ჯეიმს ჩედვიკი ატომური თეორია

დღეს მეცნიერები წარმოიდგენენ, რომ ატომები შედგება პატარა, მძიმე, დადებითად დამუხტული ბირთვებისგან, რომლებიც გარშემორტყმულია უკიდურესად მსუბუქი, უარყოფითად დამუხტული ელექტრონების ღრუბლებით. ეს მოდელი მე -20 საუკუნის 20-იანი წლებიდან მოდის, მაგრამ ის სათავეს ძველ საბერძნეთში იღებს. ფილოსოფოსი დემოკრიტე შემოგვთავაზეს ატომების არსებობა ძვ. წ. 400 წელს. არავინ ნამდვილად არ აიღო იდეა ნებისმიერ მწუხარებამდე მანამ, სანამ ინგლისელმა ფიზიკოსმა ჯონ დალტონმა ადრე არ წარმოადგინა მისი ატომური თეორია 1800-იანი წლები. დალტონის მოდელი არასრული იყო, მაგრამ ის ძირითადად უცვლელი დარჩა XIX საუკუნის უმეტეს ნაწილში.

ატომური მოდელის შესახებ უამრავი კვლევა მოხდა მე -19 საუკუნის ბოლოს და მე -20 საუკუნეში, რაც კულმინაციას მიაღწია ატომის შროდინგერის მოდელში, რომელიც ცნობილია როგორც ღრუბლის მოდელი. მას შემდეგ, რაც 1926 წელს ფიზიკოსმა ერვინ შროდინგერმა დანერგა, ჯეიმს ჩადვიკმა - კიდევ ერთმა ინგლისელმა ფიზიკოსმა, დაამატა სურათს გადამწყვეტი ნაწილი. ჩედვიკი პასუხისმგებელია ნეიტრონის, ნეიტრალური ნაწილაკის არსებობის აღმოჩენაზე, რომელიც ბირთვს დადებითად დამუხტულ პროტონს უზიარებს.

ჩადვიკის აღმოჩენამ აიძულა ღრუბლის მოდელის გადასინჯვა და მეცნიერები შესწორებულ ვერსიას ზოგჯერ ჯეიმს ჩედვიკის ატომურ მოდელს უწოდებენ. ამ აღმოჩენამ ჩადვიკს 1935 წელს ნობელის პრემია მიანიჭა ფიზიკაში, რის შედეგადაც შესაძლებელი გახდა ატომური ბომბი. ჩედვიკმა მონაწილეობა მიიღო მანჰეტენის სუპერ საიდუმლო პროექტში, რომელიც კულმინაციით დასრულდა ბირთვული ბომბების განთავსებით ჰიროსიმასა და ნაგასაკში. ბომბმა ხელი შეუწყო იაპონიის დანებებას (მრავალი ისტორიკოსი თვლის, რომ იაპონია მაინც დანებდებოდა) და მეორე მსოფლიო ომის დასრულება. ჩადვიკი გარდაიცვალა 1974 წელს.

ჯ.ჯ. ტომპსონმა ელექტრონი აღმოაჩინა კათოდური სხივების მილების გამოყენებით 1890-იან წლებში და ბრიტანელმა ფიზიკოსმა ერნესტ რუტერფორდმა, ე.წ. ბირთვული ფიზიკის მამამ, 1919 წელს აღმოაჩინა პროტონი. რეზერფორდმა ივარაუდა, რომ ელექტრონები და პროტონები შეიძლება გაერთიანდნენ და წარმოქმნან ნეიტრალური ნაწილაკი დაახლოებით იგივე მასა, რაც პროტონს და მეცნიერებს მიაჩნდათ, რომ ასეთი ნაწილაკი რამდენიმე ადამიანისთვის არსებობდა მიზეზები მაგალითად, ცნობილი იყო, რომ ჰელიუმის ბირთვს აქვს ატომური რიცხვი 2, მაგრამ მასა 4, რაც ნიშნავს, რომ იგი შეიცავს რაიმე სახის ნეიტრალურ საიდუმლო მასას. ნეიტრონი არავის დაუნახავს და არც დაადასტურა, რომ ის არსებობდა.

ჩედვიკი განსაკუთრებით დაინტერესდა ფრედერიკისა და ირენ ჯოლიოტ-კიურის მიერ ჩატარებული ექსპერიმენტით, რომლებმაც ბერილიუმის ნიმუში დაბომბეს ალფა გამოსხივებით. მათ აღნიშნეს, რომ დაბომბვის შედეგად წარმოიქმნა უცნობი გამოსხივება და როდესაც მათ საშუალება მისცეს მას დაეფინა პარაფინის ცვილის ნიმუში, დააკვირდნენ მასალისგან მაღალენერგეტიკულ პროტონებს.

უკმაყოფილო განმარტებით, რომ გამოსხივება გაკეთდა მაღალენერგეტიკული ფოტონისგან, ჩადვიკი ჩაატარა ექსპერიმენტის დუბლირება და დაასკვნა, რომ გამოსხივება უნდა შედგებოდეს მძიმე ნაწილაკებისგან ბრალი არ არის. სხვა მასალების, ჰელიუმის, აზოტის და ლითიუმის ჩათვლით დაბომბვით, ჩედვიკმა შეძლო დაედგინა, რომ თითოეული ნაწილაკის მასა ოდნავ მეტი იყო ვიდრე პროტონის.

ჩადვიკმა 1932 წლის მაისში გამოაქვეყნა თავისი ნაშრომი "ნეიტრონის არსებობა". 1934 წლისთვის სხვა მკვლევარებმა დაადგინეს, რომ ნეიტრონი სინამდვილეში ელემენტარული ნაწილაკია და არა პროტონისა და ელექტრონის კომბინაცია.

ატომის თანამედროვე კონცეფცია ინარჩუნებს პლანეტარული მოდელის უმეტეს მახასიათებელს შეიქმნა რუტერფორდის მიერ, მაგრამ მნიშვნელოვანი ცვლილებებით შემოიტანეს ჩადვიკი და დანიელი ფიზიკოსი ნილს ბორი.

სწორედ ბორმა მოიცვა დისკრეტული ორბიტების კონცეფცია, რომლებშიც ელექტრონები შემოიფარგლებოდა. მან ეს დააფუძნა კვანტურ პრინციპებზე, რომლებიც იმ დროს ახალი იყო, მაგრამ რომლებიც სამეცნიერო რეალობებად ჩამოყალიბდა. ბორის მოდელის მიხედვით, ელექტრონები იკავებენ დისკრეტულ ორბიტებს, ხოლო როდესაც ისინი სხვა ორბიტაზე გადადიან, ისინი ასხივებენ ან შთანთქავენ არა უწყვეტი რაოდენობით, არამედ ენერგიის შეკვრით, სახელწოდებით კვანტები.

ბორისა და ჩადვიკის მუშაობის ჩათვლით, ატომის თანამედროვე სურათი ასე გამოიყურება: ატომის უმეტესი ნაწილი ცარიელი ადგილია. უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები მცირე ზომის, მაგრამ მძიმე ბირთვს ბრუნავს, რომელიც პროტონებისა და ნეიტრონებისგან შედგება. იმის გამო, რომ კვანტური თეორია, რომელიც ემყარება გაურკვევლობის პრინციპს, ელექტრონებს განიხილავს როგორც ტალღებს, ისე ნაწილაკებს, მათი საბოლოოდ განთავსება შეუძლებელია. შეგიძლიათ მხოლოდ ელექტრონის კონკრეტულ მდგომარეობაში ყოფნის ალბათობაზე ისაუბროთ, ამიტომ ელექტრონები წარმოქმნიან ალბათობის ღრუბელს ბირთვის გარშემო.

ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობა, როგორც წესი, იგივეა, რაც პროტონის რაოდენობა, მაგრამ შეიძლება განსხვავებული იყოს. ელემენტის ატომებს, რომლებსაც აქვთ განსხვავებული რაოდენობის ნეიტრონები, ამ ელემენტის იზოტოპებს უწოდებენ. ელემენტების უმეტესობას აქვს ერთი ან მეტი იზოტოპი და ზოგს რამდენიმე. მაგალითად, თუნუქს აქვს 10 სტაბილური იზოტოპი და მინიმუმ ორჯერ მეტი არასტაბილური, რაც მას საშუალო ატომურ მასას მნიშვნელოვნად განსხვავდება, ვიდრე ორჯერ ატომური რიცხვი. ჯეიმს ჩედვიკის ნეიტრონის აღმოჩენა რომ არასოდეს მომხდარიყო, შეუძლებელი იქნებოდა იზოტოპების არსებობის ახსნა.

ჩედვიკის ნეიტრონის აღმოჩენამ პირდაპირ ატომური ბომბის განვითარება გამოიწვია. იმის გამო, რომ ნეიტრონებს მუხტი არ აქვთ, მათ უფრო ღრმად შეუძლიათ შეაღწიონ სამიზნე ატომების ბირთვებში, ვიდრე პროტონებს. ატომური ბირთვების ნეიტრონული დაბომბვა გახდა მნიშვნელოვანი მეთოდი ბირთვების მახასიათებლების შესახებ ინფორმაციის მისაღებად.

მეცნიერებს დიდი დრო არ დასჭირდათ იმის გასარკვევად, რომ სუპერმძიმე ურანი-235-ის ნეიტრონებით დაბომბვა იყო ბირთვების დაშლისა და უზარმაზარი ენერგიის გამოყოფის საშუალება. ურანის გახლეჩის შედეგად წარმოიქმნება უფრო მეტი ენერგიის მქონე ნეიტრონები, რომლებიც ანადგურებენ ურანის სხვა ატომებს და შედეგი არის უკონტროლო ჯაჭვური რეაქცია. მას შემდეგ რაც ეს გახდა ცნობილი, საქმე ეხებოდა მხოლოდ მოთხოვნილ განხეთქილებაზე რეაქციის წარმოების გზას. Fat Man and Little Boy, ბომბები, რომლებმაც გაანადგურეს ჰიროსიმა და ნაგასაკი, იყო საიდუმლო ომის მცდელობა, რომელიც მანჰეტენის პროექტის სახელით არის ცნობილი, რომელიც ჩატარდა სწორედ ამისათვის.

ჩადვიკის ატომური თეორია ასევე საშუალებას იძლევა რადიოაქტიურობის გაგება. ბუნებრივად აღმოჩენილი ზოგიერთი მინერალი - ისევე როგორც ადამიანის მიერ შექმნილი - სპონტანურად ასხივებს გამოსხივებას და მიზეზი უკავშირდება ბირთვში პროტონებისა და ნეიტრონების ფარდობით რაოდენობას. ბირთვი ყველაზე სტაბილურია, როდესაც მას აქვს თანაბარი რიცხვი, და ის ხდება არასტაბილური, როდესაც მას ერთზე მეტი აქვს. სტაბილურობის აღდგენის მიზნით, არასტაბილური ბირთვი ენერგიას აგდებს ალფა, ბეტა ან გამა გამოსხივების სახით. ალფა გამოსხივება შედგება მძიმე ნაწილაკებისგან, თითოეული შედგება ორი პროტონისა და ორი ნეიტრონისგან. ბეტა გამოსხივება შედგება ელექტრონებისგან და ფოტონის გამა გამოსხივებისგან.

ბირთვებისა და რადიოაქტივობის შესწავლის ფარგლებში, მეცნიერებმა შემდგომი პროსონებისა და ნეიტრონების გაკვეთა აღმოაჩინეს, რომ ისინი თვითონ უფრო მცირე ნაწილაკებისგან შედგება, რომლებსაც კვარკები ეწოდება. ძალას, რომელიც ბირთვში ერთვის პროტონებსა და ნეიტრონებს, უწოდებენ ძლიერ ძალას, ხოლო ძალას, რომელიც კვარკებს აერთიანებს. ძლიერი ძალა არის ფერადი ძალის სუბპროდუქტი, რაც თავისთავად დამოკიდებულია გლუონების გაცვლაზე, რომლებიც ელემენტარული ნაწილაკების კიდევ ერთი სახეობაა.

ჯეიმს ჩედვიკის ატომური მოდელის საშუალებით გააზრებამ მსოფლიო ბირთვულ ეპოქაში გადაიყვანა, მაგრამ გაცილებით იდუმალი და რთული სამყაროს კარი ღიაა. მაგალითად, მეცნიერებმა შეიძლება ერთ მშვენიერ დღეს დაამტკიცონ, რომ მთელი სამყარო, ატომური ბირთვებისა და კვარკების ჩათვლით, საიდანაც ისინი მზადდება, შედგება ვიბრაციული ენერგიის უსასრულო სიმებისგან. რასაც ისინი აღმოაჩენენ, ისინი ამას გააკეთებენ პიონერების მხრებზე, ჩადვიკის მსგავსად.