Οι επιστήμονες οραματίζονται σήμερα τα άτομα να αποτελούνται από μικροσκοπικούς, βαρείς, θετικά φορτισμένους πυρήνες που περιβάλλονται από σύννεφα εξαιρετικά ελαφριών, αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων. Αυτό το μοντέλο χρονολογείται από τη δεκαετία του 1920, αλλά έχει την καταγωγή του στην αρχαία Ελλάδα. Ο φιλόσοφος Δημόκριτος πρότεινε την ύπαρξη ατόμων γύρω στο 400 π.Χ. Κανείς δεν ανέλαβε πραγματικά το ιδέα με κάθε ένταση έως ότου ο Άγγλος φυσικός John Dalton εισήγαγε την ατομική του θεωρία στις αρχές 1800. Το μοντέλο του Ντάλτον ήταν ατελές, αλλά παρέμεινε ουσιαστικά αμετάβλητο καθ 'όλη τη διάρκεια του 19ου αιώνα.
Μια αναταραχή της έρευνας για το ατομικό μοντέλο σημειώθηκε στα τέλη του 19ου και μέχρι τον 20ο αιώνα, με αποκορύφωμα το μοντέλο Schrodinger του ατόμου, το οποίο είναι γνωστό ως μοντέλο cloud. Λίγο μετά την παρουσίαση του φυσικού Erwin Schrodinger το 1926, ο James Chadwick - ένας άλλος Άγγλος φυσικός - πρόσθεσε ένα κρίσιμο κομμάτι στην εικόνα. Ο Chadwick είναι υπεύθυνος για την ανακάλυψη της ύπαρξης του νετρονίου, του ουδέτερου σωματιδίου που μοιράζεται τον πυρήνα με το θετικά φορτισμένο πρωτόνιο.
Η ανακάλυψη του Chadwick ανάγκασε την αναθεώρηση του μοντέλου cloud και οι επιστήμονες μερικές φορές αναφέρονται στην αναθεωρημένη έκδοση ως το ατομικό μοντέλο του James Chadwick. Η ανακάλυψη κέρδισε στο Chadwick το βραβείο Νόμπελ του 1935 στη φυσική και κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη της ατομικής βόμβας. Ο Τσάντγουικ συμμετείχε στο υπερ-μυστικό έργο του Μανχάταν, το οποίο κατέληξε στην ανάπτυξη πυρηνικών βομβών στη Χιροσίμα και το Ναγκασάκι. Η βόμβα συνέβαλε στην παράδοση της Ιαπωνίας (πολλοί ιστορικοί πιστεύουν ότι η Ιαπωνία θα είχε παραδοθεί ούτως ή άλλως) και στο τέλος του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου. Ο Τσάντγουικ πέθανε το 1974.
Πώς ανακάλυψε το Chadwick το Neutron;
Τζ. Ο Thompson ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο χρησιμοποιώντας καθοδικούς σωλήνες το 1890 και ο Βρετανός φυσικός Ernest Rutherford, ο λεγόμενος πατέρας της πυρηνικής φυσικής, ανακάλυψε το πρωτόνιο το 1919. Ο Rutherford εικάζεται ότι τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια μπορούν να συνδυαστούν για να παράγουν ένα ουδέτερο σωματίδιο με περίπου την ίδια μάζα με ένα πρωτόνιο, και οι επιστήμονες πίστευαν ότι ένα τέτοιο σωματίδιο υπήρχε για πολλά αιτιολογικό. Για παράδειγμα, ήταν γνωστό ότι ο πυρήνας ηλίου έχει ατομικό αριθμό 2 αλλά αριθμό μάζας 4, πράγμα που σήμαινε ότι περιείχε κάποιο είδος ουδέτερης μυστικής μάζας. Κανείς δεν είχε παρατηρήσει ποτέ ένα νετρόνιο ή απέδειξε ότι υπήρχε.
Ο Τσάντγουικ ενδιαφέρθηκε ιδιαίτερα για ένα πείραμα που διεξήχθησαν από τους Frédéric και Irène Joliot-Curie, οι οποίοι βομβάρδισαν ένα δείγμα βηρυλλίου με ακτινοβολία άλφα. Σημείωσαν ότι ο βομβαρδισμός παρήγαγε μια άγνωστη ακτινοβολία, και όταν της επέτρεψαν να χτυπήσει ένα δείγμα κεριού παραφίνης, παρατήρησαν ότι τα πρωτόνια υψηλής ενέργειας πέφτουν από το υλικό.
Δυσαρεστημένος από την εξήγηση ότι η ακτινοβολία έγινε από φωτόνια υψηλής ενέργειας, Chadwick διπλασίασε το πείραμα και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ακτινοβολία έπρεπε να αποτελείται από βαριά σωματίδια με χωρίς χρέωση. Με βομβαρδισμό άλλων υλικών, όπως το ήλιο, το άζωτο και το λίθιο, ο Τσάντγουικ μπόρεσε να προσδιορίσει ότι η μάζα κάθε σωματιδίου ήταν λίγο μεγαλύτερη από αυτή ενός πρωτονίου.
Ο Τσάντγουικ δημοσίευσε την εφημερίδα του «Η Ύπαρξη ενός Νετρονίου» τον Μάιο του 1932. Μέχρι το 1934, άλλοι ερευνητές είχαν προσδιορίσει ότι το νετρόνιο ήταν στην πραγματικότητα ένα στοιχειώδες σωματίδιο και όχι ένας συνδυασμός πρωτονίων και ηλεκτρονίων.
Η σημασία της ατομικής θεωρίας του Τσάντγουικ
Η σύγχρονη σύλληψη του ατόμου διατηρεί τα περισσότερα από τα χαρακτηριστικά του πλανητικού μοντέλου ιδρύθηκε από τον Rutherford, αλλά με σημαντικές τροποποιήσεις που εισήγαγε ο Chadwick και ο Δανός φυσικός Neils Bohr.
Ήταν ο Bohr που ενσωμάτωσε την έννοια των διακριτών τροχιών στις οποίες ήταν περιορισμένα τα ηλεκτρόνια. Το βασίστηκε σε κβαντικές αρχές που ήταν καινούργιες τότε, αλλά έχουν καθιερωθεί ως επιστημονικές πραγματικότητες. Σύμφωνα με το μοντέλο Bohr, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν διακριτές τροχιές, και όταν μετακινούνται σε άλλη τροχιά, εκπέμπουν ή απορροφούν όχι σε συνεχείς ποσότητες, αλλά σε δέσμες ενέργειας, που ονομάζονται κβάντα.
Ενσωματώνοντας το έργο του Bohr και του Chadwick, η σύγχρονη εικόνα του ατόμου μοιάζει με αυτό: Το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου είναι κενό. Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε έναν μικρό αλλά βαρύ πυρήνα που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Επειδή η κβαντική θεωρία, η οποία βασίζεται στην αρχή της αβεβαιότητας, θεωρεί τα ηλεκτρόνια ως κύματα και σωματίδια, δεν μπορούν να εντοπιστούν οριστικά. Μπορείτε να μιλήσετε μόνο για την πιθανότητα ενός ηλεκτρονίου να βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη θέση, επομένως τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ένα σύννεφο πιθανότητας γύρω από τον πυρήνα.
Ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα είναι συνήθως ο ίδιος με τον αριθμό των πρωτονίων, αλλά μπορεί να είναι διαφορετικός. Τα άτομα ενός στοιχείου που έχουν διαφορετικό αριθμό νετρονίων ονομάζονται ισότοπα αυτού του στοιχείου. Τα περισσότερα στοιχεία έχουν ένα ή περισσότερα ισότοπα και μερικά έχουν πολλά. Ο κασσίτερος, για παράδειγμα, έχει 10 σταθερά ισότοπα και τουλάχιστον δύο φορές περισσότερα ασταθή, δίνοντάς του μια μέση ατομική μάζα σημαντικά διαφορετική από το διπλάσιο του ατομικού του αριθμού. Εάν η ανακάλυψη του Τζέιμς Τσάντγουικ για το νετρόνιο δεν είχε συμβεί ποτέ, θα ήταν αδύνατο να εξηγηθεί η ύπαρξη ισοτόπων.
Η συμβολή του Τζέιμς Τσάντγουικ στην ατομική βόμβα
Η ανακάλυψη του Chadwick για το νετρόνιο οδήγησε άμεσα στην ανάπτυξη της ατομικής βόμβας. Επειδή τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο, μπορούν να διεισδύσουν βαθύτερα στους πυρήνες των ατόμων στόχων από τα πρωτόνια. Ο βομβαρδισμός με νετρόνια σε ατομικούς πυρήνες έγινε μια σημαντική μέθοδος για την απόκτηση πληροφοριών σχετικά με τα χαρακτηριστικά των πυρήνων.
Δεν χρειάστηκε πολύς χρόνος οι επιστήμονες για να ανακαλύψουν, ωστόσο, ότι ο βομβαρδισμός του υπερβαρέως ουρανίου-235 με νετρόνια ήταν ένας τρόπος να διαλυθούν οι πυρήνες και να απελευθερωθεί μια τεράστια ποσότητα ενέργειας. Η σχάση του ουρανίου παράγει περισσότερα νετρόνια υψηλής ενέργειας που διαλύουν άλλα άτομα ουρανίου και το αποτέλεσμα είναι μια ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση. Μόλις αυτό ήταν γνωστό, ήταν μόνο θέμα ανάπτυξης ενός τρόπου έναρξης της αντίδρασης σχάσης κατόπιν ζήτησης σε ένα παραδοτέο περίβλημα. Οι Fat Man and Little Boy, οι βόμβες που κατέστρεψαν τη Χιροσίμα και το Ναγκασάκι, ήταν το αποτέλεσμα της μυστικής πολεμικής προσπάθειας που είναι γνωστή ως το έργο του Μανχάταν που πραγματοποιήθηκε για να κάνει ακριβώς αυτό.
Νετρόνια, ραδιενέργεια και πέρα
Η ατομική θεωρία του Chadwick καθιστά επίσης δυνατή την κατανόηση της ραδιενέργειας. Μερικά φυσικά ορυκτά - καθώς και ανθρωπογενή - εκπέμπουν αυθόρμητα ακτινοβολία και ο λόγος έχει να κάνει με τον σχετικό αριθμό πρωτονίων και νετρονίων στον πυρήνα. Ένας πυρήνας είναι πιο σταθερός όταν έχει ίσο αριθμό και γίνεται ασταθής όταν έχει περισσότερα από το ένα από το άλλο. Σε μια προσπάθεια να ανακτήσει τη σταθερότητα, ένας ασταθής πυρήνας ρίχνει ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας άλφα, βήτα ή γάμμα. Η άλφα ακτινοβολία αποτελείται από βαριά σωματίδια, το καθένα αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Η βήτα ακτινοβολία αποτελείται από ηλεκτρόνια και γάμμα ακτινοβολία φωτονίων.
Στο πλαίσιο της μελέτης των πυρήνων και της ραδιενέργειας, οι επιστήμονες έχουν αναλύσει περαιτέρω πρωτόνια και νετρόνια για να διαπιστώσουν ότι αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ. Η δύναμη που συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα ονομάζεται ισχυρή δύναμη και αυτή που συγκρατεί τα κουάρκ είναι γνωστή ως η δύναμη του χρώματος. Η ισχυρή δύναμη είναι ένα υποπροϊόν της χρωματικής δύναμης, η οποία από μόνη της εξαρτάται από την ανταλλαγή γλουόνων, που είναι ένας ακόμη τύπος στοιχειωδών σωματιδίων.
Η κατανόηση που κατέστη δυνατή από το ατομικό μοντέλο του James Chadwick έφερε τον κόσμο στην πυρηνική εποχή, αλλά η πόρτα σε έναν πολύ πιο μυστηριώδη και περίπλοκο κόσμο είναι ανοιχτή. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες μπορεί μια μέρα να αποδείξουν ότι ολόκληρο το σύμπαν, συμπεριλαμβανομένων των ατομικών πυρήνων και των κουάρκ από τα οποία είναι κατασκευασμένα, αποτελείται από άπειρες σειρές δονούμενης ενέργειας. Ό, τι ανακαλύπτουν, θα το κάνουν να στέκεται στους ώμους πρωτοπόρων όπως ο Τσάντγουικ.