Znanstvenici danas zamišljaju da su atomi sastavljeni od sićušnih, teških, pozitivno nabijenih jezgri okruženih oblacima izuzetno laganih, negativno nabijenih elektrona. Ovaj model datira iz 1920-ih, ali porijeklom je iz drevne Grčke. Filozof Demokrit predložio je postojanje atoma oko 400. pne. Nitko se zapravo nije zauzeo za ideja s puno žara sve dok engleski fizičar John Dalton nije rano predstavio svoju atomsku teoriju 1800-ih. Daltonov model bio je nepotpun, ali zadržao se u osnovi nepromijenjen tijekom većeg dijela 19. stoljeća.
Mnoštvo istraživanja atomskog modela dogodilo se krajem 19. i sve do 20. stoljeća, a kulminiralo je Schrodingerovim modelom atoma, koji je poznat kao model oblaka. Ubrzo nakon što ga je fizičar Erwin Schrodinger predstavio 1926. godine, James Chadwick - još jedan engleski fizičar - dodao je presudan dio slike. Chadwick je odgovoran za otkrivanje postojanja neutrona, neutralne čestice koja dijeli jezgru s pozitivno nabijenim protonom.
Chadwickovo otkriće prisililo je na reviziju modela oblaka, a znanstvenici revidiranu verziju ponekad nazivaju atomskim modelom Jamesa Chadwicka. Otkriće je Chadwicku donijelo Nobelovu nagradu za fiziku 1935. godine, a omogućilo je razvoj atomske bombe. Chadwick je sudjelovao u supertajnom projektu Manhattana, koji je kulminirao raspoređivanjem nuklearnih bombi na Hirošimu i Nagasaki. Bomba je pridonijela predaji Japana (mnogi povjesničari vjeruju da bi se Japan ionako predao) i kraju Drugog svjetskog rata. Chadwick je umro 1974.
Kako je Chadwick otkrio neutron?
J.J. Thompson je otkrio elektron pomoću katodnih cijevi 1890-ih, a britanski fizičar Ernest Rutherford, takozvani otac nuklearne fizike, 1919. otkrio je proton. Rutherford je pretpostavljao da bi se elektroni i protoni mogli kombinirati da bi stvorili neutralnu česticu sa otprilike iste mase kao i proton, a znanstvenici su vjerovali da takva čestica postoji nekoliko njih razlozi. Na primjer, bilo je poznato da jezgra helija ima atomski broj 2, ali maseni broj 4, što je značilo da sadrži neku vrstu neutralne misteriozne mase. Ipak, nitko nikada nije primijetio neutron niti dokazao da postoji.
Chadwicka je posebno zanimao eksperiment koji su proveli Frédéric i Irène Joliot-Curie, koji su bombardirali uzorak berilija alfa zračenjem. Primijetili su da je bombardiranje proizvelo nepoznato zračenje, a kad su mu dopustili da udari u uzorak parafinskog voska, primijetili su kako se visokoenergetski protoni odbacuju iz materijala.
Nezadovoljan objašnjenjem da su zračenje radili visokoenergijski fotoni, Chadwick duplicirao eksperiment i zaključio da se zračenje mora sastojati od teških čestica s bez naknade. Bombardirajući druge materijale, uključujući helij, dušik i litij, Chadwick je uspio utvrditi da je masa svake čestice malo veća od mase protona.
Chadwick je objavio svoj rad "Postojanje neutrona" u svibnju 1932. Do 1934. godine drugi su istraživači utvrdili da je neutron zapravo elementarna čestica, a ne kombinacija protona i elektrona.
Važnost Chadwickove atomske teorije
Moderna koncepcija atoma zadržava većinu karakteristika planetarnog modela uspostavio Rutherford, ali s važnim izmjenama koje su uveli Chadwick i danski fizičar Neils Bohr.
Bohr je bio taj koji je uvrstio koncept diskretnih orbita na koje su elektroni bili ograničeni. Temelio je to na kvantnim principima koji su u to vrijeme bili novi, ali koji su se utvrdili kao znanstvena stvarnost. Prema Bohrovom modelu, elektroni zauzimaju diskretne orbite, a kad se presele na drugu orbitu, emitiraju ili apsorbiraju ne u kontinuiranim količinama, već u snopovima energije, koji se nazivaju kvanti.
Uključujući rad Bohra i Chadwicka, moderna slika atoma izgleda ovako: Većina atoma je prazan prostor. Negativno nabijeni elektroni kruže oko male, ali teške jezgre sastavljene od protona i neutrona. Budući da kvantna teorija, koja se temelji na principu nesigurnosti, elektrone smatra valovima i česticama, oni se ne mogu definitivno locirati. Možete govoriti samo o vjerojatnosti da se elektron nalazi u određenom položaju, pa elektroni tvore oblak vjerojatnosti oko jezgre.
Broj neutrona u jezgri obično je jednak broju protona, ali može biti različit. Atomi elementa koji imaju različit broj neutrona nazivaju se izotopi tog elementa. Većina elemenata ima jedan ili više izotopa, a neki i nekoliko. Primjerice, kositar ima 10 stabilnih izotopa i najmanje dvostruko više nestabilnih, što mu daje prosječnu atomsku masu znatno različitu od dvostrukog atomskog broja. Da se James Chadwick-ovo otkriće neutrona nikada nije dogodilo, bilo bi nemoguće objasniti postojanje izotopa.
Prilog Jamesa Chadwicka atomskoj bombi
Chadwickovo otkriće neutrona dovelo je izravno do razvoja atomske bombe. Budući da neutroni nemaju naboj, mogu dublje prodrijeti u jezgre ciljnih atoma od protona. Neutronsko bombardiranje atomskih jezgri postalo je važna metoda za dobivanje informacija o karakteristikama jezgara.
Međutim, znanstvenicima nije trebalo dugo da otkriju kako je bombardiranje super-teškog Urana-235 neutronima način da se jezgre razbiju i oslobodi ogromna količina energije. Fisijom urana nastaje više visokoenergijskih neutrona koji rastavljaju ostale atome urana, a rezultat je nekontrolirana lančana reakcija. Jednom kada se to saznalo, bilo je samo pitanje razviti način pokretanja reakcije cijepanja na zahtjev u isporučivom kućištu. Debeli čovjek i Dječačić, bombe koje su uništile Hirošimu i Nagasaki, rezultat su tajnih ratnih napora poznatih kao projekt Manhattan koji je proveden upravo radi toga.
Neutroni, radioaktivnost i dalje
Atomska teorija Chadwicka također omogućuje razumijevanje radioaktivnosti. Neki minerali koji se prirodno javljaju - kao i umjetni - spontano emitiraju zračenje, a razlog je povezan s relativnim brojem protona i neutrona u jezgri. Jezgra je najstabilnija kad ima jednak broj, a nestabilnom postaje kad je ima više jednih nego drugih. U nastojanju da povrati stabilnost, nestabilna jezgra izbacuje energiju u obliku alfa, beta ili gama zračenja. Alfa zračenje sastoji se od teških čestica, od kojih se svaka sastoji od dva protona i dva neutrona. Beta zračenje sastoji se od elektrona i gama zračenja fotona.
U sklopu proučavanja jezgara i radioaktivnosti, znanstvenici su dalje secirali protone i neutrone kako bi otkrili da su i sami sastavljeni od manjih čestica koje se nazivaju kvarkovi. Sila koja drži protone i neutrone u jezgri naziva se jaka sila, a ona koja drži kvarkove poznata je kao sila boje. Jaka sila je nusprodukt sile boje, koja sama ovisi o izmjeni gluonata, koji su još jedna vrsta osnovne čestice.
Razumijevanje koje je omogućio atomski model Jamesa Chadwicka uvelo je svijet u nuklearno doba, ali vrata u daleko tajnovitiji i zamršeniji svijet širom su otvorena. Na primjer, znanstvenici će jednog dana moći dokazati da je čitav svemir, uključujući atomske jezgre i kvarkove od kojih su stvoreni, sastavljen od beskonačno malih žica vibracijske energije. Što god otkriju, učinit će to stojeći na ramenima pionira poput Chadwicka.