erne, men den har sin oprindelse i det antikke Grækenland. Filosofen Democritus foreslog eksistensen af atomer omkring 400 f.Kr. Ingen tog virkelig op idé med enhver glød, indtil den engelske fysiker John Dalton introducerede sin atomteori tidligt 1800-tallet. Daltons model var ufuldstændig, men den vedblev stort set uændret gennem det meste af det 19. århundrede.
En strøm af forskning i atommodellen opstod i slutningen af det 19. og langt ind i det 20. århundrede, der kulminerede i Schrodinger-modellen af atomet, som er kendt som skymodellen. Kort efter at fysikeren Erwin Schrodinger introducerede det i 1926, tilføjede James Chadwick - en anden engelsk fysiker - et afgørende stykke til billedet. Chadwick er ansvarlig for at opdage eksistensen af neutronen, den neutrale partikel, der deler kernen med den positivt ladede proton.
Chadwicks opdagelse tvang en revision af skymodellen, og forskere henviser undertiden til den reviderede version som atommodellen James Chadwick. Opdagelsen gav Chadwick 1935 Nobelprisen i fysik, og det muliggjorde udviklingen af atombomben. Chadwick deltog i det superhemmelige Manhattan-projekt, der kulminerede i indsættelsen af atombomber på Hiroshima og Nagasaki. Bomben bidrog til Japans overgivelse (mange historikere mener, at Japan alligevel ville have overgivet sig) og slutningen af 2. verdenskrig. Chadwick døde i 1974.
Hvordan opdagede Chadwick neutronen?
J.J. Thompson opdagede elektronen ved hjælp af katodestrålerør i 1890'erne, og den britiske fysiker Ernest Rutherford, den såkaldte far til kernefysik, opdagede protonen i 1919. Rutherford spekulerede på, at elektroner og protoner kunne kombineres for at producere en neutral partikel med nogenlunde samme masse som en proton, og forskere mente, at en sådan partikel eksisterede i flere grunde. For eksempel var det kendt, at heliumkernen har et atomnummer på 2, men et massetal på 4, hvilket betød, at den indeholdt en slags neutral mysteriemasse. Ingen havde dog nogensinde observeret en neutron eller bevist, at den eksisterede.
Chadwick var især interesseret i et eksperiment udført af Frédéric og Irène Joliot-Curie, som havde bombarderet en prøve af beryllium med alfa-stråling. De bemærkede, at bombardementet frembragte en ukendt stråling, og da de tillod det at ramme en prøve af paraffinvoks, observerede de, at højenergiprotoner blev kastet fra materialet.
Utilfreds med forklaringen på, at strålingen var lavet af højenergifotoner, Chadwick duplikerede eksperimentet og konkluderede, at strålingen skulle være sammensat af tunge partikler med gratis. Ved at bombardere andre materialer, herunder helium, nitrogen og lithium, var Chadwick i stand til at bestemme, at massen af hver partikel var lidt mere end massen af en proton.
Chadwick offentliggjorde sin artikel "Eksistensen af en neutron" i maj 1932. I 1934 havde andre forskere bestemt, at neutronen faktisk var en elementær partikel og ikke en kombination af protoner og elektroner.
Betydningen af Chadwick Atomic Theory
Den moderne opfattelse af atomet bevarer de fleste af karakteristikaene ved den planetariske model oprettet af Rutherford, men med vigtige ændringer indført af Chadwick og dansk fysiker Neils Bohr.
Det var Bohr, der indarbejdede begrebet diskrete baner, som elektroner var begrænset til. Han baserede dette på kvanteprincipper, der var nye på det tidspunkt, men som er blevet etableret som videnskabelige realiteter. Ifølge Bohr-modellen indtager elektroner diskrete baner, og når de bevæger sig til en anden bane, udsender eller absorberer de ikke i kontinuerlige mængder, men i bundter af energi, kaldet kvanta.
Ved at inkorporere Bohr og Chadwicks arbejde ser det moderne billede af atomet sådan ud: Det meste af atomet er tomt rum. Negativt ladede elektroner kredser om en lille, men tung kerne, der består af protoner og neutroner. Da kvanteteori, der er baseret på usikkerhedsprincippet, betragter elektroner som både bølger og partikler, kan de ikke placeres endeligt. Du kan kun tale om sandsynligheden for, at en elektron er i en bestemt position, så elektronerne danner en sandsynlighedssky omkring kernen.
Antallet af neutroner i kernen er normalt det samme som antallet af protoner, men det kan være forskelligt. Atomer i et element, der har et andet antal neutroner, kaldes isotoper af dette element. De fleste elementer har en eller flere isotoper, og nogle har flere. Tin har for eksempel 10 stabile isotoper og mindst dobbelt så mange ustabile, hvilket giver den en gennemsnitlig atommasse, der er markant forskellig fra det dobbelte af atomnummeret. Hvis James Chadwicks opdagelse af neutronen aldrig havde fundet sted, ville det være umuligt at forklare eksistensen af isotoper.
James Chadwicks bidrag til atombomben
Chadwicks opdagelse af neutronen førte direkte til udviklingen af atombomben. Fordi neutroner ikke har nogen ladning, kan de trænge dybere ind i kernerne i målatomer end protoner. Neutronbombardement af atomkerner blev en vigtig metode til at få information om kernernes egenskaber.
Det tog ikke forskere lang tid at opdage, at bombardering af supertungt Uranium-235 med neutroner var en måde at bryde kernerne fra hinanden og frigive en enorm mængde energi. Fission af uran producerer flere højenergineutroner, der bryder andre uranatomer fra hinanden, og resultatet er en ukontrollabel kædereaktion. Når dette var kendt, var det kun et spørgsmål om at udvikle en måde at igangsætte fissionsreaktionen på efterspørgsel i et leverbart hus. Fat Man og Little Boy, bomberne, der ødelagde Hiroshima og Nagasaki, var resultatet af den hemmelige krigsindsats kendt som Manhattan-projektet, der blev gennemført for at gøre netop det.
Neutroner, radioaktivitet og videre
Chadwick Atomic Theory gør det også muligt at forstå radioaktivitet. Nogle naturligt forekommende mineraler - såvel som menneskeskabte - udsender spontant stråling, og årsagen har at gøre med det relative antal protoner og neutroner i kernen. En kerne er mest stabil, når den har det samme antal, og den bliver ustabil, når den har flere af hinanden end den anden. I et forsøg på at genvinde stabiliteten kaster en ustabil kerne energi i form af alfa-, beta- eller gammastråling. Alpha-stråling består af tunge partikler, der hver består af to protoner og to neutroner. Betastråling består af elektroner og gammastråling af fotoner.
Som en del af undersøgelsen af kerner og radioaktivitet har forskere yderligere dissekeret protoner og neutroner for at finde ud af, at de selv er sammensat af mindre partikler kaldet kvarker. Kraften, der holder protoner og neutroner sammen i kernen kaldes den stærke kraft, og den, der holder kvarker sammen, er kendt som farvekraften. Den stærke kraft er et biprodukt af farvekraften, som i sig selv afhænger af udvekslingen af gluoner, som er endnu en type elementær partikel.
Forståelsen muliggjort af atommodellen James Chadwick har ført verden ind i den nukleare tidsalder, men døren til en langt mere mystisk og indviklet verden er vidt åben. For eksempel kan forskere en dag bevise, at hele universet, inklusive atomkerner og de kvarker, som de er fremstillet af, er sammensat af uendelige strenge af vibrerende energi. Uanset hvad de opdager, gør de det stående på skuldrene til pionerer som Chadwick.