今日の科学者は、原子が非常に軽量で負に帯電した電子の雲に囲まれた、小さくて重い正に帯電した原子核で構成されていると考えています。 このモデルは1920年代にまでさかのぼりますが、その起源は古代ギリシャにあります。 哲学者デモクリトスは、紀元前400年頃に原子の存在を提案しました。 誰も実際に取り上げませんでした イギリスの物理学者ジョン・ドルトンが早い段階で彼の原子理論を紹介するまで、どんな熱意を持ったアイデアでも 1800年代。 ダルトンのモデルは不完全でしたが、19世紀のほとんどを通して基本的に変更されていませんでした。
原子モデルの研究は19世紀の終わりから20世紀にかけて急増し、クラウドモデルとして知られる原子のシュレディンガーモデルに至りました。 物理学者のエルヴィンシュレディンガーが1926年にそれを紹介した直後、別の英国の物理学者であるジェームズチャドウィックが写真に重要な部分を追加しました。 チャドウィックは、正に帯電した陽子と原子核を共有する中性粒子である中性子の存在を発見する責任があります。
チャドウィックの発見により、クラウドモデルの改訂が余儀なくされ、科学者は改訂されたバージョンをジェームズチャドウィック原子モデルと呼ぶことがあります。 この発見により、チャドウィックは1935年のノーベル物理学賞を受賞し、原子爆弾の開発を可能にしました。 チャドウィックは極秘のマンハッタン計画に参加し、広島と長崎に核爆弾を配備した。 爆弾は日本の降伏（多くの歴史家は日本がとにかく降伏したと信じている）と第二次世界大戦の終結に貢献しました。 チャドウィックは1974年に亡くなりました。
チャドウィックはどのようにして中性子を発見しましたか？
J.J. トンプソンは1890年代にブラウン管を使って電子を発見し、英国の物理学者アーネスト・ラザフォード、いわゆる原子核物理学の父は1919年に陽子を発見しました。 ラザフォードは、電子と陽子が結合して中性粒子を生成する可能性があると推測しました。 陽子とほぼ同じ質量であり、科学者たちはそのような粒子が数年間存在すると信じていました 理由。 たとえば、ヘリウム原子核の原子番号は2ですが、質量数は4であることがわかっていました。これは、ある種の中性のミステリー質量が含まれていることを意味します。 しかし、中性子を観測したり、中性子が存在することを証明したりした人は誰もいませんでした。
チャドウィックは、ベリリウムのサンプルにアルファ線を照射したフレデリックとイレーヌジョリオキュリーが行った実験に特に興味を持っていました。 彼らは、爆撃が未知の放射線を生成し、それがパラフィンワックスのサンプルに当たることを許可したとき、高エネルギーの陽子が材料から投げ出されるのを観察したことに気づきました。
放射線が高エネルギーの光子でできているという説明に不満、チャドウィック 実験を複製し、放射線は重い粒子で構成されている必要があると結論付けました 無償。 チャドウィックは、ヘリウム、窒素、リチウムなどの他の物質に衝撃を与えることで、各粒子の質量が陽子の質量より少し大きいことを確認できました。
チャドウィックは1932年5月に彼の論文「TheExistenceofaNeutron」を発表しました。 1934年までに、他の研究者は、中性子は実際には素粒子であり、陽子と電子の組み合わせではないと判断しました。
チャドウィック原子理論の重要性
原子の現代的な概念は、惑星モデルの特徴のほとんどを保持しています ラザフォードによって設立されましたが、チャドウィックとデンマークの物理学者によって導入された重要な変更が加えられています ニールスボーア。
電子が閉じ込められる離散軌道の概念を取り入れたのはボーアでした。 彼はこれを、当時は新しいが科学的現実として確立された量子原理に基づいていた。 ボーア模型によれば、電子は離散軌道を占め、別の軌道に移動すると、連続的な量ではなく、量子と呼ばれるエネルギーの束で放出または吸収されます。
ボーアとチャドウィックの作品を取り入れた、原子の現代的な絵は次のようになります。原子のほとんどは空の空間です。 負に帯電した電子は、陽子と中性子で構成される小さいが重い原子核を周回します。 不確定性原理に基づく量子論は、電子を波と粒子の両方と見なしているため、電子を明確に特定することはできません。 電子が特定の位置にある可能性についてのみ話すことができるので、電子は原子核の周りに確率雲を形成します。
原子核内の中性子の数は通常、陽子の数と同じですが、異なる場合があります。 中性子の数が異なる元素の原子は、その元素の同位体と呼ばれます。 ほとんどの元素には1つまたは複数の同位体があり、一部にはいくつかの同位体があります。 たとえば、スズには10個の安定同位体と少なくとも2倍の不安定同位体があり、平均原子量は原子番号の2倍とは大幅に異なります。 ジェームズ・チャドウィックによる中性子の発見が一度も起こらなかったとしたら、同位体の存在を説明することは不可能でしょう。
ジェームズ・チャドウィックの原子爆弾への貢献
チャドウィックによる中性子の発見は、原子爆弾の開発に直接つながりました。 中性子は電荷を持たないため、陽子よりもターゲット原子の原子核に深く浸透する可能性があります。 原子核の中性子衝撃は、原子核の特性に関する情報を得るための重要な方法になりました。
科学者が発見するのにそれほど時間はかかりませんでしたが、超重質のウラン235に中性子を照射することが、原子核を分解して膨大な量のエネルギーを放出する方法であることがわかりました。 ウランの核分裂は、他のウラン原子を分解するより高エネルギーの中性子を生成し、その結果、制御不能な連鎖反応が起こります。 これが知られると、それは、成果物のケーシング内で要求に応じて核分裂反応を開始する方法を開発することだけの問題でした。 広島と長崎を破壊した爆弾であるファットマンとリトルボーイは、まさにそれを行うために行われたマンハッタン計画として知られる秘密の戦争努力の結果でした。
中性子、放射能およびそれを超えて
チャドウィック原子理論はまた、放射能を理解することを可能にします。 いくつかの天然に存在する鉱物（および人工の鉱物）は自然に放射線を放出します。その理由は、核内の陽子と中性子の相対的な数に関係しています。 原子核は、同じ数の場合に最も安定し、複数の場合に不安定になります。 安定性を取り戻すために、不安定な原子核はアルファ線、ベータ線、またはガンマ線の形でエネルギーを放出します。 アルファ線は重い粒子で構成されており、それぞれが2つの陽子と2つの中性子で構成されています。 ベータ線は、電子と光子のガンマ線で構成されています。
原子核と放射能の研究の一環として、科学者たちは陽子と中性子をさらに分析して、それら自体がクォークと呼ばれる小さな粒子で構成されていることを発見しました。 陽子と中性子を原子核内でまとめる力を強い力と呼び、クォークをまとめる力を色力と呼びます。 強い力は色の力の副産物であり、それ自体がさらに別の種類の素粒子であるグルーオンの交換に依存しています。
ジェームズチャドウィック原子モデルによって可能になった理解は、世界を核の時代にもたらしましたが、はるかに神秘的で複雑な世界への扉は広く開かれています。 たとえば、科学者はいつの日か、原子核とそれらが作られるクォークを含む宇宙全体が、振動するエネルギーの微小なストリングで構成されていることを証明するかもしれません。 彼らが発見したものは何でも、チャドウィックのような先駆者の肩の上に立ってそれを行います。