Tänapäeval näevad teadlased aatomite koosseisu väikestest, rasketest positiivselt laetud tuumadest, mida ümbritsevad ülimalt kergete, negatiivselt laetud elektronide pilved. See mudel pärineb 1920. aastatest, kuid see pärineb Vana-Kreekast. Filosoof Democritus pakkus välja aatomite olemasolu umbes aastal 400 eKr. Keegi ei võtnud seda tõepoolest ette idee igasuguse tulega, kuni inglise füüsik John Dalton varakult oma aatomiteooriat tutvustas 1800. aastad. Daltoni mudel oli puudulik, kuid see püsis põhimõtteliselt muutumatuna kogu 19. sajandi vältel.
Aatomimudeli uurimistöö toimus 19. sajandi lõpus ja 20. sajandil ning tipnes aatomi Schrodingeri mudeliga, mida tuntakse pilvemudelina. Varsti pärast seda, kui füüsik Erwin Schrodinger selle 1926. aastal tutvustas, lisas James Chadwick - teine inglise füüsik - pildile üliolulise tüki. Chadwick vastutab neutroni - neutraalse osakese, mis jagab tuuma positiivselt laetud prootoniga, olemasolu avastamise eest.
Chadwicki avastus sundis pilvemudelit läbi vaatama ja teadlased nimetavad muudetud versiooni mõnikord James Chadwicki aatomimudeliks. Avastus pälvis Chadwickile 1935. aasta Nobeli füüsikapreemia ja see võimaldas aatomipommi väljatöötamist. Chadwick osales ülisalajases Manhattani projektis, mis kulmineerus tuumapommide paigutamisega Hiroshimale ja Nagasakile. Pomm aitas kaasa Jaapani alistumisele (paljud ajaloolased usuvad, et Jaapan oleks nagunii alistunud) ja II maailmasõja lõppu. Chadwick suri 1974. aastal.
Kuidas Chadwick neutroni avastas?
J.J. Thompson avastas elektronid katoodkiiretorude abil 1890. aastatel ja briti füüsik Ernest Rutherford, nn tuumafüüsika isa, avastas prootoni 1919. aastal. Rutherford spekuleeris, et elektronid ja prootonid võivad ühineda, saades koos neutraalse osakese umbes sama mass kui prootonil ja teadlased uskusid, et selline osake eksisteeris mitme jaoks põhjustel. Näiteks oli teada, et heeliumituuma aatomnumber on 2, kuid massinumber 4, mis tähendab, et see sisaldab mingit neutraalset salapära. Keegi polnud kunagi neutronit jälginud ega tõestanud selle olemasolu.
Chadwickit huvitas eriti Frédéricu ja Irène Joliot-Curie korraldatud katse, kes olid pommitanud berülliumi proovi alfakiirgusega. Nad märkisid, et pommitamine tekitas tundmatut kiirgust ja kui nad lasid sellel parafiinivahast proovi lüüa, täheldasid nad materjalist suure energiaga prootoneid.
Ei ole rahul selgitusega, et kiirgus oli tehtud suure energiaga footonitest, Chadwickist dubleeris katset ja jõudis järeldusele, et kiirgus pidi koosnema rasketest osakestest koos tasuta. Pommitades teisi materjale, sealhulgas heeliumi, lämmastikku ja liitiumit, suutis Chadwick kindlaks teha, et iga osakese mass oli veidi suurem kui prootonil.
Chadwick avaldas oma artikli “Neutroni olemasolu” 1932. aasta mais. Aastaks 1934 olid teised teadlased kindlaks teinud, et neutron oli tegelikult elementaarosake, mitte prootonite ja elektronide kombinatsioon.
Chadwicki aatomiteooria tähtsus
Kaasaegne aatomi kontseptsioon säilitab suurema osa planeedimudeli omadustest asutas Rutherford, kuid Chadwicki ja Taani füüsiku kasutusele võetud oluliste muudatustega Neils Bohr.
See oli Bohr, kes integreeris diskreetsete orbiitide kontseptsiooni, millele elektronid olid piiratud. Ta lähtus sellest kvantpõhimõtetest, mis olid tol ajal uued, kuid mis on kinnistunud teadusliku reaalsusena. Bohri mudeli järgi hõivavad elektronid diskreetsed orbiidid ja teisele orbiidile liikudes kiirgavad või neelavad nad mitte pidevas koguses, vaid energiakimpudes, mida nimetatakse kvantideks.
Bohri ja Chadwicki tööd kaasates näeb aatomi tänapäevane pilt välja selline: suurem osa aatomist on tühi ruum. Negatiivselt laetud elektronid tiirlevad väikese, kuid raske prootonitest ja neutronitest koosneva tuuma ümber. Kuna määramatuse printsiibil põhinev kvantteooria käsitleb elektrone nii lainete kui ka osakestena, ei saa neid lõplikult leida. Rääkida saab ainult tõenäosusest, et elektron on kindlas asendis, nii et elektronid moodustavad tuuma ümber tõenäosuspilve.
Neutronite arv tuumas on tavaliselt sama kui prootonite arv, kuid see võib olla erinev. Elemendi aatomeid, millel on erinev neutronite arv, nimetatakse selle elemendi isotoopideks. Enamikul elementidel on üks või mitu isotoopi ja mõnel mitu. Näiteks tinas on 10 stabiilset isotoopi ja vähemalt kaks korda rohkem ebastabiilseid, mis annab selle keskmise aatommassi, mis on oluliselt erinev kui selle aatomnumbri kaks korda suurem. Kui James Chadwicki neutroni ei oleks kunagi avastatud, oleks isotoopide olemasolu võimatu seletada.
James Chadwicki panus aatomipommi
Chadwicki neutroni avastamine viis otseselt aatomipommi väljatöötamiseni. Kuna neutronitel pole laengut, võivad nad tungida märksaatomite tuumadesse sügavamalt kui prootonid. Aatomituumade neutronpommitamisest sai oluline meetod tuumade omaduste kohta teabe saamiseks.
Teadlastel ei läinud kaua aega, kui avastati, et üliraskete Uraan-235 pommitamine neutronitega oli viis tuumade lõhestamiseks ja tohutu hulga energia vabanemiseks. Uraani lõhustumisel tekib rohkem suure energiaga neutroneid, mis lõhustavad teisi uraani aatomeid, ja tulemuseks on kontrollimatu ahelreaktsioon. Kui see oli teada, oli vaja vaid välja töötada viis, kuidas algatada lõhustumisreaktsioon nõudmisel tarnitavas korpuses. Paks mees ja väike poiss, pommid, mis Hiroshimat ja Nagasakit hävitasid, olid Manhattani projekti nime all tuntud salajased sõjategevused, mis viidi läbi just selleks.
Neutronid, radioaktiivsus ja kaugemalgi
Chadwicki aatomiteooria võimaldab mõista ka radioaktiivsust. Mõned looduslikult esinevad mineraalid - nagu ka inimtekkelised - eraldavad spontaanselt kiirgust ja põhjus on seotud tuumas olevate prootonite ja neutronite suhtelise arvuga. Tuum on kõige stabiilsem, kui tal on võrdne arv, ja see muutub ebastabiilseks, kui tal on rohkem kui üks. Stabiilsuse taastamise nimel heidab ebastabiilne tuum energia ära alfa-, beeta- või gammakiirguse kujul. Alfa-kiirgus koosneb rasketest osakestest, millest igaüks koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist. Beetakiirgus koosneb elektronidest ja footonite gammakiirgusest.
Tuumade ja radioaktiivsuse uurimise osana on teadlased veel prootoneid ja neutroneid lahanud, et leida, et need koosnevad ka ise väiksematest osakestest, mida nimetatakse kvarkideks. Jõudu, mis hoiab tuumas prootoneid ja neutrone koos, nimetatakse tugevaks jõuks ning kvarke koos hoidvat jõudu nimetatakse värvijõuks. Tugev jõud on värvijõu kõrvalprodukt, mis ise sõltub gluunide vahetamisest, mis on veel üks elementaarosakeste tüüp.
James Chadwicki aatomimudeli võimaldatud arusaam on toonud maailma tuumaajastu, kuid uks palju salapärasemasse ja keerukamasse maailma on lahti. Näiteks võivad teadlased ühel päeval tõestada, et kogu universum, kaasa arvatud aatomituumad ja kvarkid, millest need on valmistatud, koosneb lõpmatult väikestest vibreeriva energia stringidest. Mida nad avastavad, teevad nad seda Chadwicki-suguste pioneeride õlul seistes.