Tutkijat kuvittelevat nykyään atomien muodostuvan pienistä, raskaista, positiivisesti varautuneista ytimistä, joita ympäröivät erittäin kevyiden, negatiivisesti varautuneiden elektronien pilvet. Tämä malli on peräisin 1920-luvulta, mutta sen alkuperä on peräisin muinaisesta Kreikasta. Filosofi Democritus ehdotti atomien olemassaoloa noin 400 eaa. Kukaan ei oikeastaan ottanut idea innokkaasti, kunnes englantilainen fyysikko John Dalton esitteli atomiteoriansa varhaisessa vaiheessa 1800-luku. Daltonin malli oli epätäydellinen, mutta se säilyi pohjimmiltaan muuttumattomana koko 1800-luvun.
Atomimallin tutkimustulos tapahtui 1800-luvun lopulla ja pitkälle 1900-luvulle, joka huipentui atomin Schrodinger-malliin, joka tunnetaan pilvimallina. Pian sen jälkeen, kun fyysikko Erwin Schrodinger esitteli sen vuonna 1926, James Chadwick - toinen englantilainen fyysikko - lisäsi kuvaan ratkaisevan osan. Chadwick on vastuussa neutronin, neutraalin hiukkasen, joka jakaa ytimen positiivisesti varautuneen protonin kanssa, olemassaolon löytämisestä.
Chadwickin löytö pakotti pilvimallin tarkistuksen, ja tutkijat viittaavat joskus tarkistettuun versioon James Chadwickin atomimalliksi. Löytö ansaitsi Chadwickille vuoden 1935 fysiikan Nobel-palkinnon, ja se mahdollisti atomipommin kehittämisen. Chadwick osallistui supersalaiseen Manhattan-projektiin, joka huipentui ydinpommien käyttöönottoon Hiroshimaan ja Nagasakiin. Pommi vaikutti Japanin antautumiseen (monet historioitsijat uskovat Japanin antautuneen joka tapauksessa) ja toisen maailmansodan loppuun. Chadwick kuoli vuonna 1974.
Kuinka Chadwick löysi neutronin?
J.J. Thompson löysi elektronin katodisädeputkista 1890-luvulla, ja brittiläinen fyysikko Ernest Rutherford, niin kutsuttu ydinfysiikan isä, löysi protonin vuonna 1919. Rutherford arveli, että elektronit ja protonit voisivat yhdessä muodostaa neutraalin hiukkasen suunnilleen sama massa kuin protoni, ja tutkijat uskoivat, että tällainen hiukkanen oli olemassa useita syyt. Esimerkiksi tiedettiin, että heliumytimen atomiluku on 2, mutta massaluku 4, mikä tarkoitti, että se sisälsi jonkinlaisen neutraalin mysteerimassan. Kukaan ei kuitenkaan ollut koskaan havainnut neutronia tai osoittanut sen olemassaoloa.
Chadwick oli erityisen kiinnostunut Frédéricin ja Irène Joliot-Curien tekemästä kokeesta, jotka olivat pommittaneet berylliuminäytteen alfasäteilyllä. He totesivat, että pommitukset tuottivat tuntemattoman säteilyn, ja kun he antoivat sen iskeä parafiinivahanäytteeseen, he havaitsivat materiaalista vuotavan korkean energian protoneja.
Tyytymätön selitykseen, jonka mukaan säteily tehtiin suurenergisistä fotoneista, Chadwick kopioi kokeen ja päätyi siihen, että säteilyn oli koostuttava raskaista hiukkasista veloituksetta. Pommittamalla muita materiaaleja, mukaan lukien helium, typpi ja litium, Chadwick pystyi määrittämään, että jokaisen hiukkasen massa oli hiukan enemmän kuin protonin.
Chadwick julkaisi paperinsa "Neutronin olemassaolo" toukokuussa 1932. Vuoteen 1934 mennessä muut tutkijat olivat todenneet, että neutroni oli itse asiassa alkupartikkeli eikä protonien ja elektronien yhdistelmä.
Chadwickin atomiteorian merkitys
Moderni käsitys atomista säilyttää suurimman osan planeettamallin ominaisuuksista Rutherford perusti, mutta Chadwick ja tanskalainen fyysikko esittivät tärkeitä muutoksia Neils Bohr.
Bohr sisällytti käsitteen erillisistä kiertoradoista, joihin elektronit rajoittuivat. Hän perusti tämän kvanttiperiaatteisiin, jotka olivat tuolloin uusia, mutta jotka ovat vakiintuneet tieteelliseksi todellisuudeksi. Bohr-mallin mukaan elektronilla on erilliset kiertoradat, ja kun ne siirtyvät toiselle kiertoradalle, ne päästävät tai absorboivat ei jatkuvina määrinä, vaan energian kimppuina, joita kutsutaan kvantteiksi.
Bohrin ja Chadwickin työ huomioon ottaen moderni kuva atomista näyttää tältä: Suurin osa atomista on tyhjää tilaa. Negatiivisesti varautuneet elektronit kiertävät pientä, mutta raskasta, protoneista ja neutronista koostuvaa ydintä. Koska epävarmuusperiaatteeseen perustuva kvanttiteoria pitää elektroneja sekä aaltoina että hiukkasina, niitä ei voida määrittää lopullisesti. Voit puhua vain siitä todennäköisyydestä, että elektroni on tietyssä asemassa, joten elektronit muodostavat todennäköisyyspilven ytimen ympärille.
Neutronien lukumäärä ytimessä on yleensä sama kuin protonien lukumäärä, mutta se voi olla erilainen. Elementin atomeja, joilla on erilainen määrä neutroneja, kutsutaan kyseisen elementin isotoopeiksi. Suurimmalla osalla on yksi tai useampi isotooppi, ja joissakin on useita. Esimerkiksi tinassa on 10 stabiilia isotooppia ja vähintään kaksi kertaa niin epävakaita isotooppeja, mikä antaa sille keskimääräisen atomimassan, joka on huomattavasti erilainen kuin kaksinkertainen sen atomiluku. Jos James Chadwick ei löytänyt neutronia, ei olisi koskaan tapahtunut, isotooppien olemassaoloa olisi mahdotonta selittää.
James Chadwickin panos atomipommiin
Chadwick löysi neutronin johti suoraan atomipommin kehitykseen. Koska neutroneilla ei ole varausta, ne voivat tunkeutua syvemmälle kohdeaatomien ytimiin kuin protonit. Atomien neutronipommituksesta tuli tärkeä menetelmä tietojen saamiseksi ytimien ominaisuuksista.
Tutkijoiden ei kuitenkaan tarvinnut kauan havaita, että superraskaan Uranium-235: n pommittaminen neutronilla oli tapa hajottaa ytimet toisistaan ja vapauttaa valtava määrä energiaa. Uraanin fissio tuottaa enemmän korkean energian neutroneja, jotka hajottavat muut uraaniatomit, ja tuloksena on hallitsematon ketjureaktio. Kun tämä oli tiedossa, oli vain kehitettävä tapa aloittaa fissioreaktio tarpeen mukaan toimitettavassa kotelossa. Rasva mies ja pieni poika, Hiroshiman ja Nagasakin tuhoavat pommit, olivat seurausta salaisesta sodan ponnistelusta, joka tunnettiin Manhattan-projektina.
Neutronit, radioaktiivisuus ja muut
Chadwickin atomiteoria mahdollistaa myös radioaktiivisuuden ymmärtämisen. Jotkut luonnossa esiintyvät mineraalit - samoin kuin ihmisen tekemät - lähettävät spontaanisti säteilyä, ja syy liittyy protonien ja neutronien suhteelliseen määrään ytimessä. Ydin on vakain, kun sillä on sama määrä, ja se muuttuu epävakaaksi, kun sillä on enemmän yhtä kuin toinen. Vakauden palauttamiseksi epästabiili ydin heittää pois energian alfa-, beeta- tai gammasäteilyn muodossa. Alfa-säteily koostuu raskaista hiukkasista, joista kukin koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Beetasäteily koostuu elektronista ja fotonien gammasäteilystä.
Osana ytimien ja radioaktiivisuuden tutkimusta tutkijat ovat edelleen leikkaaneet protoneja ja neutroneja saadakseen selville, että ne itse koostuvat pienemmistä hiukkasista, joita kutsutaan kvarkeiksi. Voimaa, joka pitää protoneja ja neutroneja yhdessä ytimessä, kutsutaan voimakkaaksi voimaksi, ja voimaa, joka pitää kvarkit yhdessä, kutsutaan värivoimaksi. Vahva voima on värivoiman sivutuote, joka itsessään riippuu gluunien vaihdosta, jotka ovat vielä eräänlainen alkeishiukkaset.
James Chadwickin atomimallin mahdollistama ymmärrys on tuonut maailman ydinaseeseen, mutta ovi paljon salaperäisempään ja monimutkaisempaan maailmaan on auki. Esimerkiksi tiedemiehet voivat jonain päivänä todistaa, että koko maailmankaikkeus, mukaan lukien atomiytimet ja kvarkit, joista ne on valmistettu, koostuu äärettömän pienistä tärisevän energian merkkijonoista. Mitä he löytävätkin, he tekevät sen seisomalla tienraivaajien kuten Chadwickin harteilla.