A tudósok manapság úgy gondolják, hogy az atomok apró, nehéz, pozitív töltésű magokból állnak, amelyeket rendkívül könnyű, negatív töltésű elektronok felhői vesznek körül. Ez a modell az 1920-as évekig nyúlik vissza, de az ókori Görögországból ered. Demokritosz filozófus Kr.e. 400 körül javasolta az atomok létét. Senki sem vette fel igazán ötlet minden hévvel, amíg John Dalton angol fizikus korán bemutatta atomelméletét 1800-as évek. Dalton modellje nem volt teljes, de a 19. század nagy részében alapvetően változatlan maradt.
Az atommodell kutatása a 19. század végén és a 20. században is végbement, amelynek csúcspontja az atom Schrodinger-modellje volt, amelyet felhőmodellnek neveznek. Nem sokkal azután, hogy Erwin Schrodinger fizikus 1926-ban bemutatta, James Chadwick - egy másik angol fizikus - döntő darabot adott a képhez. Chadwick felelős a neutron, a semleges részecske létezésének felfedezéséért, amely megosztja a magot a pozitív töltésű protonnal.
Chadwick felfedezése kényszerítette a felhőmodell felülvizsgálatát, és a tudósok néha James Chadwick atommodellnek nevezik a módosított verziót. A felfedezés elnyerte Chadwick számára az 1935-ös fizikai Nobel-díjat, és lehetővé tette az atombomba kifejlesztését. Chadwick részt vett a szupertitkos manhattani projektben, amely a nukleáris bombák Hirosimára és Nagaszakira történő telepítésével tetőzött. A bomba hozzájárult Japán megadásához (sok történész szerint Japán egyébként is megadta volna magát) és a második világháború végéhez. Chadwick 1974-ben halt meg.
Hogyan fedezte fel Chadwick a neutront?
J.J. Thompson az 1890-es években fedezte fel az elektront katódsugárcsövek segítségével, Ernest Rutherford brit fizikus, az úgynevezett atomfizika atyja pedig 1919-ben. Rutherford feltételezése szerint az elektronok és a protonok egyesülve semleges részecskét hozhatnak létre nagyjából azonos tömegű, mint egy proton, és a tudósok úgy vélték, hogy egy ilyen részecske több számára létezik okokból. Például ismert volt, hogy a héliummag atomszáma 2, de tömegszáma 4, ami azt jelentette, hogy valamiféle semleges misztériumtömeget tartalmazott. Még senki sem figyelt meg neutronokat, és nem bizonyította, hogy létezik.
Chadwickot különösen érdekelte egy kísérlet, amelyet Frédéric és Irène Joliot-Curie hajtott végre, akik alfa sugárzással bombáztak egy berilliummintát. Megjegyezték, hogy a bombázás ismeretlen sugárzást eredményezett, és amikor megengedték neki, hogy parafin viaszmintát üssön, megfigyelték, hogy nagy energiájú protonok lendülnek ki az anyagból.
Elégedetlen azzal a magyarázattal, hogy a sugárzást nagy energiájú fotonok, Chadwick készítették lemásolta a kísérletet, és arra a következtetésre jutott, hogy a sugárzásnak nehéz részecskékből kell állnia Díjmentes. Más anyagok, köztük a hélium, a nitrogén és a lítium bombázásával Chadwick meg tudta állapítani, hogy az egyes részecskék tömege valamivel több, mint egy proton tömege.
Chadwick 1932 májusában publikálta „A neutron létezése” című cikkét. 1934-re más kutatók megállapították, hogy a neutron valójában elemi részecske, és nem protonok és elektronok kombinációja.
A Chadwick-atomelmélet jelentősége
Az atom modern felfogása megtartja a bolygómodell legtöbb jellemzőjét Rutherford alapította, de Chadwick és a dán fizikus fontos módosításokkal Neils Bohr.
Bohr építette be a diszkrét pályák fogalmát, amelyekre az elektronok korlátozódtak. Ezt olyan kvantumelvekre alapozta, amelyek akkoriban még újak voltak, de amelyek tudományos realitásként megalapozódtak. A Bohr-modell szerint az elektronok diszkrét pályákat foglalnak el, és amikor egy másik pályára lépnek, nem folyamatos mennyiségben, hanem kvantumoknak nevezett energiakötegekben bocsátanak ki vagy vesznek fel.
Bohr és Chadwick munkáját beépítve az atom modern képe a következőképpen néz ki: Az atom nagy része üres tér. A negatív töltésű elektronok egy kicsi, de nehéz, protonokból és neutronokból álló mag körül keringenek. Mivel a bizonytalanság elvén alapuló kvantumelmélet az elektronokat hullámnak és részecskének egyaránt tekinti, nem lehet őket véglegesen elhelyezni. Csak arról beszélhet, hogy egy elektron egy adott helyzetben van, tehát az elektronok valószínűségi felhőt képeznek a mag körül.
A neutronok száma a magban általában megegyezik a protonok számával, de eltérhet. Egy olyan elem atomjait, amelyeknek eltérő a neutronszámuk, az elem izotópjainak nevezzük. A legtöbb elemnek egy vagy több izotópja van, és néhánynak több is van. Az ónban például 10 stabil izotóp van, és legalább kétszer annyi instabil, így az átlagos atomtömeg jelentősen eltér az atomszám kétszeresétől. Ha James Chadwick soha nem fedezte volna fel a neutront, lehetetlen lenne megmagyarázni az izotópok létezését.
James Chadwick közreműködése az Atombombában
Chadwick a neutron felfedezése közvetlenül az atombomba kifejlesztéséhez vezetett. Mivel a neutronoknak nincs töltésük, a protonoknál mélyebben behatolhatnak a célatomok magjaiba. Az atommagok neutronbombázása fontos módszerré vált az atomok jellemzőivel kapcsolatos információk megszerzésére.
A tudósoknak azonban nem kellett sokáig felfedezniük, hogy a szuper nehéz Uranium-235 neutronokkal történő bombázása a magok szétválasztásának és hatalmas mennyiségű energia felszabadításának a módja volt. Az urán hasadásával több nagy energiájú neutron keletkezik, amelyek szétbontják a többi uránatomot, és ennek eredménye egy ellenőrizhetetlen láncreakció. Amint ezt megtudták, csupán egy olyan megoldás kidolgozásának kérdése volt, hogy igény szerint elindítsák a hasadási reakciót egy szállítható házban. A Kövér ember és a Kisfiú, a Hirosimát és Nagaszakit elpusztító bombák annak a titkos háborús erőfeszítésnek az eredményei voltak, amelyet Manhattan-projekt néven ismernek, és ennek érdekében folytak.
Neutronok, radioaktivitás és azon túl
A Chadwick-atomelmélet lehetővé teszi a radioaktivitás megértését is. Néhány természetesen előforduló ásványi anyag - csakúgy, mint az ember által készített - spontán sugárzást bocsát ki, és ennek oka a magban lévő protonok és neutronok relatív száma. A mag akkor a legstabilabb, ha azonos száma van, és instabillá válik, ha több van, mint a másik. A stabilitás visszaszerzése érdekében az instabil sejtmag alfa-, béta- vagy gammasugárzás formájában dobja el az energiát. Az alfa-sugárzás nehéz részecskékből áll, amelyek mindegyike két protonból és két neutronból áll. A béta sugárzás elektronokból és a fotonok gamma sugárzásából áll.
A magok és a radioaktivitás vizsgálatának részeként a tudósok tovább boncolták a protonokat és a neutronokat, hogy megállapítsák, hogy maguk is kisebb kvarkoknak nevezett részecskékből állnak. Az erőt, amely a protonokat és a neutronokat együtt tartja a magban, erős erőnek nevezzük, és a kvarkokat összetartó erőt színerőnek nevezzük. Az erős erő a színerő mellékterméke, amely maga a gluonok cseréjétől függ, amelyek még egyfajta elemi részecskék.
A James Chadwick atommodell által lehetővé tett megértés a világot az atomkorba vitte, de a titokzatosabb és bonyolultabb világ kapuja nyitva áll. Például a tudósok egy napon bebizonyíthatják, hogy az egész univerzum, beleértve az atommagokat és a kvarkokat is, amelyekből készültek, végtelenül kis rezgőenergia-húrokból áll. Bármit is fedeznek fel, olyan úttörők vállán állnak, mint Chadwick.
