Šiandien mokslininkai įsivaizduoja, kad atomai susideda iš mažų, sunkių, teigiamai įkrautų branduolių, apsuptų itin lengvų, neigiamai įkrautų elektronų debesų. Šis modelis datuojamas 1920-aisiais, tačiau jis atsirado senovės Graikijoje. Filosofas Demokritas pasiūlė, kad atomai egzistuotų apie 400 m. Niekas iš tikrųjų nesiėmė idėja su bet kokiu įkarščiu, kol anglų fizikas Johnas Daltonas pradžioje pristatė savo atominę teoriją 1800-ieji. Daltono modelis buvo neišsamus, tačiau beveik visą XIX amžių jis išliko nepakitęs.
XIX a. Pabaigoje ir XX a. Įvyko daugybė atominio modelio tyrimų, kurie baigėsi Schrodingerio atomo modeliu, kuris yra žinomas kaip debesų modelis. Netrukus po to, kai fizikas Erwinas Schrodingeris jį pristatė 1926 m., Jamesas Chadwickas - kitas anglų fizikas - pridėjo svarbų paveikslą. Chadwickas yra atsakingas už neutrono, neutralios dalelės, kuri dalijasi branduoliu su teigiamai įkrautu protonu, egzistavimą.
Chadwicko atradimas privertė peržiūrėti debesų modelį, o mokslininkai patikslintą versiją kartais vadina Jameso Chadwicko atominiu modeliu. Šis atradimas pelnė Chadwickui 1935 m. Nobelio fizikos premiją ir tai leido sukurti atominę bombą. Chadwickas dalyvavo itin slaptame Manhatano projekte, kuris baigėsi branduolinių bombų dislokavimu Hirošimoje ir Nagasakyje. Bomba prisidėjo prie Japonijos pasidavimo (daugelis istorikų mano, kad Japonija vis tiek būtų pasidavusi) ir Antrojo pasaulinio karo pabaigos. Chadwickas mirė 1974 m.
Kaip Čadvikas atrado neutroną?
J.J. Thompsonas elektroną atrado naudodamas katodinių spindulių vamzdelius 1890-aisiais, o britų fizikas Ernestas Rutherfordas, vadinamasis branduolinės fizikos tėvas, 1919-aisiais atrado protoną. Rutherfordas spėjo, kad elektronai ir protonai gali susijungti, kad gautų neutralią dalelę su maždaug tokia pati masė kaip ir protonas, ir mokslininkai manė, kad tokia dalelė egzistuoja keliems priežastys. Pavyzdžiui, buvo žinoma, kad helio branduolio atominis skaičius yra 2, bet masės skaičius yra 4, o tai reiškia, kad jame yra kažkokia neutrali paslapties masė. Niekas niekada nebuvo pastebėjęs neutrono ar įrodęs, kad jis egzistuoja.
Chadwicką ypač domino eksperimentas, kurį atliko Frédéric ir Irène Joliot-Curie, kurie alfa spinduliuote bombardavo berilio mėginį. Jie pažymėjo, kad bombardavimas sukėlė nežinomą spinduliavimą, o jiems leidus pataikyti į parafino vaško mėginį, jie pastebėjo, kad iš medžiagos išsiskiria didelės energijos protonai.
Nepatenkintas paaiškinimu, kad spinduliuotė buvo sukurta iš didelės energijos fotonų - Čadviko pakartojo eksperimentą ir padarė išvadą, kad radiacija turi būti sudaryta iš sunkiųjų dalelių su jokio mokesčio. Bombarduodamas kitas medžiagas, įskaitant helį, azotą ir ličio, Chadwickas sugebėjo nustatyti, kad kiekvienos dalelės masė buvo šiek tiek didesnė nei protono.
Chadwickas savo knygą „Neutrono egzistavimas“ išleido 1932 m. Gegužės mėn. Iki 1934 m. Kiti tyrėjai nustatė, kad neutronas iš tikrųjų yra elementari dalelė, o ne protonų ir elektronų derinys.
Čadviko atominės teorijos svarba
Šiuolaikinė atomo samprata išlaiko didžiąją dalį planetinio modelio savybių įkūrė Rutherfordas, tačiau su svarbiomis modifikacijomis, kurias pateikė Chadwickas ir danų fizikas Neilsas Bohras.
Būtent Bohras įtraukė diskrečių orbitų, kurioms buvo apriboti elektronai, sampratą. Tai jis grindė kvantiniais principais, kurie tuo metu buvo nauji, bet kurie buvo įsitvirtinę kaip mokslinė realybė. Pagal Bohro modelį elektronai užima diskrečias orbitas, o persikėlę į kitą orbitą jie skleidžia ar sugeria ne ištisiniais kiekiais, o energijos ryšuliais, vadinamais kvantais.
Įtraukus Bohro ir Chadwicko darbus, šiuolaikinis atomo vaizdas atrodo taip: didžioji atomo dalis yra tuščia erdvė. Neigiamai įkrauti elektronai skrieja aplink mažą, bet sunkų branduolį, susidedantį iš protonų ir neutronų. Kadangi neapibrėžtumo principu paremta kvantinė teorija elektronus laiko ir bangomis, ir dalelėmis, jų negalima tiksliai nustatyti. Galima kalbėti tik apie tikimybę, kad elektronas bus tam tikroje padėtyje, todėl elektronai aplink branduolį formuoja tikimybės debesį.
Neutronų skaičius branduolyje paprastai sutampa su protonų skaičiumi, tačiau jis gali būti skirtingas. Elemento atomai, turintys skirtingą neutronų skaičių, vadinami to elemento izotopais. Daugelis elementų turi vieną ar kelis izotopus, o kai kurie turi kelis. Pavyzdžiui, alavas turi 10 stabilių izotopų ir mažiausiai dvigubai daugiau nestabilių izotopų, todėl jo vidutinė atominė masė gerokai skiriasi nuo dvigubo atominio skaičiaus. Jei Jamesas Chadwickas niekada nebūtų atradęs neutrono, būtų neįmanoma paaiškinti izotopų egzistavimo.
Jameso Chadwicko indėlis į atominę bombą
Chadwickas, atradęs neutroną, tiesiogiai sukūrė atominę bombą. Kadangi neutronai neturi krūvio, jie gali prasiskverbti giliau į tikslinių atomų branduolius nei protonai. Neutroninis atominių branduolių bombardavimas tapo svarbiu metodu gauti informaciją apie branduolių savybes.
Vis dėlto mokslininkams netruko atrasti, kad itin sunkaus Urano-235 bombardavimas neutronais buvo būdas suskaidyti branduolius ir išleisti milžinišką energijos kiekį. Skilus uranui susidaro daugiau didelės energijos neutronų, kurie skaido kitus urano atomus, o rezultatas - nevaldoma grandininė reakcija. Kai tai buvo žinoma, reikėjo tik sukurti būdą, kaip pradėti dalijimosi reakciją pagal poreikį pristatomame korpuse. Storas žmogus ir mažas berniukas - bombos, sunaikinusios Hirosimą ir Nagasakį, buvo slaptų karo pastangų, žinomų kaip Manheteno projektas, rezultatas.
Neutronai, radioaktyvumas ir ne tik
Chadwicko atominė teorija taip pat leidžia suprasti radioaktyvumą. Kai kurie natūraliai randami mineralai, taip pat ir žmogaus pagaminti, spontaniškai skleidžia radiaciją, o priežastis yra susijusi su santykiniu protonų ir neutronų skaičiumi branduolyje. Branduolys yra stabiliausias, kai turi vienodą skaičių, ir tampa nestabilus, kai turi daugiau nei vienas. Siekdamas atgauti stabilumą, nestabilus branduolys išmeta energiją alfa, beta ar gama spinduliuotės pavidalu. Alfa spinduliuotė susideda iš sunkiųjų dalelių, kurių kiekviena susideda iš dviejų protonų ir dviejų neutronų. Beta spinduliuotę sudaro elektronai ir gama fotonų spinduliuotė.
Atlikdami branduolių ir radioaktyvumo tyrimą, mokslininkai toliau išskyrė protonus ir neutronus, kad nustatytų, jog jie patys susideda iš mažesnių dalelių, vadinamų kvarkais. Jėga, kuri branduolyje laiko protonus ir neutronus, vadinama stipria jėga, o kvarkus kartu laikanti - spalvų jėga. Stipri jėga yra šalutinis spalvos jėgos produktas, kuris pats priklauso nuo gluonų, kurie yra dar viena elementariųjų dalelių rūšis, mainų.
Jameso Chadwicko atominio modelio įmanomas supratimas atvedė pasaulį į branduolinį amžių, tačiau durys į kur kas paslaptingesnį ir įmantresnį pasaulį yra atviros. Pavyzdžiui, mokslininkai vieną dieną gali įrodyti, kad visa visata, įskaitant atominius branduolius ir kvarkus, iš kurių jie yra pagaminti, susideda iš begalinio dydžio virpančios energijos stygų. Ką jie atras, tą padarys atsistoję ant tokių pionierių kaip Čadvikas pečių.