James Chadwick Atomtheorie

Wissenschaftler stellen sich heute Atome als aus winzigen, schweren, positiv geladenen Kernen zusammen, die von Wolken extrem leichter, negativ geladener Elektronen umgeben sind. Dieses Modell stammt aus den 1920er Jahren, hat aber seinen Ursprung im antiken Griechenland. Der Philosoph Demokrit schlug um 400 v. Chr. die Existenz von Atomen vor. Niemand hat das wirklich aufgegriffen Idee mit irgendeiner Inbrunst, bis der englische Physiker John Dalton seine Atomtheorie in den frühen 1800er. Daltons Modell war unvollständig, aber es blieb während des größten Teils des 19. Jahrhunderts im Wesentlichen unverändert.

Ende des 19. bis weit ins 20. Jahrhundert hinein kam es zu einer regen Erforschung des Atommodells, die im Schrödinger-Modell des Atoms, dem sogenannten Wolkenmodell, gipfelte. Kurz nachdem der Physiker Erwin Schrödinger es 1926 eingeführt hatte, fügte James Chadwick – ein weiterer englischer Physiker – dem Bild ein entscheidendes Stück hinzu. Chadwick ist verantwortlich für die Entdeckung der Existenz des Neutrons, des neutralen Teilchens, das den Kern mit dem positiv geladenen Proton teilt.

Chadwicks Entdeckung erzwang eine Überarbeitung des Wolkenmodells, und Wissenschaftler bezeichnen die überarbeitete Version manchmal als das James-Chadwick-Atommodell. Die Entdeckung brachte Chadwick 1935 den Nobelpreis für Physik ein und ermöglichte die Entwicklung der Atombombe. Chadwick beteiligte sich an dem supergeheimen Manhattan-Projekt, das in der Stationierung von Atombomben auf Hiroshima und Nagasaki gipfelte. Die Bombe trug zur Kapitulation Japans (viele Historiker glauben, dass Japan sowieso kapituliert hätte) und zum Ende des Zweiten Weltkriegs bei. Chadwick starb 1974.

J. J. Thompson entdeckte das Elektron in den 1890er Jahren mit Hilfe von Kathodenstrahlröhren, und der britische Physiker Ernest Rutherford, der sogenannte Vater der Kernphysik, entdeckte 1919 das Proton. Rutherford spekulierte, dass sich Elektronen und Protonen verbinden könnten, um ein neutrales Teilchen mit ungefähr die gleiche Masse wie ein Proton, und die Wissenschaftler glaubten, dass ein solches Teilchen mehrere Jahre existierte Gründe dafür. Zum Beispiel war bekannt, dass der Heliumkern eine Ordnungszahl von 2, aber eine Massenzahl von 4 hat, was bedeutete, dass er eine Art neutrale mysteriöse Masse enthielt. Niemand hatte jedoch jemals ein Neutron beobachtet oder seine Existenz bewiesen.

Chadwick interessierte sich besonders für ein Experiment von Frédéric und Irène Joliot-Curie, die eine Berylliumprobe mit Alphastrahlung beschossen hatten. Sie stellten fest, dass das Bombardement eine unbekannte Strahlung erzeugte, und als sie eine Probe Paraffinwachs treffen ließen, beobachteten sie, dass hochenergetische Protonen aus dem Material geschleudert wurden.

Unzufrieden mit der Erklärung, dass die Strahlung aus hochenergetischen Photonen besteht, sagt Chadwick duplizierte das Experiment und kam zu dem Schluss, dass die Strahlung aus schweren Teilchen mit kostenlos. Durch den Beschuss anderer Materialien, darunter Helium, Stickstoff und Lithium, konnte Chadwick feststellen, dass die Masse jedes Teilchens etwas größer war als die eines Protons.

Chadwick veröffentlichte im Mai 1932 seine Arbeit „The Existence of a Neutron“. Bis 1934 hatten andere Forscher festgestellt, dass das Neutron tatsächlich ein Elementarteilchen und keine Kombination aus Protonen und Elektronen war.

Die moderne Vorstellung des Atoms behält die meisten Merkmale des Planetenmodells bei von Rutherford gegründet, aber mit wichtigen Modifikationen, die von Chadwick und einem dänischen Physiker eingeführt wurden Neil Bohr.

Es war Bohr, der das Konzept der diskreten Umlaufbahnen einführte, auf die Elektronen beschränkt waren. Er stützte sich dabei auf damals neue Quantenprinzipien, die sich aber als wissenschaftliche Realität etabliert haben. Nach dem Bohr-Modell nehmen Elektronen diskrete Bahnen ein, und wenn sie sich auf eine andere Bahn bewegen, emittieren oder absorbieren sie nicht in kontinuierlichen Mengen, sondern in Energiebündeln, die Quanten genannt werden.

Unter Einbeziehung der Arbeiten von Bohr und Chadwick sieht das moderne Bild des Atoms so aus: Der größte Teil des Atoms ist leerer Raum. Negativ geladene Elektronen umkreisen einen kleinen, aber schweren Kern, der aus Protonen und Neutronen besteht. Da die Quantentheorie, die auf dem Unschärfeprinzip basiert, Elektronen sowohl als Wellen als auch als Teilchen betrachtet, können sie nicht definitiv lokalisiert werden. Sie können nur über die Wahrscheinlichkeit sprechen, dass sich ein Elektron an einer bestimmten Position befindet, sodass die Elektronen eine Wahrscheinlichkeitswolke um den Kern bilden.

Die Anzahl der Neutronen im Kern ist normalerweise gleich der Anzahl der Protonen, kann aber unterschiedlich sein. Atome eines Elements, die eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben, werden Isotope dieses Elements genannt. Die meisten Elemente haben ein oder mehrere Isotope und einige haben mehrere. Zinn zum Beispiel hat 10 stabile Isotope und mindestens doppelt so viele instabile, was ihm eine durchschnittliche Atommasse verleiht, die sich deutlich von der doppelten Ordnungszahl unterscheidet. Wenn die Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick nie stattgefunden hätte, wäre es unmöglich, die Existenz von Isotopen zu erklären.

Chadwicks Entdeckung des Neutrons führte direkt zur Entwicklung der Atombombe. Da Neutronen keine Ladung haben, können sie tiefer in die Kerne der Zielatome eindringen als Protonen. Der Neutronenbeschuss von Atomkernen wurde zu einer wichtigen Methode, um Informationen über die Eigenschaften von Kernen zu gewinnen.

Es dauerte jedoch nicht lange, bis die Wissenschaftler entdeckten, dass das Beschuss des superschweren Uran-235 mit Neutronen eine Möglichkeit war, die Kerne zu zerbrechen und eine enorme Energiemenge freizusetzen. Die Spaltung von Uran erzeugt mehr energiereiche Neutronen, die andere Uranatome zerbrechen, und das Ergebnis ist eine unkontrollierbare Kettenreaktion. Nachdem dies bekannt war, ging es nur noch darum, eine Möglichkeit zu entwickeln, die Spaltreaktion bedarfsgerecht in einer lieferbaren Hülle auszulösen. Fat Man und Little Boy, die Bomben, die Hiroshima und Nagasaki zerstörten, waren das Ergebnis geheimer Kriegsanstrengungen, bekannt als das Manhattan-Projekt, das genau zu diesem Zweck durchgeführt wurde.

Auch die Atomtheorie von Chadwick macht es möglich, Radioaktivität zu verstehen. Einige natürlich vorkommende Mineralien – ebenso wie künstliche – emittieren spontan Strahlung, und der Grund hat mit der relativen Anzahl von Protonen und Neutronen im Kern zu tun. Ein Kern ist am stabilsten, wenn er die gleiche Anzahl hat, und er wird instabil, wenn er mehr von einem als einem anderen hat. Um Stabilität wiederzuerlangen, wirft ein instabiler Kern Energie in Form von Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung ab. Alphastrahlung besteht aus schweren Teilchen, die jeweils aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Betastrahlung besteht aus Elektronen und Gammastrahlung aus Photonen.

Im Rahmen der Untersuchung von Kernen und Radioaktivität haben Wissenschaftler Protonen und Neutronen weiter seziert, um herauszufinden, dass sie selbst aus kleineren Teilchen, den Quarks, bestehen. Die Kraft, die Protonen und Neutronen im Kern zusammenhält, wird als starke Kraft bezeichnet, und die Kraft, die Quarks zusammenhält, wird als Farbkraft bezeichnet. Die starke Kraft ist ein Nebenprodukt der Farbkraft, die selbst vom Austausch von Gluonen abhängt, die eine weitere Art von Elementarteilchen sind.

Das Verständnis, das durch das Atommodell von James Chadwick ermöglicht wurde, hat die Welt in das Atomzeitalter gebracht, aber die Tür zu einer viel mysteriöseren und komplizierteren Welt steht weit offen. Wissenschaftler könnten beispielsweise eines Tages beweisen, dass das gesamte Universum, einschließlich der Atomkerne und der Quarks, aus denen sie bestehen, aus unendlich kleinen Strängen schwingender Energie besteht. Was immer sie entdecken, sie tun es auf den Schultern von Pionieren wie Chadwick.