תיאוריה אטומית של ג'יימס צ'אדוויק

מדענים רואים כיום את האטומים כמורכבים מגרעינים זעירים, כבדים, בעלי טעינה חיובית המוקפים בעננים של אלקטרונים בעלי משקל קל במיוחד, טעונים שלילית. דגם זה מתחיל בשנות העשרים של המאה העשרים, אך מקורו ביוון העתיקה. הפילוסוף דמוקריטוס הציע את קיומם של אטומים בסביבות 400 לפני הספירה. אף אחד לא באמת לקח את רעיון עם כל להט עד שהפיזיקאי האנגלי ג'ון דלטון הציג את התיאוריה האטומית שלו בתחילת הדרך שנות ה 1800. המודל של דלתון לא היה שלם, אך הוא נמשך בעצם ללא שינוי לאורך רוב המאה ה -19.

שפע של מחקר על המודל האטומי התרחש בסוף המאה ה -19 ועד למאה ה -20, והגיע לשיאו במודל שרודינגר של האטום, הידוע כמודל הענן. זמן קצר לאחר שהפיזיקאי ארווין שרדינגר הציג אותו בשנת 1926, ג'יימס צ'אדוויק - פיזיקאי אנגלי נוסף - הוסיף קטע מכריע לתמונה. צ'אדוויק אחראי לגילוי קיומו של הנויטרון, החלקיק הנייטרלי החולק את הגרעין עם הפרוטון הטעון באופן חיובי.

תגליתו של צ'דוויק אילצה תיקון של מודל הענן, ומדענים מתייחסים לפעמים לגרסה המתוקנת כאל המודל האטומי של ג'יימס צ'דוויק. התגלית זיכתה את צ'אדוויק בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1935, והיא אפשרה את התפתחות פצצת האטום. צ'אדוויק השתתף בפרויקט סודי במיוחד במנהטן, שהגיע לשיאו בהפצצת פצצות גרעיניות על הירושימה ונגסאקי. הפצצה תרמה לכניעת יפן (היסטוריונים רבים מאמינים שיפן הייתה נכנעת בכל מקרה) ולסיום מלחמת העולם השנייה. צ'דוויק נפטר בשנת 1974.

ג'יי ג'יי. תומפסון גילה את האלקטרון באמצעות צינורות קתודה בשנות ה -90 של המאה העשרים, והפיזיקאי הבריטי ארנסט רתרפורד, מה שמכונה אבי הפיזיקה הגרעינית, גילה את הפרוטון בשנת 1919. רתרפורד העלה השערה כי אלקטרונים ופרוטונים יכולים להשתלב ולהפיק חלקיק ניטרלי עם בערך אותה מסה כמו פרוטון, ומדענים האמינו שחלקיק כזה קיים כמה סיבות. לדוגמא, היה ידוע שלגרעין הליום יש מספר אטומי של 2 אך מספר מסה של 4, מה שאומר שהוא מכיל איזשהו מסת מסתורין ניטראלית. איש מעולם לא צפה בנויטרון או הוכיח שהוא קיים.

צ'אדוויק התעניין במיוחד בניסוי שערכו פרדריק ואיריין ג'וליות-קירי, שהפציצו דגימת בריליום בקרינת אלפא. הם ציינו כי ההפצצה הניבה קרינה לא ידועה, וכאשר אפשרו לה לפגוע בדגימת שעוות פרפין, הם הבחינו בפרוטונים בעלי אנרגיה גבוהה המוטלים מהחומר.

לא מרוצה מההסבר שהקרינה נעשתה מפוטונים בעלי אנרגיה גבוהה, צ'דוויק שכפל את הניסוי והגיע למסקנה כי הקרינה צריכה להיות מורכבת מחלקיקים כבדים עם ללא תשלום. על ידי הפצצת חומרים אחרים, כולל הליום, חנקן וליתיום, הצ'דוויק הצליח לקבוע כי המסה של כל חלקיק היא קצת יותר מזו של פרוטון.

צ'דוויק פרסם את מאמרו "קיומו של נויטרון" במאי 1932. בשנת 1934, חוקרים אחרים קבעו כי הנויטרון הוא למעשה חלקיק אלמנטרי ולא שילוב של פרוטונים ואלקטרונים.

התפיסה המודרנית של האטום שומרת על מרבית מאפייני המודל הפלנטרי הוקם על ידי רתרפורד, אך עם שינויים חשובים שהציגו צ'אדוויק והפיזיקאי הדני נילס בוהר.

בוהר הוא ששילב את המושג מסלולים בדידים אליהם הוגבלו האלקטרונים. הוא ביסס זאת על עקרונות קוונטיים שהיו חדשים באותה תקופה אך שהתבססו כמציאות מדעית. על פי מודל בוהר, אלקטרונים תופסים מסלולים נפרדים, וכאשר הם עוברים למסלול אחר, הם פולטים או סופגים לא בכמויות רצופות, אלא בצרורות אנרגיה, הנקראים קוונטיות.

התמונה המודרנית של האטום משלבת את עבודתם של בוהר וצ'דוויק, ונראית כך: רוב האטום הוא שטח ריק. אלקטרונים טעונים שלילית מקיפים גרעין קטן אך כבד המורכב מפרוטונים ונויטרונים. מכיוון שתורת הקוונטים, המבוססת על עקרון חוסר הוודאות, מתייחסת לאלקטרונים גם לגלים וגם לחלקיקים, הם לא יכולים להיות ממוקמים סופית. אתה יכול לדבר רק על הסבירות שאלקטרון נמצא במיקום מסוים, ולכן האלקטרונים יוצרים ענן הסתברות סביב הגרעין.

מספר הנויטרונים בגרעין בדרך כלל זהה למספר הפרוטונים, אך הוא יכול להיות שונה. אטומים של יסוד שיש להם מספר שונה של נויטרונים נקראים איזוטופים של אותו יסוד. ברוב האלמנטים יש איזוטופ אחד או יותר, ולחלקם יש כמה. לפח, למשל, יש 10 איזוטופים יציבים ולפחות פי שניים כאלה שאינם יציבים, מה שמקנה לו מסת אטומית ממוצעת שונה באופן משמעותי מכפליים ממספרם האטומי. אם גילויו של ג'יימס צ'דוויק של הנויטרון מעולם לא היה מתרחש, אי אפשר יהיה להסביר את קיומם של איזוטופים.

גילויו של צ'אדוויק על הנויטרון הוביל ישירות להתפתחות פצצת האטום. מכיוון שלנייטרונים אין מטען, הם יכולים לחדור עמוק יותר לגרעיני אטומי המטרה מאשר לפרוטונים. הפצצת נויטרונים על גרעיני אטום הפכה לשיטה חשובה להשגת מידע על מאפייני הגרעינים.

לא לקח למדענים זמן רב לגלות, עם זאת, כי הפצצת אורניום 235 כבד במיוחד בנויטרונים היא דרך לפרק את הגרעינים ולשחרר כמות עצומה של אנרגיה. ביקוע אורניום מייצר יותר נויטרונים בעלי אנרגיה גבוהה המפרקים אטומי אורניום אחרים, והתוצאה היא תגובת שרשרת בלתי נשלטת. ברגע שזה היה ידוע, זה היה רק ​​עניין של פיתוח דרך ליזום תגובת ביקוע על פי דרישה במעטפת הניתנת להשגה. האיש השמן והילד הקטן, הפצצות שהשמידו את הירושימה ונגסאקי, היו תוצאה של מאמץ המלחמה הסודי המכונה פרויקט מנהטן שבוצע לשם כך.

התיאוריה האטומית של צ'דוויק מאפשרת גם להבין רדיואקטיביות. חלק מהמינרלים המתרחשים באופן טבעי - כמו גם אלה שנעשו על ידי אדם - פולטים קרינה באופן ספונטני, והסיבה קשורה למספר היחסי של פרוטונים ונויטרונים בגרעין. גרעין הוא יציב ביותר כאשר יש לו מספר שווה, והוא הופך להיות לא יציב כאשר יש לו יותר מאחד. במאמץ להחזיר את היציבות, גרעין לא יציב זורק אנרגיה בצורה של קרינת אלפא, בטא או גמא. קרינת אלפא מורכבת מחלקיקים כבדים, שכל אחד מהם מורכב משני פרוטונים ושני נויטרונים. קרינת בטא מורכבת מאלקטרונים וקרינת גמא של פוטונים.

כחלק ממחקר הגרעינים והרדיואקטיביות, מדענים ניתחו עוד פרוטונים ונויטרונים כדי לגלות שהם עצמם מורכבים מחלקיקים קטנים יותר הנקראים קווארקים. הכוח המחזיק את הפרוטונים והנייטרונים יחד בגרעין נקרא הכוח החזק, וזה שמחזיק את הקווארקים יחד ידוע ככוח הצבע. הכוח החזק הוא תוצר לוואי של כוח הצבע, שהוא תלוי בעצמו בחילופי גלואונים, שהם עוד סוג של חלקיק אלמנטרי.

ההבנה שהתאפשרה על ידי המודל האטומי של ג'יימס צ'אדוויק הביאה את העולם לעידן הגרעין, אך הדלת לעולם מסתורי ומסובך הרבה יותר פתוחה לרווחה. לדוגמא, מדענים עשויים יום אחד להוכיח כי היקום כולו, כולל גרעיני האטום והקוורקים מהם הם עשויים, מורכב ממחרוזות אינסופיות של אנרגיה רוטטת. לא משנה מה יגלו, הם יעשו זאת בעמידה על כתפיהם של חלוצים כמו צ'אדוויק.